引 言

近年來，隨著 5G 和物聯網等技術與港口融合的不斷深入，建設具有穩定高效、安全可靠、節能環保、減員增效等優勢的自動化集裝箱碼頭正成為國內各大樞紐港的重要布局和發展方向[1]。目前我國已建成并投入運營的多個自動化集裝箱碼頭的作業效率已達到甚至超過了傳統集裝箱碼頭，標志著我國集裝箱碼頭的建設和運營進入了一個全新的高質量發展階段，促進港口走向智能化。

目前已投運的自動化集裝箱碼頭，堆場主要采用軌道式集裝箱龍門起重機（以下簡稱“軌道吊”），其具有機構運行平穩、定位精度高、行走速度快、總體作業效率高等優點，但需配置軌道基礎，另外由于軌道吊不能換場作業使得總體配置設備數量多，導致工程造價高。

而輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱輪胎吊）由于轉場作業靈活、造價經濟實惠，成為傳統集裝箱碼頭堆場占比 90 %以上的“主力”機型[2]。但由于其輪胎式的大車驅動方式及人機交互作業的操作特點，使得輪胎吊實現自動化的難度遠大于軌道吊。近年來隨著自動化技術，尤其是定位系統技術的不斷**和突破，使得自動化輪胎吊在定位精度、作業效率、安全可靠性等方面不斷提升，逐步應用在國內外大型自動化集裝箱碼頭并取得一定成效。

1 自動化輪胎吊控制系統構成

自動化輪胎吊控制系統接收“堆場管理系統”的自動運行指令并反饋指令執行情況，實時采集、檢測設備各機構的運行狀態，并根據自動運行指令及檢測系統反饋的數據，生成自動運行流程，控制各機構自動運行。系統包括運動控制、疊箱控制、安全保護和異常處理等模塊（圖 1），其中定位系統、大車運行、安全保護、通訊技術和人機交互流程管理等是其有別于自動化軌道吊的主要技術，而定位系統為關鍵環節。

2 定位系統關鍵技術

在堆場內，每個堆垛集裝箱之間的間距為400~500 mm。在輪胎吊自動化作業過程中，為保證相鄰兩列集裝箱不會因疊箱的偏移造成碰撞，疊箱精度必須達到“首層箱開底精度偏差不大于 35 mm；箱與箱之間疊箱精度偏差不大于 35 mm；整列疊箱精度偏差不大于 80 mm”的技術指標。定位系統是輪胎吊實現自動疊箱的關鍵技術，其通過起升、小車、大車定位子系統實現 X、Y、Z 三個方向的初步定位，再通過集裝箱定位子系統實現**定位。

2.1 起升定位子系統

與自動化軌道吊類似，輪胎吊起升的位置反饋采用絕對位置編碼器進行位置計算的方式，定位精度要求偏差不大于 20 mm。安裝在起升卷筒末端的絕對位置編碼器在起升機構運行過程中記錄卷筒轉動的角度，換算成吊具位置，并在卷筒末端安裝凸輪限位，使用其中一個固定位置對絕對位置編碼器進行同步校驗。

為增加系統的可靠性，還需結合增量型編碼器，通過記錄電機的轉動角度，計算運行距離的方式換算吊具位置，該結果與采用絕對位置編碼器方式計算的結果進行對比校驗，若其偏差超過一定范圍，則需停機檢查起升定位系統。

起升系統**定位控制是在**的位置反饋基礎上，采用逐步逼近目標位置（smart slowdown）的控制方式實現的。

2.2 小車定位子系統

輪胎吊的小車定位精度要求為偏差不大于20 mm，小車位置反饋采用線性編碼器進行位置計算的方式。編碼器的位置讀取裝置安裝在小車架上，磁尺（圖 2）安裝在小車軌道梁上，在小車運行過程中記錄小車位置，并在小車行程的某一固定位置（建議在減速區）安裝限位，對編碼器讀數進行校驗，確保計算精度。

為增加系統的可靠性，還需在小車車輪側安裝絕對位置編碼器，采用計算運行距離的方式換算小車位置，該結果與采用線性編碼器方式的計算結果進行對比校驗，若其偏差超過一定范圍，則需停機檢查小車定位系統。

小車系統**定位是在**的位置反饋基礎上，采用逐步逼近目標位置（smart slowdown）的控制方式實現的。

2.3 大車定位子系統

大車定位及實現自動糾偏是輪胎吊定位的難點之一，大車定位精度要求為偏差不大于 20 mm。實現大車位置反饋方式有多種，較為成熟的解決方案有：

1）視覺圖像自動定位裝置，由安裝于同側前后兩條門腿上的智能視覺傳感器（智能相機）與安裝在同一側支架上（如滑觸線支架）的反光條碼（圖3）組成，通過視覺圖像識別技術檢測相機與反光條碼的距離計算大車偏移信息并識別出反光條碼的數據計算大車位置，為大車定位及糾偏控制提供依據[3]。

2）基于磁釘自動定位裝置。由安裝于同側前后門腿之間的定位天線，以及沿大車運行軌跡、預埋于天線中心線正下方地面內的磁釘（圖 4）組成，利用電磁感應的原理測量磁釘位置及與天線中心線的偏差，為大車定位及糾偏控制提供依據。

單側位置反饋系統能夠滿足遠程操控及半自動運行的需要，但輪胎吊結構的柔性度高，容易發生整機扭轉的情況，此時雙側的位置反饋系統是高定位精度的必要條件，根據堆場特性及不同的用戶需求，這兩種位置反饋方式有不同的組合模式：

a）采用一側以視覺定位為主，另一側在貝位中心安裝磁釘為輔的定位模式，可大大提高輪胎吊大車定位精度，這種模式適用于一側有滑觸線支架的應用場景，可在保證精度的情況下降低成本，滑觸線系統上還可以安裝激光傳感器，采用視覺糾偏與激光測距糾偏相結合的方式，增加糾偏系統的魯棒性；

b）采用兩側均為預埋磁釘的方式，兩側的磁釘系統為雙軸輸出（即輸出 X、Y 軸距離），安裝間距約為 1.3 m。相對于視覺定位設施，磁釘定位設施的成本略高。

大車**定位的控制是在精準位置反饋的基礎上采用自動化糾偏技術及逐步逼近目標位置的控制方式實現的。在自動化輪胎吊起動及停止過程中，設備也必須處于糾偏控制狀態中。

對于輪胎吊過街時的定位及糾偏，通常采用預埋磁釘進行位置檢測的方案。在過街通道安裝磁釘，使輪胎吊在過街時便能得到大車左右兩側的偏移量，實現大車自動糾偏。基于安全的考慮，建議司機在遠程操作中心監控現場情況，通過操作大車手柄，實現遠程大車過街。

2.4 集裝箱定位子系統

上述三個定位子系統是輪胎吊實現遠程操控及半自動的基本條件，而集裝箱定位子系統是實現輪胎吊自動化作業的核心技術，目前主要采用激光及圖像處理相結合的技術實現其精準定位。集裝箱定位子系統由三個部分組成：

1）吊具檢測系統（圖 5），該系統由安裝在吊具上架上的結構光源以及安裝于小車架底部的相機組成，利用圖像識別技術實時檢測當前吊具的姿態，確定吊具相對于小車架中心位置的左右偏移量及旋轉角度。

2）目標檢測系統（圖 6），該系統由安裝在小車架底部的兩套 3D 激光掃描儀組成，利用激光識別測距技術獲取集裝箱的姿態信息，確定集裝箱相對于小車架中心位置的左右偏移量及旋轉角度。

3）著箱確認系統，該系統由安裝于吊具周圍的 6個高精度單點激光器組成，用于快速確認箱與箱之間的疊箱精度是否滿足要求。

當輪胎吊三大機構運行到位后，吊具已經在目標集裝箱的上方，此時 TDS 系統檢測集裝箱姿態，SDS 系統輸出吊具的姿態，通過數據的融合和處理，當 SDS、TDS 系統的輸出數據在同一坐標系統中時，參照集裝箱的偏移量，在起升下降的過程中，同步控制吊具系統的位移及旋轉，在吊具姿態與目標集裝箱姿態吻合后控制起升下降，疊箱完成后，LCS 系統迅速檢測確認，從而實現精準的堆場內全自動疊箱。

此外，由于八輪、堆六過一的輪胎吊穩定性較差，X、Y、Z 方向的初步定位精度遠不及軌道吊，因此在不檢測地面狀況的情況下，試圖僅僅通過“盲放”的方式來實現自動開底（即：首層箱自動疊放）是困難的。目前情況下，經過實踐驗證可行的方式是在地面設定一定的標志物或標記，通過 TDS檢測這些標志，結合 SDS 系統來實現地面首層集裝箱的精準放置，以實現輪胎吊在堆場內的全自動開底。

2.5 定位精度與效率平衡

自動化輪胎吊應確保安全運行且效率滿足裝卸船時的峰值要求。當疊箱精度過低時，堆場存在箱子碰撞甚至傾覆的風險；定位精度過高，將導致重放概率和定位控制時間增加，從而嚴重影響裝卸效率；采用著箱前人工確認的方式同樣會因過多的人工介入嚴重影響效率，更無法通過自動化減少人工投入。目前堆場的運行效率一般要求達到 15~18moves/h，且此效率需與集卡調度和操作員的熟練程度等緊密相關。

3 工程項目應用

目前自動化輪胎吊已逐步在國內外幾個大型自動化集裝箱碼頭包括寧波舟山港梅東公司、和黃泰國藍采幫港等得到成功應用，裝卸作業過程中定位系統運行平穩、定位精度達到預期目的，從而保證了整機穩定的作業效率，見表 1。

4 結 語

輪胎吊作為集裝箱碼頭堆場裝卸作業的主力機型，實現自動化的意義重大，除了新建碼頭外，傳統輪胎吊的自動化改造需求也很大。輪胎吊自動定位系統的技術實現為輪胎吊應用于自動化集裝箱碼頭的堆場作業奠定了堅實基礎。另外隨著未來新型信息化技術的不斷發展和人工智能、深度算法等技術的日趨成熟，輪胎吊將不斷實現裝卸作業的高度自主化、智能化。