摘 要：随着散货港口装卸设备数量、种类的不断增加，如何高效可靠使用这些大型设备是急需解决的问题。文章从激光雷达传感技术、视频分析AI技术、三维建模计算等多维度建立一套完整的智能安全预警系统，解决目前客观存在的精准度低、误报率高、无法适应复杂现场环境等诸多问题。提高核心作业设备堆取料机的安全作业性能，望对日后散货港口安全生产有所帮助。
关键词：港口；
堆取料机；
激光雷达；
AI；
三维空间；
防撞
中图分类号：TP273+.5；
TH246 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）10-0143-04
Abstract：
With the increasing number and type of bulk cargo port loading and unloading machines， how to use these large machines efficiently and reliably is an urgent problem to be solved. In this paper， a complete set of intelligent security early warning system is established from laser radar sensing technology， video analysis AI technology， three-dimensional modeling and calculation to solve problems such as low accuracy， high false alarm rate and inability to adapt to complex field environment. It improves the safe operation performance of core operation equipment stack reclaimer， hoping to help the safe production of bulk cargo port in the future.
Keywords：
port; stack reclaimer; laser radar; AI; three-dimensional space; anti-collision
0 引 言
在大型散货港口堆场内，堆取料机设备作为货场作业的核心装卸设备，主要部件包括机身、斗轮、臂架、压重、司机室、臂架带式输送机、料场带式输送机等。在日常生产作业过程中，经常会出现多台大机同步进行作业的场景，左右或前后相邻的設备之间、设备与堆场货垛之间，以及作业区内偶发性的人、车经过等危险因素挥之不去，一旦发生安全事故，给港口带来的影响将是巨大的，如何有效防止该类情况的发生，传统的人工看护和检测手段很难满足复杂多变工况下的现场环境，针对该突出问题，深化研究堆场实际工况，利用现有网络路由、卫星定位数据、大机尺寸信息等，结合当前先进、成熟的计算机技术、高精度电子围栏技术、三维可视化建模技术、精密的雷达检测技术以及动态视觉AI技术等，创新研发适用于该类场景的安全预警检测系统，实现设备安全的可视化，精细化，动态化管理，整体优化并提升此类大机设备的作业安全水平，降低风险系数，助力港口智能化的稳步发展[1]。
1 国内外现状
目前国内外港口已实现堆取料机等大型设备一定程度的智慧化作业，具备了机上无人操作的条件，然而传统港口大型装备空间防撞系统已满足不了复杂多变的现场环境。因此，这种落后的防撞系统亟须改变，本文研究开发安全预警检测系统，将整体优化并提升此类大机装备的作业安全水平，降低风险系数，助力港口智慧化的稳步发展[2]。
国外港口在安全防护方面的主要手段包括有：编码器计量、微波雷达、激光红外、卫星定位、机器人巡视等，应用效果受现场生产环境有着较大的关联影响。如：安装在悬臂两侧的微波雷达传感器，受作业料场粉尘影响严重，经常误报警，且灵敏度极受限于安装位置，调试难度高，投入使用后效果不理想。
相较于国内，目前在该领域内，依旧主要以人为主观的判断机制，报警提醒的方式只能在报警栏中显示，欠缺直观性。预警安防手段也主要以硬线限位开关为依托，这种传统的防碰撞规避方式比较直接和粗犷，装备防撞检测的手段相对单一，缺乏灵活的可操控性，同时灵敏度也不高。加上原有堆场大型装备空间防碰撞的PLC控制程序相对逻辑简单，同时防撞检测仅针对大型装备之间及与货垛的作业区间，缺少面向流动人员和车辆、机械等对象的安全检测。另外，对于临时堆放在货场或货场附近的物体、维修设施等，堆场装备防撞系统也无法进行有效判断[3]。
因此本文从多激光雷达传感技术、视频分析AI技术、三维建模计算等多角度建立全方位、软硬件协同的堆取料机安全预警系统，确保运输环节中的人员、设备、物料的安全，减少不必要碰撞事故所带来的时间和经济损失，从安全角度助力散货堆场的整体运营效率。
2 系统架构
为充分确保整个系统的灵活程度，减少耦合度，易于开发和维护，提升功能可扩展性，系统采用了ROS软件架构，通过驱动层接入各种硬件设备，系统各服务组件之间通过topic/service进行通信。系统架构如图1所示。底层摄像头、激光雷达等传感器设备采集现场实时数据，通过堆取料机机上有线或无线网络传输至控制中心服务层。经过不断训练迭代、建模计算等手段将分析结果推送至应用层，最后分类应用在监控中心展示实时预警系统。系统对所有采集、分析的数据进行管理及可视化呈现，具有统一集中监控功能，重要的信息交互和获取界面，更是运维管理可视化管理的重要基础。
由于需要采集各类设备数据及通过各种协议方式获取的不同类型的工况数据，系统需具备稳定、高效、较强的协议适配性等技术特点。因此系统采用了基于J2EE的多层体系结构来构建目标系统，并针对业务的不同特点，采用了如下框架技术：
1）系统所有的消息订阅发布都基于消息机制，实现消息的分布式处理及异步通信，能够轻松应对系统的数据订阅发布请求。
2）所有第三方接口及数据接口采用Web Serivce技术。
3）系统采集组件采用SNMP、WMI、SSH、HTTP等数据采集接口方式，适配不同系统应用不同的采集接口，以满足系统对数据的全方位需求。
3 安全预警系统关键技术
3.1 激光雷达防撞预警
激光雷达防撞预警系统利用激光雷达在室外工作环境，对堆取料机悬臂附近的障碍物進行距离检测和定位建图，生成点云数据，同时应用传感手段、计算机技术和数据分析方式完成堆取料机悬臂与料堆、相邻大机、行人车辆等障碍物之间的近距防碰预警功能。
激光雷达防撞预警系统由高精度近距离雷达、网络通信设备、服务器、监控平台等组成，如图2所示。系统利用网络接收雷达采集的全部点云信息，开展深度过滤及综合分析，同时参考内部搭建的堆取料机数学模型，通过对重要位置的动态检测，将检测到的预警信息推送给大机自动化PLC系统。
激光雷达安装在堆取料机悬臂下方回转中心前处，该位置可跟随悬臂进行俯仰和回转动作，且具有粉尘污染少、电磁干扰小等优势。检测区域为悬臂下方扇形区域，如图3所示，通过安装支架调整激光雷达扫描的准确位置。
激光雷达点云数据，是由激光雷达向周围发射激光信号，同时接收反射的激光信号而来，即扫描得到的空间点的数据集。每一个点云信息都包含了三个维度的空间坐标数据，即X、Y、Z三个数据，此外可能还包括信号强度、噪声数据、回波次数等内容，如图4所示。这些点云数据是再通过外业数据采集、组合导航、点云解算，便可以计算出这些点的准确空间信息。
由于激光雷达传感器的系统结构特性和工作原理，使其拥有一定区域的水平视场角和垂直视场角，所以在数据采集、分析过程中，要对水平和垂直两个方向的分辨率进行分析，考虑每个数据点之间的距离精度，最后将结果作为下一步点云信息处理的依据。
将激光雷达说检测到的区域范围进行划分，当有障碍物出现在警戒区时，进行报警。图5为雷达设置的一个报警区域。
3.2 视频分析防撞预警
在堆取料机悬臂下方回转中心处安装摄像机，该位置可跟随悬臂进行回转动作，但不进行俯仰动作，且具有粉尘污染少、方便维护等优势。可对悬臂下方特定的电子围栏区域进行实时视频监控，当视频中检测到有人员或车辆时，结合业务推理结果做出对应的告警信息，实现前臂下方AI智能安全警戒区域功能，预警区域如图6所示。具体实现方式是利用基于深度学习的智能检测算法，实现对闯入安全区域的人员和车辆的多目标、多尺度、多姿态的实时检测与跟踪。由于堆取料机悬臂较长，可根据摄像头焦距和覆盖的范围来调整视频监控所覆盖的区域。
该技术可全天候自动监控，兼容已有的前端监控设备和系统，对监控画面开展连续的分析判断；
报警响应及时，服务器能快速处理海量前端数据，及时做出事中判断和预警；
可精确预警，定制开发高精度算法，利用强大的图像处理能力，准确识别异常状况，自动存储报警图片与相关小视频；
物联管理，通过先进的物联网技术，结合智能视觉识别技术，对现场人员、机械设备、环境进行有效管控。
图7绿色区域为视频检测区域，黄色区域为检测到车辆入侵的报警提示。
3.3 三维空间可视化防撞预警
设计搭建整体堆场三维场景，如图8所示，包括堆取料机模型、料堆模型皮带机模型等，利用全场大机RTK定位技术，实时地提供堆取料机站点在指定坐标系中的三维定位数据，并将其在三维空间中进行显示。同时根据堆取料机系统本身所反馈的悬臂旋转角度、俯仰角度，在三维空间中进行实时调整，依据定位坐标、悬臂长度、大小等信息，通过与最近的料堆或大机模型空间数据的实时计算，将获取的空间计算数据与预定的防碰撞数据进行对比，根据设定的规则进行相应的预警信息处理，最终将虚拟场景与现实场景装备作业的信息统一，显示在操作人员面前[4]。
空间数据计算的目标是由获取的所有堆取料机悬臂位置数据推算出三维空间中任两台堆取料机悬臂间的最短距离。原则上可采取多种数学算法计算出任两台堆取料机悬臂间的最短距离，由于堆取料机悬臂长配种短，因此可将悬臂长度近似为整机长度，那么可将求解两台堆取料机间的最短距离问题转换为求解两台堆取料机悬臂间的最短距离。
所以两台堆取料机间的最短距离是：一堆取料机的回转中心和悬臂前部中点连成的线段，与另一堆取料机的回转中心和悬臂前部中点连成的线段间的最短距离。
3.3.1 两台堆取料机的悬臂在同一平面
当两台堆取料机的悬臂在同一平面内时，最短距离为一堆取料机的悬臂前部中点到另一台大机回转中心和悬臂前部中点连成的线段的垂直距离或两台堆取料机的悬臂前部中点间的最短距离。
3.3.2 两台堆取料机的悬臂不在同一平面
当两个堆取料机的悬臂不在同一平面时，最短距离为一堆取料机的大机回转中心和悬臂前部中点连成的线段，与另一堆取料机的回转中心和悬臂前部中点连成的线段的公垂线段间的距离或两台堆取料机的悬臂前部中点间的最短距离[5]。
根据空间数据计算得出最小距离后，可以将最小距离与多个预设距离进行分级比较，同时将比较结果在三维可视化平台上直观展示。多角度立体式观测，更加直观地表现出安防预警的触发区域、角度、位置等信息，通过有效加载大机设备实时位置和各机构动态，保持虚拟场景与现实场景设备作业的信息统一。凭借实时动态仿真大机走行位置、悬臂摆动和上下俯仰，实现快速并精准地反映指定编号设备的关键区域是否存在碰撞安全隐患，并根据碰撞间距定义隐患等级，采用不同的颜色和闪烁方式加以区分、强调和预警提示，并根据不同等级执行预设的安防控制策略。
当大机在进行堆料或取料作业时，大机与料堆之间距离过近，属于正常作业情形，所以本文根据设备真实作业情况对不同工况的检测区域加以设计，动态调整保护区域，做到精准防护。图9分别为堆料和取料作业场景。
4 结 论
本文基于对大型设备作业空间安全预警检测保护的研究，通过依靠增设多类型高精度检测传感器设备，增加现场检测的角度和手段，同时结合仿真检测、智能分析、应对策略技术等上下同步构建一套相对完善的多维度监测安防体系，确保关键设备生产安全并实现设备精细化管理，提高料场运行效益。
参考文献：
[1] 张水良，刘治邦，李潇峰，等.基于北斗定位的港口堆取料机防碰撞系统关键技术研究 [J].港口装卸，2020（6）：43-46.
[2] 金闯，滕树满，周茂涛.一种堆取料机智能化改造方案 [J].金属世界，2018（4）：68-72.
[3] 矫品仁.斗轮堆取料机自动化作业系统的研究 [D].大连：大连理工大学，2018.
[4] 魏吉敏，周泉.料场堆取料机的防碰撞控制研究 [J].港口装卸，2015（1）：44-46.
[5] 李长安.堆料机无人值守智能堆料控制系统设计与实现 [D].秦皇岛：燕山大学，2012.
作者简介：杨晗芳（1989.04—），女，汉族，上海人，工程师，硕士研究生，研究方向：自动化。
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