赵耀铭 黄 灿

1 招商局集团有限公司 2 深圳赤湾港口发展有限公司

1 引言

门座起重机(以下简称门机)适用于多种散杂货物料的装卸作业，通用性强，在散杂货码头应用广泛。目前，港口门机存在自动化程度偏低的问题，司机在码头前沿操作时，工作环境差、工作强度大、易疲劳，从而导致判断力下降或操作不规范，引发安全风险[1]。因此，应用门机安全防护技术，解决人工作业时存在的抓斗碰撞、物料洒漏等问题，减少人为因素造成的安全风险，提升门机作业的安全性，是散杂货港口面临的重要课题。

2 门机安全防护技术

针对门机存在的安全风险，应用多种安全防护技术对门机进行自动化改造，可以达到减少人为因素风险、提高作业安全性的目的。

2.1 抓斗防摇与定位

在操作过程中，抓斗从一个位置运行到另一个位置时，由于惯性、风力等因素会出现摇摆，如果不加以控制，抓斗就无法准确停止在指定位置。此外，由于司机操作的熟练程度不同，抓斗追钩操作和对斗操作效果存在较大差异，一旦司机注意力不集中或是熟练程度不足，将导致抓斗摆幅过大，难以准确定位，极易造成抓斗与料斗、船舱盖板、船舱壁的碰撞，甚至发生更为严重的安全事故。

为解决抓斗摇摆问题，需要对门机的各个执行机构安装位置检测装置，实时获取运行中各机构的位置、速度等信息。依据输入的信息，结合环境因素，对系统的状态进行计算和预测，结合目标点的位置信息，生成相应的作业指令，控制各执行机构联动运行，实现防摇和定位。

抓斗防摇的目的是消除抓斗运动时的摇摆角度。由于角度计算只有等效绳长这一个外部变量，所以测得精准的绳长是必要的前提条件，通过加速度和力矩对角度进行估算，再改变加速度去补偿这个角度。

门机有360°水平回转功能，在旋转操作中抓斗会产生离心力和切向力，这2个力将导致多向摇晃，增大防摇定位难度。通过电机变频器对变幅和回转机构进行实时速度控制，消除摆角以满足自动化运行时对防摇定位系统的精确定位。为此，可以在变频器内置防摇定位功能模块，实现各机构在联动状态下的自动防摇功能。

2.2 区域防撞

区域防撞主要基于各相邻作业门机的精准定位和准确位置信息，通过系统算法来实现。各门机将本机的大车位置、变幅幅度、回转角度传送到相邻门机，系统将计算本机与相邻门机的运动范围，从而判断是否存在作业轨迹叠加风险。如果判断是，则系统报警，并向本机PLC发送指令，禁止回转机构向可能发生碰撞的方向回转。

相邻门机之间的碰撞发生在门机的交集空间内，其碰撞方式为门机臂架与臂架间的碰撞以及臂架和机身的碰撞，因此交集区包含臂架之间和臂架与机身之间。总体的防撞策略是交集区只允许1台门机进入。如图1所示，根据2座门机当前状态，能得到可能发生碰撞的区域为2个扇形重合的位置，即阴影部分，如果其中一台门机进入该区域，则另一台停机等待。

图1 区域防撞示意图

2.3 主动检测防撞

通过编码器或其他设备获取门机的位置信息和运动趋势，系统自动计算出门机臂架的保护区域，并利用激光扫描仪获取臂架周围的障碍物位置信息，如果障碍物在臂架的保护区域内，则系统判断有碰撞的可能。

在门机的臂架两侧各安装1台激光扫描云台，对臂架两侧固定区域扫描。扫描仪的垂直视场角为180°，云台带动旋转使水平视场角可达到任意角度，扫描仪的扫描面垂直于地面，安装扫描仪的云台旋转轴垂直于地面。门机全自动运行时，云台根据门机的回转速度实时调整扫描方向和扫描区域。回转机构非运行状态下，激光扫描云台的扫描面平行于臂架方向，对正前方区域进行扫描。回转机构以最高速向右方回转时，右侧激光扫描云台转动到预先设置的最大角度，一旦检测到障碍物，激光扫描仪自动生成报警信息，并通过以太网接口将报警信号发送给本机PLC，使回转机构减速停车。当回转机构反向回转时，左侧激光激光扫描云台以同样的方式进行安全防护。

以门机回转方向为顺时针为例，扫描仪的扫描面垂直于地面，根据实际回转速度，扫描仪扫描面自动顺时针转动一定角度。在当前位置，获取扫描仪扫描范围内的点云数据。以门机臂架、象鼻梁、钢丝绳、抓斗和扫描仪扫描面组成一个保护区域，统计区域内的点云个数。考虑到扫描仪受到干扰会出现杂点，因此对点云个数设定一个临界值，若点云个数小于这个设定的临界值，则认为保护区域内是没有障碍物的，系统正常运行；若点云个数大于这个设定的临界值，则认为防护区域内出现障碍物，此时触发防撞报警，并将报警信号发送给PLC，控制门机停止运行。这个保护区域考虑了不同回转速度下的停机时间，确保门机能及时停机。

2.4 大车行走防撞

行走机构安装4套激光扫描仪，可实现对大车行走方向上人或障碍物的识别，避免发生碰撞事故。激光信号接入PLC系统，可以检测14 m距离内的障碍物，当检测到障碍物时可以实现自动减速停车。

大车运行机构防撞保护需满足如下要求。

(1)大车前进方向的跑道上有障碍物时，距14 m时可检测到障碍物，距离12 m位置开始减速停车，距离小于6 m时紧急停车。原大车运行方向禁止运行(或减速动作)，停止信号动作后PLC系统可靠自锁，不会自动复位，远控室故障显示屏有故障报警。

(2)激光扫描仪实时检测设备工作状态，设备自检正常时，设备会输出就绪信息，否则输出故障报警信号。

(3)距离扫描仪透光罩5 cm内，如果有物体存在，会引起设备遮挡报警，并触发区域检测功能输出区域检测报警信号。

(4)区域检测无报警时输出高电平，有报警时输出低电平，如果扫描仪与控制系统的连接线路出现故障断线或者接触不良时，控制系统因检测不到高电平触发报警急停动作。

2.5 防侵入保护

门机作为大型的工程机械装备，其作业范围广，辅助人员多，需要保证码头面上人员安全，因此应用视觉识别技术，通过大量现场样本进行自学习，实现对警戒区域内人员的动态和静态识别[2]。

在门机上合适位置安装1台警戒摄像机(球型机)，摄像头识别作业区域，并根据相关防侵入策略自动划定警戒区域。对警戒区域内人员进行识别(包括动态和静态识别)，只有当警戒区域内没有人员时，抓斗才可以进行卸料流程，否则等待。

通过图像特征检测的方式检测出警戒区域内的人员。当有人员进入或出现在警戒区域内时，产生报警信号。由于本方案采用的是视频图像处理技术，实际报警时，是人的二维目标进入或出现在设定的警戒区域中，既定目标部分进入或出现在警戒区域中也会触发报警。

当出现入侵报警时，暂停当前作业。有2种具体情况：①抓斗在卸料点(料斗)上方准备开斗卸料时，触发防入侵报警，此时禁止开斗卸料，等到报警解除后自动继续之前的作业流程；②在开斗卸料过程中，触发防入侵报警，则立即闭斗停止卸料，等到报警解除后自动继续之前的作业流程。

3 结语

基于该方案对深圳西部某港2台25 t-35 m门座起重机进行自动化控制系统改造。经生产实践表明，通过抓斗防摇定位、区域防撞、主动检测防撞、大车防撞和防入侵保护等技术的应用，建立了一套完善的安全防护系统，有效提升了门机作业的安全性，消除了大部分人工作业时存在的不可控安全风险，使门机的作业更加安全可靠。