专利名称：集装箱码头生产过程控制、可视化系统的制作方法
技术领域：
本发明属于GPS (全球卫星定位系统)定位技术与自控技术和计算机技术相 结合跨领域的实时过程控制系统。特别涉及一种集装箱码头作业过程控制、可视 化系统。具体包括GIS (Global Information Syst棚〉地理信息系统GPS (Global Positioning System)全球卫星定位系统PLC (Programming Language Contral)可编程语言控制电路系统2.4GHz DSSS无线局域网系统Teklogix TEK8570无线终端及Tekterm终端仿真软件DGPS堆场集装箱、装卸机械实时定位控制多功能过程控制器COSMOS码头操作管理软件ERP系统计算机技术 背景技术港口码头的装卸工作存在着装卸司机操作的任意性、生产信息的滞后性和特 殊自然环境对生产的制约等问题。21世纪初，天津港集装箱码头有限公司在本 公司3C (Computer、 Communication、 Control)生产体系的基础上，吸收国际 一流数字化集装箱码头生产体系的成功经验，弥补其在生产过控制、可视化操作 (管理)方面的不足，结合国内港口集装箱生产需求，将全球卫星定位(GPS)、 地理信息(GIS)技术引入港口集装箱行业。应用计算机、通讯、控制、GIS、 GPS、 导航、多媒体、DLP大屏幕等髙科技，实施综合开发，对港口集装箱码头生产的 关键要素船舶、堆场、集装箱、装卸机械、闸口进行数据自动采集、精确定位、 动态跟踪、实现生产过程精细化控制、司机三维可视化操作、调度三维可视化管 理。有效地解决了司机操作的任意性、生产信息的滞后性、堆场安全和特殊自然 环境对生产的制约等问题，成功地开发了 "集装箱码头生产过程控制、可视化管 理系统"并创建了具有中国特色的集装箱码头3C2S (Co即uter、 Communication、
Control、 GPS、 GIS)生产体系。填补国内空白，综合技术指标优于国际同类系统，推动我国集装箱码头智能化管理水平迈上一个新台阶。 发明内容本发明1目的是提供一种基于集装箱码头生产作业过程控制、可视化管理系 统，为了上述系统提供可靠、稳定的硬件联控机构，实现堆场信息自动跟踪、自 动采集、自动反馈，优化工艺、縮短工艺衔接时间、增加机车重载率，减少司机 软件作业操作、提髙作业效率、降低运营成本，通过转锁机构实现集装箱生产过 程控制(见图14)。本发明2.为"集装箱码头生产作业过程控制、可视化管理系统"提供堆场 装卸机械司机实时三维可视化操作界面，实现司机三维实时可视化操作、调度实 时三维可视化人机管理环境(见图13)。本发明的目的是这样实现的本发明是《集装箱码头生产过程控制、可视化管理系统》中的一个子系统(移 动站系统见图l)实现的。移动站系统是由B-1.GPS卫星接收天线；8-2』 5接收机；8-3.8570车载 机和移动站处理系统；8-4.多功能控制器(控制电路)；B-5.RTG机车及控制电 路等组成(见图2)。 一.移动站系统控制流程的特征是B-l将接收的GPS卫星信号传给B-2， B-3将通过无线计算机网络接收到A 发来的差分信号传给B-2，经B-2处理后将GPS精确定位信息再传回B-3, B-3 再根据无线计算机网接收到E发来的生产作业指令、B-2的GPS精确定位信息和 GIS信息来判断B-3当前的位置是否符合生产作业指令的要求并通过图形画面方 式显示给B-3上的司机;当符合生产指令的要求时向B-4发出允许转锁机构动作 的信号，B-4将该信号转换为控制转锁机构动作的信号传给B-5，由B-5来控制 轮胎吊(RTG)的转锁机构动作，将集装箱吊放到生产作业指令所要求的位置后 方可进行转锁动作，完成一次作业；否则当司机的操作不符合生产作业指令的要 求时，B-3向B-4发出禁止转锁机构动作信号，通过B-4来控制B-5禁止RTG转 锁机构动作，以使RTG司机不能进行吊放集装箱，直到RTG司机操作符合生产指令的要求时，才能完成吊放集装箱的操作作业。从而保证了每个集装箱的吊放位 置，都符合E发来生产作业指令的要求，保证了码头堆场中每个集装箱的堆码位
置与E中数据库中的数据完全一致。二.其程序软件为1. 8570移动站处理系统(RTG-AP)是在Windows 98/2000操作系统、2.4GHz Wireless LAN系统下运行，通过TEKTERM通讯仿真软件(简称TEKTERM)、 COSMOS码头操作管理软件(简称ERP-AP)获取生产作业指令，与(差分 数接收软件将从中心站系统收到差分数传给GPS接收机后)GPS接收机传 回的精确定位数据、GIS信息进行比较处理后，向B-4多功能控制器发出 控制转锁信息，由B-4控制B-5 (RTG)的转锁机构，进行吊放集装箱的操 作。(见图2、图3);2. 差分数接收软件(D-sf)程序流程图(见图5)(1) . Windows98/2000系统启动后引导D-sf运行。(2) . D-sf进行初始化工作。(3) .判断本程序是否结束运行，如是则结束运行；否则进入下一步。(4) .判断是否有差分数发来，如有进入下一步；否则返回到(3)。(5) .接收差分数据。(6) .检验差分数据的正确性，如正确执行(7);否则执行(8)。(7) .将差分数据通过8570无线电脑的C0M1串口传给GPS接收机。(8) .清除无效的差分数据，返回(3)。3. 移动站处理系统主程序流程图(见图6)(1) .在Windows98/2000系统启动并将D-sf运行后，引导RTG-AP运行。(2) . RTG-AP进行初始化工作。(3) . RTG-AP引导启动TEKTERM运行。(4) .运行RTG动态模拟和画面显示处理模块。(5) .判断有作业操作进行吗？如有执行(6);如没有执行(7)。(6) .执行作业操作处理模块。(7) .判断RTG的大车走行了吗？如有执行(8);如没有执行(9)。(8) .执行大车走行处理模块。(9) .判断是否退出操作？如是结束本程序运行否则返回(5)。4. RTG动态模拟和画面显示处理模块(见图7)
(1) .该模块启动运行。(2) .检测GPS运行状态。(3) .接收DGPS定位数据，并进行定位处理。(4) .向数据处理中心A读取本RTG所在场地的集装箱堆存数据。(5) .绘制并显示RTG所在常鸟瞰图。(6) .绘制并显示GPS、 RTG的状态信息栏。(7) .绘制并显示RTG垂直面的模拟作业图。(8) .绘制并显示GPS的作业指令信息栏和GPS的精确定位信息。(9) .判断是否结束运行？如是则结束本程序运行；否则返回(2)。 5.作业操作处理模块(见图8)(1〉.本模块启动运行。(2) .实际进行作业操作输入。(3) .获取作业操作指令信息，并显示在GPS的作业指令信息栏中。(4) .调用RTG动态模拟和画面显示处理模块。(5) .判断RTG转锁机构是否处于受控状态？如是执行(6):否则执行恥。(6) .判断当前RTG的吊具位置是否等于指令源位置？如是执行(8);否则 执行(7)。(7) .通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号禁止RTG的 转锁机构动作，并返回(6)。(8) .通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号允许RTG的 转锁机构动作(闭锁)。(9) .判断吊具是否在水平面上移动并大于半个箱位的距离U.22米)？ 如移动距离小于等于半个箱位，返回(8);否则进入下一步操作。鹏.通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号禁止RTG转 锁机构动作。0D.判断现吊具位置是否等于作业指令的目标位置？如是进入下一步操 作；否则返回鹏。03.通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号允许RTG转 锁机构动作。进入下一步操作。
微.判断是否开锁并水平移动大于半个箱位？如是则执行肠；否则返回 到肪。a仏判断是否完成闭锁至开锁动作？如是进入下--歩操作否则执行ao。 肠.发送本次作业完成确认信息给erp-ap，进入下一歩。 鹏.结束作业操作处理。6. 大车走行处理模块(见图9)(1) .本模块启动运行。(2) .接收中心处理系统a,大车走行信息。(3) .判断有否碰撞警报发生？如有进入下一歩；否则执行鹏。(4) .在8570显示器上显示防碰撞报警图形。(5) .是否进入限速临界区收到限速指令？如是则执行(6);否则执行(9)。(6) .通过8570无线终端com2串口给多功能控制器发出rtg大车限速信 号，有多功能控制器控制大车限速运行。(7) . rtg的大车处于限速走行状态。(8) .判断rtg大车走行停止否？如没有停止，执行下一歩；否则执行鹏。(9) .判断防碰撞报審取消否？如取消了，执行下一步；否则返回(4)。 鹏.判断rtg大车走行停止否？如没有停止，执行下一步否则执行a0。 (id.判断rtg驶出本场区了吗？如是则执行下一歩；否则返回w。03.判断rtg进入新场区了吗？如否则执行下一步；进入新场执行a9。 肌判断rtg90度转向了吗？如是则执行下一步；否则执行肪。 cm).执行90度转向处理，然后返回肪。 05).调用rtg动态模拟画面显示处理，然后返回鹏。鹏.大车走行处理结束。7. rtg-ap初始化处理模块(见图io)(1) .本模块启动运行。(2) .对变量、工作区进行初始化，申请占用8570无线终端的c0m1、 com2 端口。(3) .向中心处理系统a，进行登录。(4) .接收gps定位信息。
(5) . GPS初始定位。(6) .结束初始化。8.启动TEKTERM模块(见图ll)(1) .启动运行TEKTERM通讯仿真程序。(2) .启动ERP-AP，即启动COSMOS码头操作管理软件，调出用户登录界 面。(3) .进行用户登录操作。(4) . TEKTERM启动完毕。三.堆场装卸机械三维实时可视化操作人机界面移动站三维实时可视化操作人机界面可直观三维生产场景，达到视觉与空间 协调一致，满足司机可视化操作。人机界面设计分四部分(见图13):1. 上部分左侧窗口是应用程序窗口，显示集装箱操作指令，该指令来自中 心调度。2. 上部分右側窗口是应用程序窗口，显示当前集装箱操作指令，该指令来 自中心调度；装卸机械实时作业过程(包括集装箱实时信息、装卸机械 作业过程实时信息)侧视图。3. 中间部分窗口显示集装箱作业偏差、GPS状态，RTG状态和其他功能下拉 菜单等GPS移动站状态参数。4. 下部分窗口显示装卸机械作业过程(包括堆场地理信息(GIS)、装卸机 械实时位置信息、堆场集装箱信息)俯视图。本发明的优点 本发明在世界上首次提出1、 "依据作业指令位置信息-集装箱GPS定位信息，控制吊具转锁机构(装 置)技术途径，实现堆场集装箱码放位置的精确定位，确保集装箱堆码精度《 20CM,准确率100%。"；2、 使用俯视图、侧视图用两个二维实时动态图形描述三维空间堆场集装箱 生产过程，实现堆场装卸机械司机三维实时可视化操作，达到视觉空间(堆场、 集装箱、装卸机械)效果与现实操作协调一致。本发明是以国际3C集装箱码头生产体系为原型，结合港口堆场集装箱装卸 生产过程控制和可视化管理的用户需求，将计算机、通讯、自动控制、GIS、 GPS 等技术综合进行设计，从而实现了集装箱码头堆场精细化作业(过程控制、可视 化操作)，确保堆场集装箱堆码误差《20CM，准确率100%。1. 本系统通过控制RTG转锁机构的动作，达到保证集装箱吊放的准确性， 其原理简单、实现方便、成本低，并且适合各类型(PLC、继电器等)RTG 使用。2. 本系统虽读取ERP系统的数据，但不会影响或干扰原ERP的任何正常运 行，万一本系统出现故障，只是本系统停止运行，原ERP系统仍可正常 运行。3. 本系统用二个二维动态画面表示三维实时作业场景，直观明了，为司机 提供可靠的可视化操作依据。4. 本系统代替RTG司机进行作业完成确认操作可节省RTG司机50%的键 盘操作量，使司机有更多的时间专注机车作业操作，提高了工作效率。
图1是集装箱码头生产过程控制、可视化管理系统总图；图2是移动站系统模块结构图；图3是移动站处理系统组成及软件关联；图4是移动站可视化操作人机界面布局图；图5是移动站差分软件模块图集装箱作业过程控制、可视化系统的结构示意图；图6是移动站处理系统程序图之一图7是移动站处理系统程序图之二 (RTG动态模拟和画面显示处理)图8是移动站处理系统程序图之三(作业操作处理)；图9是移动站处理系统程序图之四(大车走行处理)；图10是移动站处理系统程序图之五(RTG-AP初始化)；图11是移动站处理系统程序图之六(启动TEKTERM);图12是移动站处理系统程序图之七图13是堆场装卸机械三维实时可视化操作人机界面图集； 图14是多功能控制器电路原理图。
具体实施方式
本集装箱作业过程控制、可视化系统在天津港集装箱码头有限公司实施，解 决了在本公司3C国内港口集装箱生产的需求，将全球卫星定位(GPS)、地理信 息(GIS)技术引入港口集装箱行业。应用计算机、通讯、控制、GIS、 GPS、导 航、多媒体、DLP大屏幕等高科技，实施综合开发，对港口集装箱码头生产的关 键要素船舶、堆场、集装箱、装卸机械、闸口进行数据自动采集、精确定位、动 态跟踪、实现生产过程精细化控制、司机三维可视化操作、调度三维可视化管理。 有效地解决了司机操作的任意性、生产信息的滞后性和特殊自然环境对生产的制 约等问题，"集装箱码头生产过程控制、可视化管理系统"并创建了具有中国特 色的集装箱码头3C2S (Computer、 Co咖unication、 Control、 GPS、 GIS)生产 体系。填补国内空白，综合技术指标优于国际同类系统，推动我国集装箱码头智 能化管理水平迈上一个新台阶。
权利要求
1. 一种集装箱码头生产过程控制、可视化系统，其特征在于它是一个移动站系统由硬件系统组成B-1.GPS卫星接收天线；B-2.GPS接收机；B-3.8570车载机和移动站处理系统；B-4.多功能控制器的控制电路；B-5.RTG机车及控制电路等组成；移动站系统控制连接流程的特征是B-1将接收的GPS卫星信号传给B-2，B-3将通过无线计算机网络接收到A发来的差分信号传给B-2，经B-2处理后将GPS精确定位信息再传回B-3，B-3再根据无线计算机网接收到E发来的生产作业指令、B-2的GPS精确定位信息和GIS信息来判断B-3当前的位置是否符合生产作业指令的要求并通过图形画面方式显示给B-3上的司机；当符合生产指令的要求时向B-4发出允许转锁机构动作的信号，B-4将该信号转换为控制转锁机构动作的信号传给B-5，由B-5来控制轮胎吊(RTG)的转锁机构动作，将集装箱吊放到生产作业指令所要求的位置后方可进行转锁动作，完成一次作业；否则当司机的操作不符合生产作业指令的要求时，B-3向B-4发出禁止转锁机构动作信号，通过B-4来控制B-5禁止RTG转锁机构动作，以使RTG司机不能进行吊放集装箱，直到RTG司机操作符合生产指令的要求时，才能完成吊放集装箱的操作作业；从而保证了每个集装箱的吊放位置，都符合E发来生产作业指令的要求，保证了码头堆场中每个集装箱的堆码位置与E中数据库中的数据完全一致。
2、根据权利要求1所述的集装箱作业过程控制、可视化系统，其特征在于 其程序软件为1. 8570移动站处理系统(RTG-AP〉是在Windows 98/2000操作系统、2.4GHz Wireless LAN系统下运行，通过TEKTERM通讯仿真软件(简称TEKTERM)、 COSMOS码头操作 管理软件(简称ERP-AP)获取生产作业指令，与-一差分数接收软件将从中心站系 统收到差分数传给GPS接收机后一-GPS接收机传回的精确定位数据、GIS信息进行 比较处理后，向B-4多功能控制器发出控制转锁信息，由B-4控制B-5 (RTG)的 转锁机构，进行吊放集装箱的操作2. 差分数接收软件(D-sf)程序流程图(1) . Windows98/2000系统启动后引导D-sf运行；(2) . D-sf进行初始化工作；(3) .判断本程序是否结束运行，如是则结束运行否则进入下一步；(4) .判断是否有差分数发来，如有进入下一步；否则返回到(3); (5) .接收差分数据；(6) .检验差分数据的正确性，如正确执行(7);否则执行(8);(7) .将差分数据通过8570无线电脑的C0M1串口传给GPS接收机；(8) .清除无效的差分数据，返回(3);
3. 移动站处理系统主程序流程图(1) .在Windows98/2000系统启动并将D-sf运行后，引导RTG-AP运行；(2) . RTG-AP进行初始化工作(3) . RTG-AP引导启动TEKTERM运行；(4) .运行RTG动态模拟和画面显示处理模块；(5) .判断有作业操作进行吗？如有执行(6):如没有执行(7);(6) .执行作业操作处理模块；(7) .判断RTG的大车走行了吗？如有执行(8):如没有执行(9);(8) .执行大车走行处理模块；(9) .判断是否退出操作？如是结束本程序运行否则返回(5);
4. RTG动态模拟和画面显示处理模块(1) .该模块启动运行；(2) .检测GPS运行状态(3) .接收DGPS定位数据，并进行定位处理；(4) .向数据处理中心A读取本RTG所在场地的集装箱堆存数据；(5) .绘制并显示RTG所在常鸟瞰图；(6) .绘制并显示GPS、 RTG的状态信息栏；(7) .绘制并显示RTG垂直面的模拟作业图(8) .绘制并显示GPS的作业指令信息栏和GPS的精确定位信息；(9) .判断是否结束运行？如是则结束本程序运行；否则返回(2):5. 作业操作处理模块(1) .本模块启动运行；(2) .实际进行作业操作输入；(3) .获取作业操作指令信息，并显示在GPS的作业指令信息栏中(4) .调用RTG动态模拟和画面显示处理模块；(5) .判断RTG转锁机构是否处于受控状态？如是执行(6);否则执行(U);(6) .判断当前RTG的吊具位置是否等于指令源位置？如是执行(8);否则执行(7);(7) .通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号禁止RTG的转锁机构 动作，并返回(6);(8) .通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号允许RTG的转锁机构 动作--闭锁；(9) .判断吊具是否在水平面上移动并大于半个箱位的距离1.22米？如移动距离小 于等于半个箱位，返回(8);否则进入下一步操作鹏.通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号禁止RTG转锁机构动 作；(11).判断现吊具位置是否等于作业指令的目标位置？如是进入下一步操作；否则 返回鹏；通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出信号允许RTG转锁机构动 作；进入下一步操作；鹏.判断是否开锁并水平移动大于半个箱位？如是则执行(15):否则返回到似； (14).判断是否完成闭锁至开锁动作？如是进入下一歩操作；否则执行鹏；05).发送本次作业完成确认信息给ERP-AP,进入下一歩；鹏.结束作业操作处理； 6.大车走行处理模块(1) .本模块启动运行；(2) .接收中心处理系统A，大车走行信息；(3) .判断有否碰撞警报发生？如有进入下一步否则执行鹏；(4) .在8570显示器上显示防碰撞报警图形；(5) .是否进入限速临界区收到限速指令？如是则执行(6);否则执行(9):(6) .通过8570无线终端COM2串口给多功能控制器发出RTG大车限速信号，有多 功能控制器控制大车限速运行；(7) . RTG的大车处于限速走行状态；(8) .判断RTG大车走行停止否？如没有停止，执行下一歩；否则执行鹏；(9) .判断防碰撞报警取消否？如取消了，执行下一歩；否则返回(4);鹏.判断RTG大车走行停止否？如没有停止，执行下一步；否则执行O位； OD.判断RTG驶出本场区了吗？如是则执行下一步；否则返回側 似.判断RTG进入新场区了吗？如否则执行下一歩；进入新场执行05); (13).判断RTG90度转向了吗？如是则执行下一步；否则执行肪；a仏执行9o度转向处理，然后返回az):肠.调用RTG动态模拟画面显示处理，然后返回卿； a .大车走行处理结束；7. RTG-AP初始化处理模块(1) .本模块启动运行；(2) .对变量、工作区进行初始化，申请占用8570无线终端的C0M1、 C0M2端口；(3) .向中心处理系统A，进行登录；(4) .接收GPS定位信息(5) . GPS初始定位；(6) .结束初始化；8. 启动TEKTERM模块(1) .启动运行TEKTERM通讯仿真程序；(2) .启动ERP-AP，即启动COSMOS码头操作管理软件，调出用户登录界面；(3) .进行用户登录操作；(4) . TEKTERM启动完毕。3、根据权利要求1所述的集装箱作业过程控制、可视化系统，其特征在于堆场装卸机 械三维实时可视化操作人机界面；移动站三维实时可视化操作人机界面可直观三维生产场景，达到视觉与空间协调一致， 满足司机可视化操作；人机界面设计分四部分1. 上部分左側窗口是应用程序窗口，显示集装箱操作指令，该指令来自中心调度；2. 上部分右側窗口是应用程序窗口，显示当前集装箱操作指令，该指令来自中心调度; 装卸机械实时作业过程:包括集装箱实时信息、装卸机械作业过程实时信息侧视图;3. 中间部分窗口显示集装箱作业偏差、GPS状态，RTG状态和其他功能下拉菜单等GPS 移动站状态参数；4. 下部分窗口显示装卸机械作业过程包括堆场地理信息GIS、装卸机械实时位置信 息、堆场集装箱信息俯视图。
全文摘要
本发明是“集装箱码头生产过程控制、可视化管理系统”中的一个子系统实现的。移动站系统是由B-1.GPS卫星接收天线；B-2.GPS接收机；B-3.8570车载机和移动站处理系统；B-4.多功能控制器(控制电路)；B-5.RTG机车及控制电路等组成。并由移动站系统控制流程计算机软件运行。本系统通过控制RTG转锁机构的动作，达到保证集装箱吊放的100％准确、定位精度≤20CM，其原理简单、实现方便、成本低，适合各类型(PLC、继电器等)RTG使用；通过控制RTG大车行走机构的动作，达到RTG堆场行走安全；通过RTG生产信息自动跟踪、自动采集、自动反馈，可优化工艺、缩短工艺衔接时间、增加机车重载率、提高作业效率、降低运营成本。
文档编号B66C13/18GK101209801SQ20061013059
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者刘振鹏 申请人:天津港集装箱码头有限公司