抓斗卸船机无人驾驶系统改造探讨

李志华 李香保 丁湧

摘 要：本文在了解发电厂卸煤码头情况的基础上，分析了无人驾驶改造项目的调研结果，探讨了抓斗卸船机无人驾驶改造的问题，并提出了工作的可行思路，改造卸船机实现操作自动化能节约人力、提高设备安全和卸船效率，减少依赖熟练司机的可能，为改造工作开展提供了参考依据。

关键词：抓斗卸船机；无人驾驶；卸煤码头；改造

0 引言

在发电厂卸煤码头的港池内一般都配备若干台桥式抓斗卸船机，工作方式大多采用手动操作，自动化程度不高。来煤方式多为码头自航船，卸船机司机通过手动将煤炭抓取送至卸料斗，利用皮带将煤输送至煤炭堆场，待舱底有少量余煤时，由人工将推耙机吊运至船舱，由人工操作推耙机和抓斗协作执行清舱任务。

1 存在问题及改造原因

1.1 存在问题。在发电厂抓斗卸船机是卸煤码头的主要装备，以司机操作模式为主，司机的熟练程度决定着卸船作业的安全与效率。司机操作中，要在位于船舱上方的司机室内俯瞰煤堆和船舱，由于视野受限，观察效果类似于二维平面，不易看清煤堆的起伏高低情况。控制抓斗抓料时司机要低头弯腰，争取抓满斗煤、防止煤堆塌陷埋没抓斗，以免船舱被碰到。工作强度很大，长时间卸船对司机耐力、体力和专注力是个挑战。一般连续几小时工作后，工作效率出现显著下降， 24 h三班倒的作业模式和连续的流程作业，导致司机的流动性很大，容易给电厂带来安全生产的隐患。同时，为了卸煤速度快司机常利用甩斗动作，导致粉尘在煤斗上方飞扬剧烈，对环保产生一定的压力，也造成了设备磨损和影响钢丝绳寿命。

1.2 改造原因。随着人工智能技术的发展，在恶劣工作环境或人工劳动重复的场合用机器取代人工是大势所趋。与其他起重设备比较，抓斗卸船机的电控系统配置较高，电控基础较好。对卸船机电控技术改造，采用扫描技术对物料和船舱三维重现，制定结合人工智能技术的抓斗规划和卸船规则，使卸船机实现无人驾驶是一个好思路。抓斗卸船机应用无人驾驶系统，能根本解决依赖熟练司机的问题、排除运行设备的安全风险、提高接卸船煤的效率，将司机从重复的高强度劳动中摆脱出来，同时着力推广人工智能在燃煤电厂的应用，不断提升技术水平，达到降本增效的目的。

2 改造可行性分析

2.1调研分析。为探讨卸煤码头上卸船机应用无人驾驶系统的情况，需要对发电厂（以甲公司为例）卸船机的无人驾驶项目展开调研，现场观看卸船机工作时无人驾驶的情形，并与一线技工、司机进行访谈。

2.1.1 项目背景。甲公司卸煤码头有两个5000 t级停靠泊位，配备3台桥式抓斗卸船机，均为四卷筒机械差动形式，从西向东沿码头按顺序排列，分别为1号、2 号、3号机，卸船机的下方布置双路皮带，卸船机可沿轨道在码头作业，卸船机单台起重量设计额定为20t，卸煤能力额定为800 t/h。卸船机用抓斗抓煤是从运煤船上抓取，运煤船在码头边上停靠，将煤送至卸煤斗后经皮带机沿地面输送至储煤场或原煤仓。其中卸船机3号改造后具有无人值守情况下自动卸船的功能。江面的自航船是卸煤码头的来煤方式，船型一般为5000～12000t的平底驳船，卸船采用抓斗方式，舱底剩余的少许余煤用，推耙机人工清舱。

2.1.2 系统概述。系统主要由大车雷达检测系统、视频系统、姿态感知与抓斗定位系统、物料雷达探测系统、数据通信系统、维护操作终端、检测位置系统构成。

第一，大车雷达检测系统。用于防撞的大车雷达安装于大车前方的陆侧和海侧门腿、大车后方的陆侧和海侧门腿。卸船机在自动作业时，利用安装在大车上的雷达进行探测和扫描，沿轨道方向实时检测障碍物与大车间的距离，控制系统结合障碍物的具体轮廓，经计算后分级处理碰撞综合风险：距离4 m之内启动二级警报，距离2 m之内启动一级警报，大车同时自动减速，防止碰撞事故发生。

第二，视频系统。视频系统是卸船机辅助自动监控的主要程序，采用高清摄像头，固定在几个关键位置上，视频信号采集完毕后汇总至机房内电气室的视频机柜里，视频信号输出至司机室、电气室、码头中控室的监控屏上。一是高清摄像头正向下装在卸船机大梁的中间，视角范围覆盖全部船舱，主要监控船舱内抓斗的卸料和抓料过程。二是高清摄像头装在卸船机卸料斗的斜上方，视角范围覆盖所有卸料区域，主要监控卸料时抓斗的姿态和卸料效率。三是高清摄像头装在卸船机大车前方横梁中间，视角范围覆盖码头的大车前进区域，主要监控大车沿码头前进时工作面或轨道上有无障碍，以及两路皮带在地面的运行和煤流状况。四是高清摄像头装在卸船机大车后方横梁中间，视角范围覆盖码头的大车倒退区域，主要监控大车沿码头倒退时工作面或轨道上有无障碍，以及两路皮带在地面的运行和煤流状况。五是视频系统机柜放在卸船机电气室的机房内，用于安装视频控制器、电源、控制键盘、监视器等，能监控四个摄像头所监控区域的实时视频信息。六是监视器装在卸船机的司机室内，能监控四个摄像头所监控区域的实时视频信息。七是码头的中控室可配备一台主机和监视器，监控四个摄像头所监控区域的实时视频信息。

第三，姿态感知与抓斗定位系统。姿态感知与抓斗定位系统的发射端设在抓斗上承重梁侧板的凹槽中，能提供给控制系统关于抓斗的实时位置坐标及姿态。系统的发射端供电采用充电电池组。系统接收端为无线方式，设在大梁尾端的钢丝绳滑轮改向旁边，可将发射端的信号接收，并利用有线与控制系统交换信息，接收端采用系统有线供电。

第四，物料雷达探测系统。探测物料的雷达装于卸船机大梁正中船舱之上的位置。驱动雷达的机构能确保抓斗小车向陆后侧远离大梁运行时能实时扫描，被抓斗抓过的船舱内的煤堆形状，并将煤堆的轮廓更新存至煤堆轮廓数据库。

第五，数据通信系统。自动卸煤无人驾驶系统的主控单元通过以太网与物料雷达探测系统、雷达防撞系统通信，通过高速总线与PLC系统、抓斗定位系统通信。卸船机外侧机房和中控室顶都装有一套无线通信设备和定向天线，用于码头中控室与卸船机间的视频信号无线通信。

第六，维护操作终端。电气室可配备一套维护操作终端，工程师检修时可维护和监控自动无人驾驶卸煤系统。司机室内的操作终端和电气室内的维护终端利用远程光纤连接，运行同步能实现以下作业：舱内煤堆轮廓的灰度图、3D 图显示、各机构运行的位置实时信息显示；对自动卸煤系统设置普通参数和高级参数；设置自动卸煤各环节的任务和流程；对抓斗开闭、起升、大车小车等单动双向操作；自动或人工模式切换；对自动卸煤全流程中控制停止/启动、继续/暂停；处理和显示故障、报警信息。

第七，大车检测位置系统。为使大车位置检测精确，增加PLC通信网络接口及绝对值多圈编码器，通过PLC实时发送卸船机的大车位置至主控系统。

2.1.3 作业流程。司机室内司机先切换操作模式为“自动”状态，再在终端上操作设置船舱深度、船体长度等作业参数，系统利用在卸船机大梁上安装的探测物料雷达，对煤堆轮廓和船舱的扫描信息进行建模、三维成像，计算分析后形成卸船的最佳作业方案。然后系统结合煤堆的当前形状特点，抓斗自动选择抓料点，自动控制抓料、闭斗、提升，运行是按系统规划的自动最佳路径，控制小车运行至卸料斗上方开斗卸料，然后控制抓斗返回舱内下一个点继续抓料，系统完成一个抓料卸料过程，系统这样周而复始循环，根据分层剥取卸船的方法完成自动卸船作业。

2.2 改造结果分析

2.2.1 改造后的结果。通过改造卸船机的自动无人驾驶卸煤，具有以下积极作用：第一，不改动原有的人工操作模式。卸船机运行中司机能在两种模式间自由随意切换，不会由于其中一种模式故障导致卸船机不能自动运行，且出现紧急情况也可迅速切换至手动作业状态，保证系统安全性。第二，卸料中若出现程序设定之外的堵煤等特殊情形，软件设置安全保护，可暂停抓斗继续抓料，真正减小了司机的工作强度。第三，通过观察卸船机的无人驾驶操作模式，这种模式基本能和人工操作效率持平。经过对比，卸船机一个循环平均用时与人工相仿，卸船机在自动状态下运行稳定，既能减少消耗易损件，避免卸船中出现扬尘现象，也能降低电气设备发生过载的概率。第四，卸船机的激光雷达，是无人驾驶改造主要的探测设备，软件算法可有效适应雨雪雾等恶劣天气，保证公司在卸煤码头的全过程接卸效率。第五，卸船机改造后能实现远程全自动操作，可以有效减小司机的工作强度。

2.2.2改造效果分析。通过现场调研，自动无人驾驶卸船的效果超出预期，抓斗的动作并非想像的那么呆板，抓料和卸料过程都十分流畅，接近人工操作的熟练程度，自动卸船效率差不多已经达到了熟练司机的水平，也防止了因司机身体、精神状态不好造成的效率下降问题。卸料斗出现堵煤是制约卸船机无人驾驶效果的主要问题之一，应当制订计划优化振动给料效果，彻底消除作业中的瓶颈。若公司只改造一台卸船机，减员增效将不是太明显，若改造多台并同时在煤码头中控室应用，将大幅降低司机劳动强度，基本可以减少约一半的人力成本。

3 结论

沿江发电厂的煤船一般体量较小，多为千吨轮，卸船机抓斗的额定卸煤量和起重量较小，增加程序后不会出现运行不佳的情况。现场设置参数时要结合具体情况调整和优化，控制策略要结合系统具体情况来重构。卸船机投产后配备振动给料机能较好适应来煤的流动性，多数卸船机都有一定的来煤流动性要求。来煤流动性一般或较差的会明显影响自动卸船的工作效率。电厂码头有卸船机4台，全部一次改造完成投资回收期不长，一般约为3~5年左右，实施完成后能大幅减少卸船机的司机数量、降低对操作熟练程度司机的依赖，减少司机流动性大带来的生产隐患，劳动成本节约较大。若一次性投资所需资金较多，估计五百万元以上，会有一些风险因素，若只改造1台，则只能减小司机的劳动量、降低设备磨损，提高环保及安全性能，并没有明显经济效益。较为稳妥的方案是一台改造成功后，视运行情况再对其他卸船机改造，设置合理过渡期，兼顾智能化管理水平与生产的需要。

参考文献：

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