一 概述
　　1．前言
　　物流是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展最快的行業(yè)之一，如何實(shí)現(xiàn)高效、無(wú)故障的物流運(yùn)輸已經(jīng)成為整個(gè)物流行業(yè)發(fā)展的迫切需要。集裝箱運(yùn)輸碼頭作為國(guó)際貨運(yùn)最主要的手段之一，如何提高集裝箱運(yùn)輸效率已成為全球各港口非常關(guān)心的問題。
　　2．問題的提出
　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)際上大港口集裝箱運(yùn)輸平均效率為25-27次/小時(shí)，對(duì)于HIT、YICT等自動(dòng)化程度高、配套設(shè)施齊全的港口，操作效率最高可達(dá)到35次/小時(shí)，平均操作效率為32-33次/小時(shí)。隨著國(guó)際貨運(yùn)總量的急劇增長(zhǎng)，對(duì)集裝箱碼頭運(yùn)輸效率提出了更高的要求。
　　海岸吊車是港口集裝箱運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，它的主要作用是將各種規(guī)格不等的集裝箱從貨船上吊裝到集裝箱貨車上，或者將集裝箱貨車上的集裝箱吊裝到貨船上指定位置。目前貨車對(duì)位主要采用人工對(duì)位方式，即有專人站在車道上，對(duì)某類型貨車或海岸吊某位置進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)位，在確定的標(biāo)準(zhǔn)位置擺放標(biāo)志桿，在貨柜長(zhǎng)度和岸吊位置不變的情況下，以此標(biāo)志桿來(lái)進(jìn)行集裝箱對(duì)位。但是，當(dāng)海岸吊的位置發(fā)生變化，或者貨柜長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，需要重新進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)位，導(dǎo)致岸吊操作效率很低。
　　3．現(xiàn)存的解決方案
　　針對(duì)港口貨車對(duì)位存在的問題，已經(jīng)有幾種解決方案，以下做簡(jiǎn)單說(shuō)明：
　　(1)3D掃描方案
　　利用3D掃描頭將貨柜的立體形狀掃描后處理，判斷貨柜位置，控制貨車停到準(zhǔn)確位置，優(yōu)點(diǎn)：不管岸吊位置如何變化，或貨柜大小發(fā)生變化，掃描系統(tǒng)都可以自動(dòng)檢測(cè)新的位置，無(wú)需人為參與；缺點(diǎn)：一套系統(tǒng)至少需要3個(gè)掃描頭一起工作，但3D的掃描頭價(jià)格昂貴，不適合大量安裝。
　　(2)雪糕筒方案
　　利用安裝在車道一側(cè)一個(gè)小車的光線發(fā)生器發(fā)出一束光線，小車通過(guò)光線的反射與否，控制貨車停到準(zhǔn)確位置；優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，對(duì)位精度高；缺點(diǎn)：岸吊位置或貨柜大小發(fā)生變化，就需要重新確定一次標(biāo)準(zhǔn)中點(diǎn)，影響工作效率。
　　(3)激光線掃描方案
　　采用2D掃描頭，在一定高度對(duì)貨柜進(jìn)行切面掃描，以此判斷貨柜位置，控制貨車停到準(zhǔn)確位置；優(yōu)點(diǎn)：不管岸吊位置如何變化，或貨柜大小發(fā)生變化，掃描系統(tǒng)都可以自動(dòng)檢測(cè)新的位置，無(wú)需人為參與，價(jià)格適中；缺點(diǎn)：對(duì)不同車道的掃描時(shí)，需要人工切換。
　　二 測(cè)量原理
　　1．激光線掃描測(cè)量原理
　　

　　激光掃描頭工作時(shí)，在如上圖的范圍內(nèi)每隔0.25度發(fā)射一條光線，并接收光線的反射信息，每掃描一輪，就將這一輪的反射信息創(chuàng)建一組以掃描頭為原點(diǎn)的直角坐標(biāo)，并將該坐標(biāo)信息發(fā)送給控制器；控制器接收并處理這些數(shù)據(jù)后，就可以控制貨車停到正確位置了。
　　
　　三 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　1．?dāng)?shù)據(jù)采集與傳輸
　　激光掃描頭與掃描控制器之間通過(guò)高速RS422通訊實(shí)現(xiàn)連接，通訊速率達(dá)到115.2kbps。
　　激光掃描頭每隔0.25度發(fā)射一條光線，并接收光線的反射結(jié)果計(jì)算出一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如此每個(gè)掃描周期可以得到400個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，如果將這些點(diǎn)放在一個(gè)合適的直角坐標(biāo)系中，我們就可以看到一個(gè)貨柜車的近似形狀，可以看到貨柜的頂點(diǎn)，車頭等，控制器可以將這些關(guān)鍵點(diǎn)提取出來(lái)用以計(jì)算。
　　2．?dāng)?shù)據(jù)處理、分析與控制
　　掃描控制器接收激光掃描頭發(fā)送的信息后，經(jīng)過(guò)控制器內(nèi)置的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換算法、數(shù)據(jù)濾波處理算法等將這些數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為一幅關(guān)于貨車切面的圖形以及貨車關(guān)于參考位置的距離，和預(yù)先設(shè)定的貨車停車距離進(jìn)行比較，判斷貨車位置。
　　3．系統(tǒng)控制
　　由于激光掃描器每次掃描的結(jié)果都會(huì)有一定的誤差，因此控制器接收激光掃描器數(shù)據(jù)計(jì)算出的結(jié)果并不能直接作為控制輸出，必須送到PLC進(jìn)行累計(jì)消除誤差，同時(shí)PLC還要判斷貨柜車是否已接近停止點(diǎn)，已控制指示燈的閃爍，令司機(jī)可以提前減速停車。
　　4．操作與顯示
　　最終的結(jié)果會(huì)顯示到安裝在岸吊上的指示燈上，指示燈通過(guò)亮滅不同的方向燈，告訴貨車司機(jī)如何控制貨車停到正確位置，通過(guò)方向燈的閃爍，告訴司機(jī)貨車離正確位置的距離。
　　四 功能實(shí)現(xiàn)
　　

　　通過(guò)安裝在岸吊上的激光測(cè)量裝置不斷測(cè)量貨柜車的位置信息并實(shí)時(shí)發(fā)送給位置控制器分析，通過(guò)控制器內(nèi)置的控制軟件計(jì)算貨柜車當(dāng)前位置，同時(shí)控制信號(hào)燈的亮滅，貨柜車司機(jī)通過(guò)觀察信號(hào)燈的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在無(wú)人指揮的情況下自行定位貨柜車，提高貨柜車定位效率。
　　1．相關(guān)硬件
　　(1) 激光掃描器：安裝在海岸吊距離地面約20米的高度，水平安裝，根據(jù)水平滑動(dòng)軌道將掃描器移動(dòng)到貨車所在車道后，對(duì)貨車位置進(jìn)行連續(xù)掃描。掃描器特點(diǎn)：戶外安裝，防護(hù)等級(jí)IP67；測(cè)量精度高達(dá)0.25級(jí)。
　　

　　圖2 激光掃描器

　　 (2) 掃描控制器：安裝在海岸吊的控制柜中，主要特點(diǎn)：一次可連接2臺(tái)激光掃描器同時(shí)工作；內(nèi)置的運(yùn)算和控制功能，自動(dòng)計(jì)算出貨車所在位置；一定數(shù)量的輸入輸出接口，直接和外圍的控制系統(tǒng)連接，可指導(dǎo)海岸吊的對(duì)位。

　　圖3 掃描控制器

　　軟件結(jié)構(gòu)介紹：
　　數(shù)據(jù)處理與控制，由C＋＋編寫，程序可分為主程序模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸出模塊；系統(tǒng)工作時(shí)，主程序模塊先通過(guò)通訊將激光掃描頭數(shù)據(jù)采集回來(lái)并存儲(chǔ)，調(diào)用數(shù)據(jù)處理模塊分析數(shù)據(jù)，計(jì)算出貨柜車的長(zhǎng)度和當(dāng)前位置，再調(diào)用數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊將結(jié)果輸出，
　　軟件可實(shí)現(xiàn)的功能：
　　1、定位一個(gè)車道上單個(gè)20ft的貨柜；
　　2、定位一個(gè)車道上單個(gè)40ft的貨柜；
　　3、定位一個(gè)車道上單個(gè)45ft的貨柜；
　　4、定位一個(gè)車道上單個(gè)48ft的貨柜；
　　5、定位一個(gè)車道上兩個(gè)20ft的貨柜（指在同一貨柜車上的兩個(gè)20ft貨柜）；
　　6、分辨同一貨柜車上的兩個(gè)20ft貨柜，并定位距貨柜車駕駛室較近的20ft貨柜。
　　7、定位一個(gè)車道上兩個(gè)20ft的貨柜時(shí)，將計(jì)算兩個(gè)貨柜總長(zhǎng)度。
　　控制流程
　　這里以圖1三車道舉例說(shuō)明，當(dāng)貨柜車進(jìn)入第三車道,檢驗(yàn)員會(huì)將安裝在檢驗(yàn)員室內(nèi)的掃描控制開關(guān)切換到三號(hào)車道，這個(gè)信號(hào)被送到PLC，PLC依靠此信息令處于三車道的3號(hào)激光掃描頭進(jìn)入工作狀態(tài)，此時(shí)3號(hào)激光掃描頭就開始不斷將它掃描到的信息傳送到控制器進(jìn)行處理，控制器處理完相關(guān)信息后，控制指示燈的亮滅，貨柜車司機(jī)則通過(guò)觀察指示燈的亮滅來(lái)控制貨柜車的進(jìn)退，最終將貨柜車停到正確的位置。
　　
　　五 使用效果
　　

　　六 成功應(yīng)用實(shí)例
　　1．香港HIT碼頭
　　HIT在碼頭14號(hào)安裝了該套系統(tǒng)，系統(tǒng)共使用了兩套激光掃描器。
　　2．深圳YICT碼頭
　　YICT在碼頭21號(hào)岸吊安裝了該套系統(tǒng)，系統(tǒng)共使用了六個(gè)激光掃描器，以下是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的圖例：
　　

　　圖4 控制柜內(nèi)

　　圖5 激光掃描頭

　　圖6 每個(gè)車道上方都安裝有一個(gè)激光掃描頭

　　圖7 方向指示燈