港口装船机防碰撞系统
陈 聪
（秦皇岛港股份有限公司技术中心， 河北 秦皇岛 066002）
摘要： 为解决装船机作业过程中的碰撞问题，开发一种装船机防碰撞系统。该系统通过计算雷达发射波和接收波之间的时间差，分析出装船机与目标物的相对距离并给出告警信号，提示装船机司机进行障碍物的躲避，从而有效降低装船机作业中的碰撞风险，提高煤炭装船效率。
关键词： 港口；装船机；微波雷达；防碰撞系统
0 引 言
煤炭是我国主要能源之一，目前每天都有大量的货船在北方港口等待煤炭装船，加快煤炭装船作业效率对我国煤炭运输行业发展有着至关重要的意义。
装船机是散货码头装船时使用的大型机械，目前主要依靠操作人员手动进行大机行走、大臂俯仰和伸缩等动作。在移机、对舱和装船作业时，对操作人员来说，装船机的动作范围内是存在多处视野盲区的。因此，装船机的运行存在多处碰撞隐患。为了保证装船机的安全运行，防止意外碰撞事故的发生，需要设置防碰撞系统。
1 防碰撞系统总体设计
针对目前装船机作业过程中出现的问题，综合分析其工作特点，并结合操作人员经验，设计一套基于24 GHz微波测距雷达技术的装船机防碰撞系统。通过雷达对回波信号[1]的检测，并与发射信号相比较，得到脉冲或相位的差值，从而计算出发射波与接收波之间的时间差,再根据雷达波在空气中的传播速度,计算出装船机与目标物的相对距离。
1.1 系统构成
该系统采用模块化设计，分为大臂防撞和出料口防撞等2部分，由雷达探测器、图形化显示器、报警器等组成，见图1。单片机对雷达返回的数据信息进行分析，当距离小于设定值时发出报警。想要实现不同距离下的报警，只需要修改主控系统中的设定值即可。
图1 系统组成图
1.2 系统实现目标
1.2.1 实现装船机大臂防碰撞检测
在装船机工作过程中，大臂下压，有时会与船舷发生碰撞。为避免此类安全事故的发生，在易发生碰撞的地方安装2台雷达，用于检测该碰撞点的距离信息。
1.2.2 实现装船机溜筒和检修平台防碰撞检测
根据装船机的现场情况，确定几个有效的雷达探测点，在检修平台下方和两侧共计安装6台雷达，用于探测溜筒、检修平台与船舱盖之间的距离，防止碰撞事故的发生。
1.2.3 实现将所有雷达数据传输到主控设备进行分析
雷达通过DTB模块的RS485端口将所测距离信息等数据传输给主控设备，由主控PC对数据进行分析、判断，再通过软件的显示界面对雷达的各种数据进行展现，辅助装船机司机进行判断和操作。
1.2.4 实现主控设备与PLC之间的通信
主控设备安装在电气室机柜中，将经过处理的雷达信号转发给PLC，辅助装船机司机在操作过程中进行判断和控制。采用Delphi软件开发装船机防碰撞系统主控程序，并结合轻量级、可跨平台的SQLite数据库，实现设备状态检测、距离预警、距离告警、数据查询等功能。
2 系统原理
基于雷达的测距原理，优化雷达电路设计，排除现场噪声引起的回波干扰[2]，再通过数字信号处理器控制雷达发射机和接收机工作，并对信号进行处理，分析出障碍物位置信息。再将此位置信息发送给DTB模块，将雷达数据转换成标准RS485信号传送回主控PC,主控PC通过装船机防碰撞系统软件，对接收的雷达数据进行分析、处理：一方面在装船机防碰撞系统软件上及时显示；另一方面将处理后的障碍物位置信息通过协议转换器发送给装船机PLC。系统原理框图见图2。
图2 系统原理框图
微波测距雷达以调频连续波原理为基础，它区别于脉冲雷达，并因其探测近距离的优越性能而被广泛应用。其光速反射测量反应速度极快，且微波能量能很好地穿过非电介材质，测量精度不受雾、泡沫、粉尘、蒸汽和容器形状等因素影响。
微波测距雷达是利用电磁波遇到物体反射的原理来工作的。雷达主动发射特定频率的电磁波，覆盖雷达正前方的一定区域，在此区域内的具有一定体积的物体反射电磁波，反射的电磁波被雷达接收后经放大、处理，从而检测出目标。微波测距雷达工作原理示意图见图3。
图3 微波测距雷达工作原理图示意图
3 系统设计
根据装船机防碰撞系统对所测量数据的实时性要求，其主控系统软件每秒采集4次雷达数据，以保证数据的实时性和准确性。
3.1 大臂防碰撞设计
由于装船机大臂有时需要下压或移动，大臂与船舷之间的距离司机无法看到，其他辅助人员与司机之间的沟通如果不及时，就可能导致碰撞事故的发生，所以大臂防碰撞检测点应设置在船舷的上方，见图4。
图4 大臂防碰撞检测点
3.2 出料口防碰撞设计
在检修平台下方4个方向各设置1个雷达检测点。根据雷达的垂直方向发散角度，采用向外倾斜安装的方法，使4台雷达实现出料口周边的全覆盖。检修平台护栏两侧各安装1台雷达，用来检测溜筒与舱盖之间的距离。出料口防碰撞检测点见图5。
图5 出料口防碰撞检测点
装船机防碰撞系统通过雷达采集装船机各部位的数据并实时发送到上位机，从而实现装船机作业过程碰撞点距离状态的预警和告警、雷达设备的在线监测、碰撞点的数据检测等功能。该系统能够实时显示、存储和查询数据，为装船机司机提供实时的距离检测数据，辅助其进行判断和操作，有效避免装船机碰撞事故的发生。
4 系统功能
装船机防碰撞系统采用RS485通信方式与PLC控制器进行数据交换。当雷达检测器在设定范围内遇到障碍物时，系统通过人机交互界面自动显示出装船机防碰撞检测点与障碍物之间的距离，并给出不同的信号。
4.1 数据处理
雷达从测量值中，利用参数估值理论估计目标的位置、速度等运动参数，进行目标航迹处理，形成各种变换、校正、显示、报告或控制等数据。雷达的原始数据为模拟量，经接收系统转换为数字量。系统先利用数字信号处理器对中频信号进行采样，并对采样值进行FFT距离信息分析，然后将FFT分析结果上传至上位机，最后上位机利用Matlab软件对FFT分析结果进行显示。
通过计算雷达测距的重复性误差对其准确性进行校订。在1~10 m测距范围内测量10组数据，每组数据测量3次，根据雷达给出的实际参数求出目标的计算距离和平均误差值，从而达到校订雷达测距准确性的目的。
4.2 系统展示界面
系统展示界面共分为3部分：总体雷达安装位置展示、大臂防碰撞检测点展示、检修平台防碰撞检测点展示。系统展示界面截图见图6。
图6 系统展示界面截图
（1）障碍物位置。当某点的雷达探测器探测到障碍物时，系统界面上相应位置雷达探测器指标灯闪烁，提示司机有障碍物靠近。
（2）障碍物距离。系统界面上同步显示障碍物与防碰撞检测点之间的距离，司机可以直观地看到障碍物的位置，从而进行障碍物的躲避。
（3）报警/报警解除。当障碍物与防碰撞检测点之间的距离小于安全距离时，系统发出报警；反之，报警信号自动取消。
（4）PLC通信。系统采用RS485通信方式将雷达报警数据发送给装船机PLC，通过PLC的显示界面显示报警数据信息。
（5）日志管理/历史数据管理。系统具备日志、历史数据的管理、查询和导出功能，有助于分析装船机作业易碰撞点的数据，从而指导司机作业。
5 结 语
基于微波测距雷达技术的装船机防碰撞系统具有环境适用性强、测量精度高、能耗低等优点，目前已在秦皇岛港成功应用，系统运行状态良好，安全可靠，故障率低，可有效防止装船机作业过程中碰撞事故的发生，提高装船作业效率。
参考文献
[1]陈天琪,杨浩,戴志伟.24 GHz FMCW车载测距雷达系统设计[J].电子技术应用,2016,42(12):1-4.
[2]盛怀茂,李玉芳,夏冠群,等.FMCW 毫米波雷达中频滤波器的研究[J].红外与毫米波学报,2001(6):1-5.
相关链接：https://mp.weixin.qq.com/s/4fQls9JYsAJHTffxX1-peQ
