一种集装箱堆场装卸作业防碰箱系统的制作方法

本发明涉及一种集装箱堆场装卸作业防碰箱系统，主要用于起重机设备在集装箱堆场内执行集装箱吊运作业的过程中对碰箱险情进行检测和防护，确保作业安全。

背景技术

(一)二维激光扫描仪

二维激光光电扫描仪通过内部的旋转机构在一个扫描平面上对周边环境进行激光扫描测距，测距方式是“飞行时间测量”：

1、在当前的测量方向上发射圆形光斑的激光脉冲；

2、对从被测目标表面反射回来的激光脉冲进行接收；

3、对激光脉冲从发射到被接收的时间进行测量，通过“时间-距离转换”得到当前测量方向角上被测目标的距离；

4、通过旋转机构在一个平面(激光扫描平面)上连续改变测量方向角，实现对周边环境在此平面上的截面轮廓的测量，以极坐标表示方式给出测量数据，并可以进一步转换为扫描仪设备坐标系下的二维直角坐标表示。

基于上述技术的二维激光扫描仪(以下简称激光扫描仪)能够在全天候条件下有效工作，获取精确的距离和二维形状数据，是实现大型机械设备自动化安全作业的重要传感器。

(二)作业设备及集装箱堆场布局

本发明的基本应用场合为目前最为普遍的、采用贯通式车道门式起重机的20呎/40呎集装箱装卸作业码头，各作业要素说明如下：

1、集装箱：为长方体形状的金属箱体，在上下底面四角立柱上开有“锁孔”，用于吊装和在平板上固定。集装箱具有不同的“箱型”，本发明涉及的箱型包括20呎箱、40呎箱(普通箱和高箱)和45呎箱，各箱型的长宽高为国际标准，其中箱宽完全相同，长度和高度各不相同；

2、门式起重机：为框架结构的起重机，由司机操作，结构要素包括：

1)大车：由两套“门腿”和一对架设在门腿上的横梁组成，门腿上安装有轮对，作业时沿垂直于横梁的方向在地面行走，称为“大车”：

2)小车：在横梁上铺设有钢轨，架设了一个轮轨行走机构，可以沿横梁方向行走，称为“小车”；

3)吊具：在小车上通过钢丝绳吊装了一个“吊具”，可以通过收放钢丝绳实现升降，吊具主梁具有两对可伸缩的水平“吊臂”，吊臂底面两端带有可旋转的“锁销”，锁销插入集装箱锁孔并旋转后可实现与集装箱的紧固连接，吊具按需要装卸的集装箱的箱型伸缩吊臂，使锁销与集装箱的上表面锁孔对准，实现对集装箱的吊运；

4)司机室：小车下方悬挂了一个“司机室”，起重机司机在司机室内面向吊具方向操作起重机的大车和小车行走，以及吊具的升降、吊臂伸缩和锁销旋转，实现集装箱的吊运作业；

3、堆场：集装箱码放区，按矩形网格整齐排列，网格的行方向为左右方向，列方向为前后方向；每格内堆放一组长宽相同、上下严格对齐的集装箱箱垛；每行网格内的集装箱沿左右方向对齐，每列网格内的集装箱箱长相同，并沿前后方向对齐；

4、贝位：陆地地面的集装箱码放区内的一列集装箱箱垛称为一个贝位，执行集装箱吊运作业时，大车首先与作业箱所在的贝位对齐，然后小车在一个贝位内前后移动，使吊具到达作业箱的目标位置。

(三)作业流程

上述作业模式的基本作业内容为堆场与拖车之间的集装箱交换，包括装箱作业和卸箱作业，典型流程为：

1、装箱：起重机司机根据作业指令伸缩吊臂，与目标箱箱长匹配；操作大车沿左右方向行驶至指定贝位，使吊具与贝位左右对齐；操作小车将吊具运送至目标箱组上方，使吊具与目标箱前后对齐；下降吊具抓取目标箱，并锁闭吊具锁销；操作小车使吊具吊运目标箱至车道内的集装箱拖车上方并下放目标箱至拖车平板上；

2、卸箱：起重机司机操作小车回到车道上方；根据作业指令伸缩吊臂，与目标箱箱长匹配；操作大车行驶至指定贝位，此时拖车应已到达起重机下方，其平板与指定贝位大致对齐；下降吊具抓取目标箱；起升吊具；操作小车将吊具运送至目标箱组上方，使吊具与目标箱位前后对齐；下降吊具，将目标箱放置在目标相位；操作吊具解锁，并起升吊具。

(四)作业险情及险情规避方式

根据上述装卸作业流程，堆场内集装箱装卸作业的主要作业险情及对应的险情规避方式包括：

1、水平碰箱：小车司机在堆场贝位内吊运目标箱时，吊具起升高度不足，导致目标箱与前进方向上较高的箱垛碰箱；对应的险情规避方式为小车制动；

2、垂直碰箱：小车司机在堆场贝位内目标箱位上方下放目标箱时，吊具位置与目标箱位前后没有对齐，导致目标箱底部与目标箱位相邻的较高箱垛顶部发生碰箱；对应的险情规避方式为吊具制动。

(六)应用现状

针对上述险情，目前已有一些防碰箱系统，在小车上安装一台激光扫描仪，对作业贝位内的箱列轮廓进行扫描，结合小车和吊具的运行工况，对潜在的碰箱险情进行预判，并向起重机的控制系统发出险情规避指令。

由于激光扫描仪在小车上的安装位置受到诸多结构条件的限制，且安装高度必须高于吊具的最高起升高度，因此吊具及作业箱会对扫描仪的扫描范围构成遮挡，同时由于贝位内箱垛高度各不相同，对于安装在小车任何位置上的激光扫描仪，都存在较高的箱垛遮挡较低的目标箱垛的可能，因此难以获取完整的箱列轮廓信息。

此类系统实际使用时，需要对小车司机的作业方式进行某些限制，例如在目标箱吊运过程中，为防止水平碰箱，要求小车司机首先将目标箱吊起到最高高度，再移动小车至车道上方或目标箱位上方，然后再下放目标箱，导致作业效率较低，能耗较大；同时，由于存在相邻箱垛相互遮挡的情况，单台激光扫描仪始终存在难以获取目标箱位某一侧邻近箱垛高度的问题，无法避免垂直碰箱的发生，因此要求小车司机将目标箱下放到某个特定高度时转入限速下放模式，避免可能发生的垂直碰箱造成严重事故，不但降低了作业效率，也导致防护系统有效性不足。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种集装箱堆场装卸作业防碰箱系统，为人工操作的门式起重机在陆地堆场当前贝位内执行的集装箱吊运作业提供全面的安防防护，同时不影响作业效率，不增加作业能耗。

本发明所采用的技术方案是：一种集装箱堆场装卸作业防碰箱系统，包括安装在起重机小车上的系统控制器、以垂直扫描方式安装在起重机小车前后位置上的前置激光扫描仪和后置激光扫描仪；所述系统控制器通过以太网与所述激光扫描仪通讯，并通过工业控制总线与起重机控制系统通讯；所述前置激光扫描仪和后置激光扫描仪分别位于吊具前后方向的两侧，用于获取当前贝位内的实时箱列轮廓，并传送给系统控制器；所述系统控制器利用起重机和堆场的基本工况参数、从起重机控制系统获取的实时工况参数和从激光扫描仪获取的当前贝位内的实时箱列轮廓，完成复合工况参数的计算和作业险情的判定，并向起重机控制系统发出险情规避操作指令。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本系统通过部署在吊具前后两侧的前置扫描仪和后置扫描仪对当前贝位内的箱列轮廓进行扫描，保证了在作业箱吊运过程中，总有一台激光扫描仪先于作业箱到达吊运路径上的任意位置，并提前获取此位置周边的实时箱列轮廓；在小车行进的过程中，系统控制器根据小车位置对实时箱列轮廓进行累积合成，生成吊具及作业箱吊运路径下方的时间累积箱列轮廓；系统控制器基于时间累积箱列轮廓进行水平碰箱和垂直碰箱险情检测，能够解决吊具及作业箱对小车前进方向上的箱垛轮廓的遮挡问题，以及当前贝位内较高的邻近箱垛对目标箱位轮廓的遮挡问题，确保了作业险情检测的有效性和完整性，对小车司机的正常吊运作业不需要进行限制，能够在不影响作业效率的情况下保证作业安全。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本监测系统的安装示意图；

图2为本监测系统的处理流程图；

图3为由前置扫描仪和后置扫描仪获取的实时箱列轮廓合成时间累积箱列轮廓的示意图；

图4为水平碰箱作业险情判定的示意图；

图5为垂直碰箱作业险情判定的示意图。

具体实施方式

一、工况信息及空间数据定义

为实现对作业箱吊运过程中水平和垂直碰箱险情的有效发现，系统需要获取一系列的工况信息和空间数据，并根据这些数据进行综合分析判断，基于判定结果对起重机实施操作控制。

为清晰表述这些工况信息和空间数据，特做出如下定义。

1、方位定义

本发明中的方位按起重机司机的驾驶姿态定义，因此，大车的行走方向为“左/右”方向，小车的行走方向为“前/后”方向，吊具位于司机的前方，运动方向为“上/下”方向。

2、大车坐标系及相关定义

本发明中所涉及的尺度、位置、方向、速度、加速度的表述使用如下的大车坐标系：x轴指向右方，y轴指向前方，z轴指向上方；yz平面通过吊具左右中线，且垂直于地面；坐标原点为小车位于后门腿限位位置时吊具中心在堆场地面的垂直投影点；

所使用的空间数据的定义为：

1)尺度：本文中所述的“长度”在x方向上定义，“宽度”在y方向上定义，“高度”在z方向上定义；

2)位置：pos(posx,posy,posz)表示坐标为(posx,posy,posz)的点；

3)二维投影坐标：posxy(x,y)表示pos在xy平面的投影点坐标；posyz(y,z)表示pos在yz平面的投影点坐标；poszx(z,x)表示pos在zx平面的投影点坐标；

4)方向：0表示“静止”，-1表示“左行/后退/下降”，1表示“右行/前进/上升”。

所使用的几何符号的定义为：

1)seg(pos1,pos2)：端点为pos1和pos2的线段；

2)从pos1到pos2的矢量；

3)rectyz(posyz,w,h)：yz平面上的对边分别平行于y轴和z轴的矩形，中心点为posyz，宽度为w，高度为h，；

4)ω(rectyz,ld)：激光扫描仪ld的当前扫描数据点的子集，其中的扫描数据点在yz平面上的垂直投影落入rectyz内。

3、基本工况参数

本发明中涉及的基本工况参数的定义、符号表示和获取方式综述如下：

1)集装箱

各箱型的长宽高cl/cw/ch为国际标准，其中cw完全相同，箱型的高度符号为：

(1)普通箱：高度为ch；

(2)高箱：高度为chh。

2)小车

(1)小车在前后门腿间的最大行走距离：tmrw；

(2)制动加速度：tkax，完全制动时的加速度。

3)吊具

(1)整体宽度：dw，由设计图纸获取；

(2)吊具主梁下底面与被吊运的作业箱顶面的间距：dmcofsh，由设计图纸获取；

(3)制动加速度：dkaz，由起重机技术规格获取。

4、实时工况参数

本发明中涉及的实时工况参数的定义、符号表示和获取方式综述如下：

1)时间

t：大车在本贝位内的停留时间；

t(i)：前置扫描仪和后置扫描仪在本贝位内第i次扫描的时间，t(i)∈[0,t]；

2)小车

(1)行走方向：tmdiry，从起重机控制系统获取；

(2)行走速度：tvy，从起重机控制系统获取。

3)吊具

(1)主梁下底面高度：dmhz；

(2)吊具中心点的当前位置与后门腿限位位置的前后方向距离dceny；

(3)升降方向：dvdirz，从起重机控制系统获取；

(4)实时升降速度：dvz，从起重机控制系统获取；

(5)被吊运箱高度：dchh，从起重机控制系统获取。

二、系统结构

1、设备组成及功能

如图1所示，系统的设备组成、安装方式及基本功能包括：

1)激光扫描仪：2台，分为前置扫描仪和后置扫描仪，以垂直扫描方式安装在起重机小车前后位置上，位于吊具前后方向的两侧，获取本贝位内小车当前位置上的实时箱列轮廓，为本贝位的时间累积箱列轮廓的计算提供实时扫描数据。

2)系统控制器：1台，安装在起重机小车的适当部位，通过以太网与激光扫描仪通讯，并通过工业控制总线与起重机控制系统通讯。系统控制器利用起重机的基本工况参数、从起重机控制系统获取的实时工况参数和从激光扫描仪获取的实时扫描数据合成本贝位的时间累积箱列轮廓，完成作业险情的判定，并向起重机控制系统发出险情规避操作指令。

2、激光扫描仪安装方式及实时扫描数据坐标变换

系统的2台激光扫描仪的安装位置说明如下：

1)前置扫描仪(fld)：理想安装位置为小车前表面左右方向中央位置上，激光扫描面与地面垂直，且平行于小车行走方向，因此其扫描原点坐标为：fldpos(fldposx,fldposy,fldposz)，其中：

(1)fldposx为前置扫描仪测量原点距离吊具中心点的左右方向距离，可调节；

(2)fldposy为前置扫描仪测量原点距离吊具中心点的前后方向距离，可调节；

(3)fldposz为前置扫描仪测量原点距离堆场地面的高度，可调节。

前置扫描仪的扫描数据点从设备坐标(x,y)向大车坐标(x,y,z)的变换方式为：

2)后置扫描仪(rld)：理想安装位置为小车后表面左右方向适当位置上，需要避开司机室对扫描面的遮挡，激光扫描面与地面垂直，且平行于小车行走方向，因此其扫描原点坐标为：rldpos(rldposx,rldposy,rldposz)，其中：

(1)rldposx为后置扫描仪测量原点距离吊具中心点的左右方向距离，可调节；

(2)rldposy为后置扫描仪测量原点距离吊具中心点的前后方向距离，可调节；

(3)rldposz为后置扫描仪测量原点距离堆场地面的高度，可调节。

后置扫描仪的扫描数据点从设备坐标(x,y)向大车坐标(x,y,z)的变换方式为：

上述各激光扫描仪的安装位置都是理想位置，可调节的位置参数需根据实际的安装条件确定，激光扫描仪实际的测量数据点经坐标平移即可转换到理想安装方式下的激光扫描仪设备坐标系中，不影响下文的叙述。

各激光扫描仪获取的实时测量数据点需要根据激光扫描仪的安装方式和安装位置从激光扫描仪设备坐标系转换到大车坐标系中，下文中的激光扫描仪实时测量数据点的坐标都是指在大车坐标系中的坐标。

3、主控程序处理流程

如图2所示，系统的主控程序运行在系统控制器上，顺序完成如下处理流程：

1)从各激光扫描仪获取实时扫描数据；

2)从起重机控制器获取实时工况参数，计算和生成复合工况参数；

3)由前置扫描仪的扫描数据和后置扫描仪的扫描数据合成在小车当前位置上的实时箱列轮廓；

4)用实时箱列轮廓对时间累积箱列轮廓进行更新，得到在小车当前位置上的时间累积箱列轮廓；

5)对当前作业状态下的可能险情进行检测；

6)如发现某种作业险情，对起重机控制系统发出对应的险情规避操作指令。

4、复合工况参数计算

1)小车制动距离

小车制动距离复合工况参数与时间累积箱列轮廓相配合，用于检测“水平碰箱”险情，计算方法如下：

2)吊具复合工况参数

吊具的复合工况参数包括下降制动距离和作业箱下底面高度，与时间累积箱列轮廓相配合，用于检测“水平碰箱”和“垂直碰箱”险情，计算方法如下：

5、时间累积箱列轮廓合成

通过对前置扫描仪和后置扫描仪在本贝位内获取的实时箱列轮廓扫描数据进行时间积分，获取当前时间本贝位内已知的箱列轮廓信息，计算方法如下：

图3示出了时间累积箱列轮廓的合成过程。

6、险情判定逻辑及险情规避操作指令

各种作业险情的判定方法和需要采取的险情规避操作指令如下：

1)水平碰箱

水平碰箱险情判定方法为：在小车当前行进方向上的最短制动距离范围内，如果存在时间累积箱列轮廓的轮廓点，则存在水平碰箱险情。水平碰箱险情检测逻辑及险情规避操作指令如下：

图4示出了水平碰箱险情的判定方法。

2)垂直碰箱

垂直碰箱险情判定方法为：在吊具下降的最短制动距离范围内，如果存在时间累积箱列轮廓的轮廓点，则存在垂直碰箱险情，垂直碰箱险情检测逻辑及险情规避操作指令如下：

图5示出了垂直碰箱险情的判定方法。