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郭 聪 仇佳捷宁波市特种设备检验研究院 宁波 315048

摘 要：本文在调研了国内大量半自动远程控制集装箱门式起重机的技术特点之后，针对大小车定位技术，对其主要技术类型及特点进行了分析、归纳以及初步评价。在结合实际检验工作，提出了大小车定位技术的检验要求及检验方法，以供参考。

关键词：集装箱门式起重机；定位技术；检验

中图分类号：U653.921 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）13-0034-06

0 引言从1993 年全球第一个自动化运转的集装箱码头荷兰鹿特丹港ECT 码头Delta Sealand 建成投产开始，全世界都开始了对自动化码头研究与建设[1]。国内码头自动化概念的引入可以追溯到2006 年，在上海港某集装箱码头建成了国内首个集装箱自动化堆场。在此之后，新建的自动化码头有2017 年投入使用的青岛港自动化码头，还有同年年底投入试生产的上海洋山港四期码头。另外，厦门远海码头的14 号~17 号泊位也在2012 年开始进行自动化改造。其中，轮胎式集装箱门式起重机（以下简称轮胎吊）和轨道式集装箱门式起重机（以下简称轨道吊）作为堆场中最重要的起重运输设备，半自动化、远程化控制的概念引入是各个码头企业以及相关起重机企业的重点研究内容，大小车定位技术则是半自动化远程控制技术中非常重要的一项内容。

1 定位技术研究在半自动远程控制的集装箱门式起重机中，大小车定位技术是非常重要的一个内容，在正常情况下，集装箱门式起重机大小车的运行是依靠定位技术自动完成的，控制人员只需要对设备运行状况进行视频监视即可。与起升运行最后阶段需要人为介入不同，大小车定位的自动化对技术的可靠性和精度要求更高。

1.1 大车定位技术现在使用的大车定位技术主要是复合定位技术，一般通过两套系统来实现，通常情况下一套系统负责寻迹定位，一套系统负责贝位定位。寻迹定位系统的功能是识别大车运行的方向以及对位置进行粗定位；贝位定位的功能是对大车需要到达的目标贝位进行准确识别。由于不同的定位技术其实现细节也有很多不同。已经投入使用的大车定位技术有以下几种：1） 大车编码器与信号标记复合定位技术这种是比较常见的大车定位技术，青岛港、洋山四期码头的半自动远程控制轨道吊，以及宁波远东码头的两台传统轨道吊半自动远程改造项目的大车定位技术均采用的这种方式。这种复合定位技术采用大车编码器作为连续的寻迹定位，大车编码器分为增量式和绝对值式，作为寻迹定位使用，编码器需要向系统反馈的信息是大车行走的方向和在该方向上行走距离的粗测值。由于行走距离的测量是一个粗定位，因此从理论上说，使用增量式和绝对值式的编码器都是可行的。考虑到粗定位的精确性，一般还是采用相对准确的绝对值式编码器。实际上由于大车车轮在轨道上的滑动、编码器的误差累加等因素，编码器提供的位置信息仍不准确。

如图1 所示，信号标记是作为贝位定位的手段，一般设置在贝位中心线上。实现方式有很多种，可以采用霍尔磁体、带RFID 的磁钉以及其他RFID 设备。其作用是通过信号标记与信号标记读取装置的交互准确指示贝位的位置，同时对编码器进行校正。洋山四期码头采用的是RFM100 定位装置[2]，其原理是RFM100 的信号读取天线接近带有RFID 功能的磁钉时，为磁钉充电，磁钉发射一定的信息给信号天线。RFM100 的信号读取天线横向探测范围为±780 mm，故磁钉不仅给出当前的贝位信息，还能给出磁钉相对于天线的准确位置。宁波远东码头的贝位定位方案中贝位定位手段也采用带有RFID 功能的磁钉，与洋山四期码头不同的是其信号读取器横向探测范围十分有限，只有在磁钉正上方时才能读取磁钉信息，磁钉给出的只有磁钉所在位置，无法给出磁钉与设备的相对位置。这种方案需要依靠大车绝对值编码器识别大车位置，当大车接近磁钉时控制设备减速才能使设备较为准确的停在目标贝位。如果编码器出现故障，测量存在错过磁钉，或大车定位较大误差等问题。大连国际集装箱码头的集装箱门式起重机改造采用类似宁波远东码头的方案，为了避免出现相关的问题，大连国际集装箱码头的方案中在磁钉与磁钉之间加入FLAG 信号[3]，这种信号通过挡板与光敏感应设备来实现，其主要目的是增加编码器校正频率，以避免编码器的相应误差。实际试验结果显示可有效提高大车定位精度。大车编码器与信号标记复合定位技术有两个局限，一是大车编码器十分依赖大车车轮接触面的滑动，同时无法反应大车两侧的偏移量；二是信号标记的位置往往是固定的。故这种复合定位技术只能使用在轨道吊中，无法应用于轮胎吊。

图1 信号标记技术

2）路径编码与贝位标记复合定位技术如图2 所示，该技术应用在宁波北仑第二集装箱码头的轮胎吊改造项目中。路径编码是通过某种方式对运行路径全程进行伪连续性的编码，通过设置在设备上的编码识别器来读取编码，从而得到运行方向、速度以及距离等运行信息。这种编码往往是离散的，但是编码密度高，故可达到类似于连续编码的作用。宁波北仑第二集装箱码头的方案是将运行路径以二维码的形式附着在滑线架上，以摄像头作为编码识别器。由于设备运行速度较快，编码识别器的识别窗口一般较大，这样可以在识别过程中做到超前识别，即在一个识别窗口中会出现多个离散编码，可以同时识别设备所在位置以及所在位置前后一定距离内的所有编码，提高了编码识别的效率和容错率，但牺牲了定位的准确性，故需要贝位标记作为设备在贝位区精确定位的手段。贝位标记形式多样，其要求是标记识别器识别窗口窄，定位准确。宁波北仑第二集装箱码头的方案采用高亮反光板，当设备运行到贝位标记时，标记识别器发射一束光照在反光板上，这个高亮光点就会被标记识别器捕捉到，通过这种方式完成贝位的准确定位。

3）卫星定位与图像识别复合定位技术卫星定位技术中最有代表性的是GPS 技术，该技术通过GPS 接收器与导航卫星的交互来计算得到接收器的所在位置。这种定位方式具有全天候、全时段、全方位等优点。对设备以及其他设施依赖性小，可以应用在各类集装箱门式起重机上。但高精度的GPS 定位设图2 路径编码及贝位标记采集器备价格高，民用GPS 定位技术的精度约为10 m。故以GPS 为代表的卫星定位技术可很好地完成设备的运行定位，但不适合用于贝位区的准确定位。图像识别技术是通过装在设备上的摄像头拍摄地面贝位号标记，通过分析图像计算得到设备相对目标贝位的精确位置。从理论上，图像识别技术可以完成运行定位和贝位定位，实际在没有特殊标记的位置，图像识别的精度低，占用系统资源大，使用效果并不理想，所以运行定位采用卫星定位更加快速可靠。这种复合定位方案使用在早期宁波大榭招商国际码头的轮胎吊改造中。

4）卫星定位与贝位编码复合定位技术如图3 所示，此技术是图像识别技术的改型。图像识别技术识别的信号是自然图像信号，即设置在地面的贝位号标记，它的特点是对自然图像信号的标准性几乎没有要求，但这也使图像识别的难度增加，对系统资源的要求增大。另外图像识别技术在处理较为严重污损图像，以及在光照、能见度较差的环境下工作时可靠性严重下降。贝位编码实际上是对原本的自然图像进行标准化编码，如条码标记、黑白方格标记、二维码标记等等，这种标准化编码识别效率高、系统资源占用少，再加上编码自身的规则容错率，一般的污损以及遮挡都不影响识别。如果将编码放置在合理位置也可以有效避免光照以及天气对技术识别的影响。因此这种技术是对图像识别技术简化，同时也比图像识别技术更可靠。

图3 卫星定位与贝位编码复合定位技术

1.2 小车定位技术集装箱门式起重机小车运行机构与普通桥门式起重机不同，其采用的是强制驱动方式，即采用齿轮齿条或链与链轮的方式进行驱动，小车在运行过程中不会出现滑动，同时，小车始终沿固定轨道运行，故小车运行的定位方式要比大车定位简单，类似的方案应用在小车运行定位上其可靠性和准确性更高。常见的小车定位方式有以下几种：

1）双激光测距定位 将激光测距装置安装在小车架上，以陆海侧止挡作为测距目标，通过计算相对于止挡的距离判断小车运行的位置。双激光测距的两个测距装置互为校核，是一种带冗余的小车定位方式。

2）格雷母线定位 也称编码电缆技术，因其编码方式采用的是格雷码而得名。其通过电耦合的方式将格雷母线芯上的信息编码传输到感应环线上，再通过信息检测单元对信息编码进行解码识别。格雷母线多应用于钢厂的焦炉机车定位中[4]，后引入到港口集装箱起重机的定位中，其定位精度可达到5 mm。宁波远东集装箱码头的轨道吊小车定位采用这种方式，如图4 所示。

图4 格雷母线定位技术

3）激光测距与编码器复合定位 是对整机改动最小的定位方式。一般在集装箱门式起重机出厂配置中带有小车运行编码器。由于集装箱门式起重机是强制驱动，排除编码器连接轴故障，小车编码器对小车位置的测定是比较准确的。添加一套激光测距装置对编码器进行校正，就能具有较好的准确性和可靠性，这也是一种带冗余的定位方式。

1.3 定位技术评价港口集装箱门式起重机分为两种，即轮胎吊和轨道吊，这两种形式的区别在于大车运行机构不同。故小车定位技术是可以通用的，而大车定位技术则需要针对设备的不同而采用不同的方案。

轨道吊运行轨迹是固定的，故大多数定位方式都可以适用该设备，从理论上说，覆盖全程的标记定位技术比如磁尺定位、格雷母线定位是相对准确也易于实现的，但其缺点是成本随着设备运行范围的增大明显增加，对于原有设备环境的改造工作量也明显增加。某集装箱码头有限公司的改造方案中最早考虑的大车定位技术就是采用格雷母线，但在后来的方案中取消了这样的设计。

因此，引入间断式的定位技术如RFID 定位、磁钉定位等，可以有效降低成本投入。另外，对于贝位区准确定位的要求，使得各种方案都不可避免的在贝位区设置准确的定位标记。这种间断式定位在非贝位区的运行中需要引入一种成本低、误差率在一定范围内的粗定位技术，这也就是现在各个企业以及码头采用的复合定位技术。轮胎吊的定位技术框架与轨道吊相似，但由于轮胎吊的运行路线不固定，故依赖固定位置的定位标记如磁钉定位、RFID 定位均不适用。因此，轮胎吊的标记识别多采用摄像头来实现，如宁波大榭招商码头采用摄像头识别贝位编码的方案，该集装箱码头采用摄像头识别高亮光点的方式。摄像头可以在较大范围完成位置识别功能，但同时也会一定程度降低定位的准确性，故要在轮胎吊的大车定位技术中做到适应性和准确性兼顾较为困难，如图5 所示。

部分技术方案会将这种大车复合定位技术表述为一种带冗余的技术，而实际上这种复合定位技术必须协同作用才能够完成大车定位的功能，单一的一种技术都无法完成这一功能，这也是相关企业在按照技术规格书验收项目时需要注意的。

小车定位技术相对使用环境较为简单，可以使用相对成熟的定位技术，因此在实际项目中小车定位技术往往相对可靠，精度也较高。

图5 摄像头视野造成误差示意图

2 定位技术的检验在集装箱门式起重机的半自动控制作业中，定位技术是基础的运行控制技术，其可靠性和精度一方面决定了设备的工作效率，另一方面也影响了设备的安全运行。大小车的运行从人工控制转变为半自动控制，原本运行的安全保障由人员操作转变为设备控制，因此在设备检验时，必须将定位技术检验包含在相关的检验项目中，故需要制定相应的检验标准及检验方法。

2.1 定位技术的检验要求在起重机械相关检验的参考标准中，并没有对自动控制的起重机运行机构定位技术的指标进行规定，故在制定相关检验标准时应当按照设备情况、作业情况以及制造（改造）单位与用户订立的技术规格书三者进行综合考虑。

技术规格书是制造（改造）单位与使用单位订立的统一技术标准性文件，其是双方考虑了技术的可实现程度以及使用实际提出来的，因此，一般技术规格书中规定的定位技术相关的指标在不影响总体安全的情况下是可以作为检验要求来实行的。

当技术规格书中没有明确规定定位相关技术指标时，需要考虑作业情况及设备情况。一般集装箱锁孔尺寸约为125 mm×63 mm，故在作业时，锁头位置定位误差不应超过锁孔尺寸的一半，否则，难以完成抓箱对锁孔操作。对于带有可调节位置的集装箱吊具的设备来说，其定位精度可以适当放宽，但不能超过位置调节范围的一半，同时应考虑周围的安全距离。

在制定检验要求时，还应考虑定位技术故障识别与恢复功能，一般考虑定位技术中出现故障应当可以识别并向操作人员给出提示，保证本机处于安全状态，即停在原地并发出警报，或类似功能。当定位技术具有故障恢复功能时还应检验恢复功能的可靠性。

综上所述，定位技术应满足表1 所示要求。

2.2 定位技术的检验方法定位技术的检验分为定位精度检验和故障识别检验。定位精度检验是检验定位技术是否能符合表1 中大车定位精度要求的1）、2）、3）和小车定位精度要求的1）、2）；故障识别检验是检验定位技术是否符合表1 中大车定位精度要求的4）和小车定位精度要求的3）。2.2.1 大车定位精度检验方法1）当验收作业技术指导文件有明确规定检测方法，且检测方法科学合理时，应依照相关文件进行试验。2）当验收作业技术指导文件没有相关约定时，可采用在起重机靠近地面稳定结构位置悬挂一重锤。控制起重机移动到目标贝位A，在重锤对应的地面位置做一十字记号。操作起重机远离A 位置后再使其回到A 位置，自动停止后在重锤对应地面再做一十字记号，反复三次，取四个十字记号中距离最大的两个记号之间的距离记为大车定位精度。

大车定位技术故障识别的检验方法应根据定位技术的实现方式不同采用如表2 所示的模拟故障的方式。由于故障识别的检测是一个验证性的检测，其故障的情况往往是难以避免的，故在检验过程中应尽可能多地将可能出现的故障模拟在设备上以保证在不同故障情况下设备的定位技术均能够在保证安全的前提下处理相应的故障情况。2.2.2 小车定位精度检验方法

1）当验收作业技术指导文件有明确规定检测方法，且检测方法科学合理时，应依照相关文件进行试验。

2）当验收作业技术指导文件没有相关约定时，可采用将激光测距仪可靠固定在起重机一侧小车止档位置，使用激光测距仪测量该位置到小车架相应位置的距离，如图6 所示。控制小车移动到某一位置A，记录激光测距仪上的距离数值。操作小车远离A 位置后再使其回到A位置，自动停止后再次记录激光测距仪上的数值，反复三次，取四个数值中差值最大的两个数字之差记为小车定位精度。

图6 小车定位精度检验方法示意图

小车定位技术故障识别方法也是通过模拟故障的方式来进行验证性试验，如表3 所示。

小车故障模拟检验和大车定位技术故障模拟检验一样，应根据定位技术特点尽可能地模拟故障情况进行验证性试验。

3 总结大小车定位技术是集装箱门式起重机半自动远程控制技术中非常重要的一种，它决定了设备在自动运行模式下能够准确地完成运行指令。定位技术的合理设计和可靠运行不仅决定起重机能否正常运行，同时还会影响其安全运行，避免出现如自动落箱时碰砸相邻位置集装箱或车辆的情况。因此，大小车定位技术的检验是集装箱门式起重机半自动远程控制技术专项检验中十分重要的一项内容。本文对现有的定位技术进行了总结，并提出相应的检验要求及检验方法，可作为相关检验工作及安全评估工作的参考。由于定位技术的多样性，在实际检验过程中需要根据技术规格书中规定的技术特点进行分析制定对应的检验方案，才能科学合理的开展检验工作。

参考文献[1] 薄海虎, 张氢, 孙远韬. 集装箱码头RTG 远程半自动化操作堆场实现方法研究[J]. 起重运输机械,2015(4):12-15.[2] 黄矩源, 王黎明, 吴尚. 自动化集装箱码头桥式起重机大车定位系统[J]. 水运工程,2016(9):111-115.[3] 孙晓东, 王琦. 轨道式龙门起重机大车定位系统技术改造[J]. 集装箱化,2011(5):26，27.[4] 王正国, 肖汉斌, 周强, 等. 格雷母线定位技术在内河集装箱码头堆场中的应用[J]. 交通科技,2008(4):107-109.[5] 仇佳捷, 柯韬, 虞伟杰. 起重机械智能化过程中关于“安全回路”的探讨[A]. 沈功田, 等. 2016 年全国特种设备安全与节能学术会议论文集（下）[C]. 北京: 中国质检出版社,2017.298-302.

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