0 引言
近几年来沿海沿江干散货码头数量逐渐饱和，各干散货码头面临着严峻的市场竞争环境，以前那种单纯扩大投入取得收益的粗放型生产方式以及管理机制，已不能适应散货码头未来发展的需要，传统的港口业务范围、生产理念和管理方式逐渐被突破、融合。同时，随着国内劳动力成本的上升, 以人为本、环境保护意识的日益提高以及科学技术的进步，干散货码头装卸方式将由传统的通过增加设备密度、提升设备速度来满足装卸效率向自动化装卸方式发展。
1 全自动系统架构
如图1 所示，桥式抓斗卸船机全自动系统按照系统功能划分，主要分为生产管理层、设备管理层和设备应用层；该系统主要组成部分包括全自动整机管理系统、轮廓扫描系统、整机定位及防碰撞系统、远程操作系统以及单机自动化工艺系统。全自动系统攻克了卸船机工艺、船舱舱口识别、船体倾斜以及全自动系统的安全保护等重要技术难点。
图1 干散货全自动系统构架图
2 全自动系统功能解析
在全自动模式下，散货船靠泊后，中控生产管理系统将采集的船舶及作业调度信息发送给全自动整机管理系统，全自动整机管理系统自动生成工单下发给单机，工单信息包括作业流程号、船名、泊位、船靠泊方向、船舱数、船尺寸（总长、 宽、 高）、各舱尺寸（长、 宽、深）、总配载及各舱配载、作业舱位、物料类型、物料密度、物料安息角等。全自动流程开启，卸船机行走离开锚定位，开启轮廓扫描系统，大车行走到指定作业船舱位置扫描整个船舱，将扫描的三维数据传送至全自动整机管理系统。扫描过程中进行舱口边缘辨识，同时计算出舱口尺寸和位置，将扫描的数据与卸船作业工单中的船舶数据进行比对，比对无误后进入实际卸船阶段。自动卸船阶段开始后，全自动整机管理系统根据扫描数据进行全自动作业路径规划。按扫描物料高度，进行分层作业。首先进行第一层抓取作业，在每一层作业中规划出抓取列，第一列为船舱横向中心线，之后各列以中心线向左右交替。移动大车到第一列开始作业。开启轮廓扫描系统进行实时扫描，反馈当前列最高点坐标及高度；抓斗自行至该点完成一次抓取循环，循环此流程直至该列各点高度低于本层抓取高度的20%，完成该列作业；提升抓斗至最高位置，移动大车至第二列作业位置，重复作业循环；按此循环流程直至本层各列各位置高度低于本层抓取高度的20%，进入第二层作业循环，以此往复直至所有分层作业完成。通过扫描反馈除清料层以上各层都已抓完后，全自动整机管理系统终止全自动卸船任务， 提醒司机进入中控远程手动操作，由远程操作台接管继续操作，直至完成整个卸船作业。
3 全自动系统关键技术
3.1 全自动整机管理系统
全自动整机管理系统能够采集卸船机的运行数据，生产数据，扫描数据，进行分析处理，可显示各整机实时情况，并实现码头船舱及物料三维成像。通过连接中控生产管理系统，协调各整机完成卸船生产任务。
全自动整机管理系统功能包括作业工单下发、轮廓扫描数据处理、路径规划和自动化指令下发等。
当全自动整机管理系统接受到码头生产管理系统下发的作业计划，根据码头设备状态以及船舶作业信息，生成作业工单，显示作业参数，经操作人员确认后，下发给单机自动控制系统。
由三维激光器对现场目标的轮廓进行扫描得到数据点的数量非常巨大。全自动整机管理系统借助关系型数据库技术，可以将轮廓扫描系统采集获得的船舶及物料数据存放在关系型数据库里，然后用数据库访问技术，获得详尽的船舶及物料轮廓信息，通过高速运算得出高精度的自动控制指令。路径规划是全自动工艺执行的关键步骤, 其采用的关键技术是基于特种起重机工艺的决策，将方案以分类、排序及动态规划等算法来实现。将船舱有效物料分布区域建立矩阵数据模型，网格中矩阵数据代表此网格区域的物料平均高度。将船舱物料进行分层，清料层不作为全自动的作业目标。从清料层往上开始计算，每一层的定义高度为抓斗最大的抓取高度，表面层的最大高度小于等于抓斗的最大抓取高度。根据抓斗结构特性和物料的轮廓外形，运用抓斗物料投影的概念推算出抓斗在不同位置的抓取量，抓取量将作为抓取点选择的主要依据之一。根据现场扫描数据的反馈，抓取点优先从船舱的中心位置进行选择，逐步向四周围移动，优先在小车方向进行选择。
3.2 轮廓扫描系统
轮廓扫描系统采用激光扫描船舱及舱内物料信息并实时更新，将采集到的信息通过后台系统进行计算、建模，形成电子物料数据库，将各单机的物料轮廓系统数据汇总上传到中控，建立中控物料轮廓系统，为全自动工艺方案提供必要的数据支撑。
作业前，根据下发的作业工单中提供的泊位、舱位、船体船舱等信息，大车行走和司机室运动至指定舱口位置，开启激光器扫描，3D 转动机构配合激光器执行对整个船舱的扫描，3D 机构回到起始位置，扫描完成，轮廓扫描系统进行数据处理。卸料作业过程，每执行一次抓取循环动作就会执行一次扫描更新，更新节点定于抓斗起升并离开船舱上方后，3D 机构执行舱口和舱内物料信息的数据更新。
图2 扫描数据滤波处理及舱口识别图
3.3 程操作系统
远程操作系统是干散货码头全自动系统中人工干预环节必不可少的一套系统，当物料处于极限状态时，通过远程操作系统可实现远程手动干预，保证较高作业效率。该系统主要用于整机的远程手动或者半自动控制。远程操作系统是基于工业总线技术，通过PLC 及上位机软件的开发，结合工业电视监控系统对现场设备运行的实施监控，实现散货码头装卸设备的远程操作。该系统把散货机械司机从封闭、狭小的司机室中解放出来，让司机能够在相对干净、舒适的中央控制室完成各项操作。
3.4 整机定位及防碰撞系统
整机定位及防碰撞系统在定位技术、激光防碰撞技术、传统传感器技术以及视频技术等基础上结合智能算法完成对散货码头设备的全方面保护，保证设备在安全可靠的环境下运行。
3.5 卸船自动化工艺系统
全自动功能需要自动确认船舱位置和物料分布，在卸船机自动化解决方案中，增加船舱及物料扫描设备，即目标位置扫描系统，实现船舱位置和物料分布的自动检测，取代司机的手动设置和操作，实现整舱的连续自动卸船功能，提高作业效率和安全性能。目标位置扫描系统安装在司机室平台，卸船作业时，司机室正对船舱的上方，此时扫描系统扫描范围覆盖整个作业船舱。全自动桥式抓斗卸船机利用扫描系统的检测技术，实现船舱位置检测、物料分布检测主要功能。船舱位置检测需提供准确的船舱内外沿和左右沿以及船舱高度，这些参数在半自动操作过程中是由司机手动确认的，而在全自动流程中则由扫描系统按照一定的扫描周期进行更新。物料分布检测主要是为了提供准确的抓取回程点，在半自动过程中，回程点由司机手动调节，而在全自动流程中回程点由程序扫描系统通过大量的物料分布数据，经过优化有效的算法，提供动态变化的回程点。
4 全自动系统特点及优势
4.1 安全生产
在人工操控模式下，由于当班作业司机的健康状况不可预测，故存在误操作的概率，存在作业安全隐患。另外，完全按照标准流程进行操控并不完全可控，在引发安全事故后，责任的鉴定存在难度。
在工业制造领域，实现标准化、模块化、自动化一直是各企业追求的目标，实现上述优化，可有效降低安全事故的概率，既能为企业降低安全成本，又能为企业提高社会效益成本。
在安全领域，故障概率与操控环节的数字化是实现安全事故可控的前提条件。在实现了工单流程的数字化与自动化后，可将安全事故中“人为失误”这个安全事故变量降到最低，从而大幅度增加设备运行过程中的安全性，实现整个作业工单流程的安全事故可控，因此是现代化企业在安全领域追求的最大目标。
4.2 环境保护
全自动操控系统投用后，由于其操控特性会根据运行阶段的不同，智能的实现高动态操控阶段与柔性操控阶段，因此在不降低装卸效率的前提下，有效降低了装卸过程中碳粉与矿粉等物料的撒漏率，对环保的贡献表现突出。
4.3 节能降耗
在实现自动化操控后，设备运行的各阶段动态与柔性操控的切换可根据流程的需要智能匹配，从而大幅度降低能源消耗幅度，有效地降低产出/ 能耗比，最终实现企业降本增效。在生产运行环节，人为的因素一直是节能降耗的最大变量，人的行为只能依靠感官判断来模糊的处理设备各个运行环节所需的能源投入，无法完全做到精细化与数字化操控。而智能系统的作用是将各个阶段的操作实现数字化，在不同的运行阶段根据设定的工单流程投入不同的能源使用量，从而达到操控环节的自动化，故在节能降耗领域将会实现大幅度改进，有效提高产出 能耗比。
4.4 改善劳动环境和条件
自动化系统投入使用后，传统的人工从操控环节变更为监控环节，故可有效降低操作人员的劳动强度。另外，由于操作人员劳动强度的降低，可有效降低职业病对企业与社会的负担。
5 结论
桥式抓斗卸船机系统通过对船舱及物料数据的精确测量，结合实际的全自动卸船工艺，使卸船更加稳定，精确且节能。三维扫描系统提供的船舱轮廓及舱内物料数据为自动化操作提供数据基础和安全保障。通过抓斗定位及防碰撞系统，实现抓斗精确定位，建立空间模型，对单机在作业中的空间碰撞进行预判报警，提高港口作业安全性。该系统提供了卸船机自动化整体解决方案；实现卸船机自动化的集成；实现管控系统间数据的互通与共享；最终提高码头作业生产效率。
