基于BDS的輪胎吊運行控制方法研究

馮 康 ，趙相偉 ，吳 博 ，欒吉山 ，徐 杰

（1.山東科技大學 山東省基礎地理信息與數字化技術重點實驗室，山東 青島 266590；2.山東省國土測繪院，濟南 250013）

0 引言

隨著科學技術和經貿行業的快速發展，打造面向未來的智慧港口已成為建設世界一流物流強港的關鍵[1]。建設高效率低成本的智慧港口，必須對集裝箱港口進行優化改造，國內集裝箱港口在經歷了初步的改造措施后，大型起重機設備的升級改造已成為下一個港口優化管理的目標[2]。需要指出的是，目前國內集裝箱港口大多采用輪胎式集裝箱門式起重機（rubber-tyred gantry crane，RTG）的裝卸工藝[3]，而 RTG的智能運行控制，是起重機設備升級改造的關鍵，也是智能化港口建設的重要組成部分。

通常來說，現有RTG設備急需優化改造的因素有以下幾點：1）需要人工進行高空作業，操作空間狹小，危險性高；2）無法實現位置監控和自動糾偏[4]，增加人工控制難度；3）沒有檢測集裝箱堆積位置的技術[3]。本文針對以上問題，以空間三維（3-dimension, 3D）分析為核心，結合北斗衛星導航系統（BeiDou navigation satellite system,BDS）的定位技術、第5代移動網絡通信技術（the fifth generation of mobile network communication technology, 5G）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC），研發了一套實時的3D港口輪胎吊運行控制系統。

以北斗三號全球衛星導航系統即北斗三號（BeiDou-3 navigation satellite system, BDS-3）的開通為標志， BDS將為全球用戶提供定位導航服務。由于采用全球定位系統（global positioning system, GPS）會有很大的安全隱患，而單獨基于BDS的應用場景還比較少[5]，基于BDS衛星導航定位的智慧港口應用已成為必然趨勢。事實上，部分應用BDS的智慧港口系統，已收到了良好的效果。文獻[6]研發一套基于BDS衛星的港口大型流動機械管理系統，對港口的設備進行實時位置監測及數據分析報警功能，實現港口流動機械的定位管理。文獻[7]設計了嵌入式BDS應用場景，實現了衛星信號的接收。定位信息的接收和顯示由BDS導航模塊實現，并通過組件對象模型（componet object model, COM）與計算機進行通信。文獻[8]設計了一套基于BDS導航的港口高精度定位調度管理系統，實現了作業機械實時跟蹤及系統自動傳達指令信息，提高了作業效率，減少了運營成本。

穩定性強、可靠性高的第5代移動網絡通信技術（the fifth generation of mobile network communication technology, 5G）是國內眾多智慧型園區建設的首選通信系統，相比傳統通信技術，其信息技術更加成熟，也催生了許多支持高速無線通信的工具，促進了信息資源的高效利用[9]。文獻[10]介紹了青島港智慧碼頭，通過實施5G獨立組網，實現了橋吊的遠程控制。文獻[11]介紹了5G在智慧港口建設方面所做的貢獻，尤其是推動了自動化港口設備更新換代、升級改裝。文獻[12]研究5G移動通訊技術，利用隔離增強方法和 5G波束控制，增強 5G無線電波傳輸速度和信號強度，提高了無線傳輸效果。

本文依靠青島港 5G組網，應用 BDS定位導航技術，3D可視化技術，PLC編程控制系統，研發了一套實時3D輪胎吊控制系統，利用本系統可實現自動化智能控制RTG運行裝卸，還可通過3D展示窗口，多視角查看RTG狀態，從而實現遠程無人智能控制。

1 系統設計

本文研發的港口輪胎吊運行控制系統包括桌面端系統和外部系統。桌面端系統是基于阿爾克吉斯·恩吉內（ArcGIS Engine）組件庫研發的。外部系統采用一機雙天線的高精度BDS接收機作為系統的核心設備，數據和指令通訊由5G模塊實現。整個系統可分為坐標數據接收部分、數據處理部分、任務執行部分和3D場景模擬展示部分。系統的總體框架如圖1所示。

由圖1可知，該系統主要包含以下幾個部分：

圖1 系統總體框架

1）坐標數據接收部分。安裝在RTG固定位置的BDS定位天線和定向天線，傳回其收集到的美國國家海洋電子協會協議（national marine electronics association，NMEA）的報文數據，通過5G通訊模塊由串口傳輸至服務器；

2）數據處理層。數據處理層在解析接收到的NMEA協議報文后，從中得到系統所需數據，結合RTG自身尺寸和結構信息，建立坐標系，推算RTG的整體位置信息，根據任務指令，規劃RTG的行車路徑，計算任務調度；

3）任務執行層。任務執行層包含RTG導航控制功能、集裝箱裝卸功能和任務調度，在接收到任務指令后，發送指令到 PLC控制系統，并根據指令控制RTG執行運行功能；

4）3D場景模擬部分。在系統推算得到的整體位置信息基礎上，可將RTG模型顯示在對應港口的地圖上，進行實時的可視化展示，實現集裝箱信息展示功能。

2 關鍵技術

2.1 BDS導航技術

BDS是我國擁有自主知識產權的全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）。BDS由空間站、地面站和用戶終端組成[13]，與其他三個GNSS相比，具有顯著特點，包括：安全性能高；導航定位與通信集成；采用混合星座定位等，這些特點可完全滿足智慧港口導航定位方面的需求。

本文使用的BDS終端為上海司南衛星導航技術股份有限公司的一機雙天線高精度 BDS接收機，包含定位天線和定向天線，外加一個基站（天寶GPS基站）。接收機接收NMEA報文，NMEA報文數據中有定位信息、當前衛星信息、可見衛星信息、地面速度信息、航向信息等信息。

2.2 空間分析技術

空間分析是分析空間目標對象的分布規律，分析不同地理空間現象之間內在聯系的一種分析技術，通常包含距離分析、疊加分析、通過性分析和陰影分析等。結合港口情景，本文利用空間分析中的距離分析和疊加分析進行糾偏和尋找集裝箱位置，根據實測坐標與軌道中線的位置關系，結合余弦定理，計算RTG輪胎的轉彎方向實現自動糾偏。

2.3 5G技術

本系統采用 5G進行數據連接，以保證快速穩定的傳輸數據。5G與前幾代通信系統相比，具有大規模、高性能、易操作等優點[14]。本系統的5G由終端層、網絡層、業務層組成[15]。

1）終端層。利用支持5G的數據傳輸單元（data transfer unit, DTU）滿足低時延高可靠的任務需求，將DTU分別安裝在服務器端和RTG端，以接收 COM口數據。將接收到的 NMEA報文數據傳輸到服務器，經過解算分析后，再由服務器端發送指令，通過DTU傳輸到PLC模塊。

2）網絡層。利用第三代合作伙伴計劃（the 3rd generation partnership project, 3GPP）協議，開展5G應用場景中的關鍵業務，即低延時高可靠（ultra-reliable and low latency communications,uRLLC）業務，可滿足時延少于等于20 ms，可靠性達99.999%的高標準需求，使用頻段為2.6 GHz/4.9 GHz，與公眾頻譜隔離，形成港口專網，滿足安全和可靠性要求[15]。

3）業務層。多種數據經網絡層傳輸到港口的控制室，再由服務器中的系統處理后可得到控制指令，將控制指令傳回到RTG設備，實現控制功能[15]。

2.4 PLC編程技術

本系統由PLC發送指令并控制RTG運行，PLC控制系統由中央處理器（central processing unit,CPU）、寄存裝置、通信裝置以及電路等組成[16]，可實現對各項指令進行集中處理，通過可編程寄存器，實現儲存、計算、通訊等功能，具有功能豐富、使用方便、工作可靠、經濟合算等多方面優點，已成為工業自動化的應用典范[17]。

PLC模塊使用莫德布斯（Modbus）通訊協議，采用遠程終端單元模式（remote terminal unit,RTU），同時可以利用循環冗余校驗（cyclic redundancy check, CRC）進行冗余檢測，提升穩定性[17]。電路總體設計思路為：將系統發送的信號經DTU進行匯總，通過Modbus總線傳送至寄存器，實現集中運算。根據控制策略輸出控制結果[18]，然后由PLC傳送到RTG的控制器部分。

3 功能實現

本文應用斯格爾（SQL）服務器（Server）2012，構建了輪胎吊運行控制數據庫，在微軟（Microsoft）VS2017環境下，基于ArcGIS Engine 組件模型庫，結合串行通訊端口（cluster communication port,COM）技術和PLC編程技術進行系統開發，實現了導航控制、自動偏離糾正、集裝箱裝卸、任務調度等功能。

3.1 導航控制

3.1.1 堆位編碼與定位

1）堆位編碼。為了便于在 3D堆場中對集裝箱進行定位和裝卸操作，需要對3D堆場中的堆位進行堆位編碼。本文采用6位堆位編碼，前2位表示場號，第3位和第4位表示位號，第5位表示列號，第6位表示層數，這樣后4位編碼唯一地描述了堆場中每個堆位的相對3D位置。為了保障輪胎吊停車的準確性，將每個堆位的中心點3D坐標作為堆位對象的關鍵點屬性。

2）RTG堆位定位。通常情況下，每個堆場都配有一個RTG，為了簡化RTG拾取目標集裝箱的過程，可直接從編碼第3、4位開始讀取編碼信息，執行拾取任務。RTG得到集裝箱編碼，行駛到位號所在區域的指定位置，即該區域的中心線與軌道中線的交點。達到指定位置后，由定向天線和定位天線的坐標計算RTG車身橫梁與區域中心線的夾角，根據角度信息調整車身姿態，當夾角小于閾值時，再執行下一步任務。根據第5位編碼（列號），確定小車的移動距離，行駛到關鍵點上方，本文采用激光測距儀進行精確的距離測定，確保小車位置的精確性。小車下方的吊具伸縮動作，靠馬達驅動鏈傳動來實現，根據第 6位層數確定吊具下降的高度，由PLC控制其下降。如此可根據6位數的編碼，來確定集裝箱的位置，并指引輪胎吊達到指定點，執行下一步的操作。

3.1.2 路線導航

1）BDS定位。本系統采用BDS接收機接收到的NMEA報文數據，通過5G發送至控制室。系統首先搜索COM口名，設置COM口的波特率、被監測點坐標系、梁長，根據國際海運事業無線電技術委員會（radio technical commission for maritime services，RTCM）協議來解析接收到的數據，讀取所需數據，系統主要參數置如圖2所示。

圖2 參數設置

系統從 NMEA報文數據中讀取的是坐標和方位角數據，因為天線安裝時確定了定位天線和定向天線之間的距離，由此兩種數據可計算出定向天線的坐標，依據兩點坐標并結合地面速度信息，可得到RTG的位置、方向和速度信息。另外可選擇計算的坐標系，系統根據坐標系計算其相應坐標位置。

計算當前RTG位置后，在點與軌道對應表中，會顯示當前被檢測點的點號與其所處的軌道線號。并在 3D場景中展示出 RTG的 3D場景，當RTG運行位置超出所設置的容限范圍時，系統自動發送糾偏指令到PLC控制系統，同時，3D展示區域也進行同樣運行改變，以便操作人員進行及時查看并進行自動軌跡偏離糾正操作。

2）導航方法。在3D場景中，展示了RTG行進的引導線作為行車的理論導航線；并在該線上繪制了每行對應的關鍵點；在導航線的兩側繪制了三個等級的偏離警界線，分別用紅黃藍不同色彩的線型表示，如圖3所示。

圖3 RTG行車線及容差界線

RTG中導航的過程如下：1）應用BDS獲得在相應坐標系中的兩個定位點的坐標，通過5G發送到服務器；2）服務器給RTG控制模塊發送導航線關鍵點坐標序列和場位關鍵點坐標；3）RTG控制模塊根據天線定位坐標和導航線關鍵點坐標序列，計算RTG前進的方向；4）根據計算結果，通過PLC給電機控制器發送指令，控制RTG前進、停止或轉彎。

3.1.3 偏離糾正

吊車軌跡偏離糾正功能是RTG自動化控制運行的關鍵，如何控制 RTG運行偏離自動糾正是RTG無人駕駛的難題。本系統的自動糾偏功能，計算出RTG需要的糾偏值，然后將糾偏值和糾偏指令傳輸到PLC上，來控制RTG的轉向系統和運行電機，從而實現糾偏。

當RTG運行偏離導航線，并在容限范圍內時，系統將自動進行糾偏操作。首先獲取當前RTG的坐標、前一個導航點的坐標及目標關鍵點的坐標；在當前坐標系中，運用余弦定理可解算糾偏角（圖4中角α）的補角（圖4中角β），進而得到糾偏角α，將角度轉為弧度絕對值；然后根據RTG前進方向，判斷其位于導航線哪一側的容限范圍內，在弧度絕對值前加上相應的符號（圖4（a）為正號的情況，圖4（b）為負號的情況）。將計算的弧度值和糾偏指令通過5G模塊發送到PLC控制系統的寄存器中，由寄存器通過運算，將糾偏值轉化為指令發送到編程控制器，再由控制器發送指令到RTG的輪胎電機，調整左右輪胎的角度（或調整左右輪的轉速，要根據轉向控制方式而定），實現調整 RTG前進姿態，從而控制 RTG完成轉向，偏離糾正流程如圖5所示。

圖4 糾偏角解算示意

圖5 偏離糾正流程

3.1.4 超限報警

RTG行走在行車線上并在容限范圍內時，本系統會自動對RTG進行糾偏操作，但是，當RTG超出了容限范圍，并且仍然沒有糾正軌道，說明自動偏離糾正功能出現故障，需要人工進行糾偏操作。當RTG的位置超出三級容限時，本系統在超限報警信息表中顯示超限位置的時間、級別、坐標信息，如圖6所示。

圖6 超限報警信息

同時本系統將立即發送指令給 PLC控制系統，控制RTG，停止前進，并啟動蜂鳴警報器，提醒工作人員RTG已偏離軌道，需要人工操作。

3.2 集裝箱裝卸功能

本系統設計輪胎吊集裝箱裝卸功能基于RTG吊具與集裝箱中心位置的關系實現。實現RTG的裝卸功能，首先要查詢裝卸任務，按照數據庫中的入庫表，使系統確定集裝箱的具體信息（海運提單號、位號、列號、層數、坐標）并在界面中顯示，在3D展示區域中，使這個集裝箱高亮顯示，輪胎吊智能運行 3D虛擬場景如圖7所示。

圖7 輪胎吊智能運行3D場景

利用 BDS導航定位技術，使 RTG?？吭诩b箱安放區塊的指定位置并調整姿態。由于已知集裝箱的坐標，安裝在RTG小車上的激光測距儀，可測出當前吊具與邊緣的距離，這樣利用兩個距離數據，在系統中就能計算出集裝箱與RTG小車之間的距離即列號，并利用層數信息推算吊具下降高度，將集裝箱信息與距離信息通過 5G模塊傳輸到PLC控制系統，控制吊具使其移動到被拾取集裝箱的正上方，利用高度信息準確拾取集裝箱，完成集裝箱裝卸功能。集裝箱裝卸流程如圖8所示。

圖8 集裝箱裝卸流程

3.3 任務調度

本系統的任務調度功能主要體現在集裝箱的裝卸流程上，在界面進行查詢集裝箱裝卸調度任務后，服務器的數據庫將任務發送到系統，由系統將任務轉化為PLC可識別的編碼信號，將其發送到PLC的寄存器中進行集中運算，從而控制RTG進行集裝箱裝卸，當任務中的集裝箱多于一個時，系統將每個集裝箱任務進行拆分，拆分成任務序列，并依次向PLC控制系統發送指令，從而完成所有任務，任務調度流程如圖9所示。

圖9 任務調度流程

4 結束語

本文融合 BDS、5G和 PLC編程技術，應用3D地理信息系統（geographic information system,GIS）開發方法，構建3D實時輪胎吊運行控制系統，為無人智慧港口建設提供技術支撐。經實驗證明，本系統應用BDS衛星導航技術，可實時發送定位數據，為港口輪胎吊導航控制提供有力保障，并利于研發具有自主產權的產品；5G通信速度快、穩定性強、安全性高，保證了遠距離指令傳輸的時效性；應用3D GIS開發技術構建控制系統，可在3D場景中直觀地遠程操控輪胎吊，具有較好的仿真效果。當前該系統還有待完善之處，如集裝箱防碰撞問題解決，結合射頻識別（radio frequencyIdentification, RFID）技術實現集裝箱智能快速識 別功能等將是進一步研究的內容。