计算机远程控制系统在起重机管理中的运用分析
时间：2023-02-20 10:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
周传林
（湖北特种设备检验检测研究院宜昌分院 湖北 宜昌 443000）
目前，我国起重机管理过程中的计算机控制系统处于在作业现场进行控制的状态。随着我国信息化、科技化的发展，起重机管理中会受到空间和时间的限制，对于起重机管理中的信息交互无法远程获取及控制，因此本文通过运用计算机远程控制系统用来改善目前存在的问题，通过远程数据传输技术与起重机管理相结合，构建计算机远程控制系统，完成对于起重的管理，提高起重机作业的效率和稳定性。
远程控制是指在与被控制目标距离较远的位置，通过计算机设备使用网络通信技术与被控制目标（起重机）进行连接，并通过本地计算机对被控制目标（起重机）进行管理或维护的行为。计算机远程控制的基础是计算机与被控目标（起重机）的网络通信，在通信技术可以选取有线，或者无线的方式，但由于一般远程控制中两者相对较远，通常采用无线通信的方式，避免在使用有线通信中需要铺设长距离的网络传输线的问题。在通信协议上一般采取TCP/IP网络通信协议、UDP协议等。在远程控制系统中通常使用计算软件程序，软件程序通常由两部分组成：一部分是主控系统的客户端程序，另一部分是受控系统的服务器端程序[1]。使用时需要在主控系统中运行客户端程序，通过客户端向受控端发送控制信号，通过与受控系统的服务器端程序建立远程服务，再通过建立的远程服务，使用各种远程控制功能发送远程控制命令，控制受控系统中各种模块运行进而达到控制起重机的效果。
计算机远程控制系统在起重机管理的运用过程中，通过计算机远程控制中心和起重机设备系统的结合，计算机远程控制系统作为主控系统，起重机设备系统作为受控系统，并通过协议进行数据交换，实现计算机对起重机进行远程管理控制，通过计算机远程控制可以完成复杂的起重机管理[2]。
2.1 主控系统
计算机远程控制系统中主控系统的功能，主要是完成控制指令的输入，将被控制的起重机进行的操作及其反馈信息进行信息呈现，根据主控系统的框架可将控制结构分为三种，分别为集中式控制结构、分散式控制结构和递阶式控制结构，每种控制结构的优缺点如下。
2.1.1 集中式控制结构
集中式结构指的是在系统中建立一个控制中心，通过单一的控制结构完成对于各种信息的统一处理，所有的信息处理工作和下达控制指令工作均由单一的控制中心完成，可以完成全局控制[3]。整个控制结构较为简单，建立时较为方便，且信息处理的延迟较低，通过较低的信息处理延迟减少信息传输产生误差的概率。但正因该结构简单，为了获得较好的控制效果，在设备投入、安装工序等方面造价高昂，资源共享程度较低。
2.1.2 分散式控制结构
分散式结构指的是将整体的控制系统进行分化，分化出各个独立的子系统，各个子系统独立完成功能作用，从而使系统功能的复杂性降低。由于子系统的存在，各个子系统接收和处理的信息较少，反应较为迅速，能够缩短信息传输和处理的时间，且当子系统出现故障时不会使整个系统瘫痪，保证了整体系统的稳定性。但是由于各子系统各自工作，处于平行状态，没有上下级管理，在需要调整的时候难以进行有效的调整，且存在各子系统通信的滞后和互相干扰等现象。
2.1.3 递阶式控制结构
由递阶式控制结构形成主体系统的是最适合应用于起重机管理的系统。递阶式控制结构在分散式结构控制的基础上增设对子系统的控制，控制器作为子系统的上级，通过上级与上级之间的信息交换，完成对功能的协调、调配，然后再对下级子系统下达命令，完成相应的功能。递阶控制结构结合了集中控制结构和分散控制结构的优点，一方面可以实现对局部的控制，另一方面又能够对全局予以协调控制。
2.2 受控系统
受控系统主要为起重机设备系统，通过计算机对起重机作业现场进行控制和管理，并对工作现场的数据信息进行采集、反馈，根据具体应用包括受控中心、数据采集节点、中间控制节点等。利用软件或硬件使起重机设备系统中各个节点、设备发生作用，进而实现控制。
2.3 通信协议
在主控系统和受控系统通信的过程中，由于在搭建计算机远程控制系统中存在软件不同、硬件对于数据的通信要使用相关通信协议来实现数据之间的有效传输、共享。
计算机远程控制系统在起重机管理的运用过程中，通过计算机远程控制中心和起重机设备系统的结合，计算机远程控制系统作为主控系统，起重机设备系统作为受控系统，并通过协议进行数据交换，实现计算机对起重机进行远程管理控制，通过计算机远程控制可以完成复杂的起重机管理。本文以港口集装箱起重机管理为例进行计算机远程控制系统的应用研究。
3.1 远程控制中心构架
远程控制中心主要由操作控制系统、智能管理模块、辅助作业模块、设备监控模块以及指令交互模块组成，其构架图如图1所示。
3.1.1 操作控制模块
操作控制模块即远程控制中心的操作台，操作人员通过操作控制模块进行起重机管理指令的输入，完成指令的发布，还可以根据其他模块反馈回来的数据，对所需的起重机各类数据进行显示，完成对起重机状态的把控。
3.1.2 智能管理模块
智能管理模块是基于计算机控制系统的进阶应用，通过建立智能分析决策模块和知识数据库模块完成智能化管理，在智能分析决策模块中设立作业规划系统、任务绘画系统、数据分析系统和环境识别系统，这些系统通过自动调取知识数据库中的知识解决问题，可以通过知识数据库中保存的处理方法代替人工操作管理或者为操作者提供帮助[4]。
3.1.3 辅助作业模块
辅助作业模块的主要作用是将现场信息图形化处理，通过辅助作业模块将起重机作业现场的集装箱起始或目的地位置、吊物装载车辆的位置、起重机吊具的上升或下降速度、设备作业切换提醒等信息图形化，辅助操作人员根据现场信息对起重机进行管理。
3.1.4 设备监控模块
设备监控模块主要对起重机设备作业进行监控，主要包含视频监控子模块、广播子模块、设备运行信息监控模块。监控子模块通过摄像装置对现场的实际情况实行实时跟踪监控；
广播子模块完成操作台与现场的语音通信，实现对现场的调度、指挥等；
设备运行信息监控模块通过在起重机各部位设置传感器，如电机温度传感器、工作装置速度和压力传感器等，通过传感器反馈的数据对设备的工作状态进行监控。
3.1.5 指令交互模块
指令交互模块实现了操作台的输入指令和作业现场起重机指令交互，主要通过可编程控制器、通信子模块及调制器完成信息交互功能，指令交互模块是实现远程控制中心与现场起重机信息沟通、交流的桥梁。
3.2 起重机设备系统架构
起重机设备系统因使用于施工作业现场，所以起重机设备系统较为复杂，主要分为定位模块、目标检测模块、防撞击模块、固定模块系统及识别模块等，系统结构如图2所示。
3.2.1 定位模块
定位模块的主要用途是对起重作业现场中的起重机及其大车、小车和集装箱货车进行定位，在起重机的电机、卷筒等设施中加装传感器，通过传感器进行数据的采集及感应，然后信号传输至模块中，通过定位模块中设置的编码器等元件进行信号的转译工作，通过信号对比进行位置的精确校验，完成起重机定位，起重机大车指的是起重机桥架运行结构，起重机小车指的是起重机起升运行机构[5]。起重机大车、小车的定位基本原理与起重机的原理类似不再赘述。对集装箱货车定位则是通过激光扫描，在对起重机进行远程控制时，由远程控制中心的智能管理系统将集装箱货车的相关信息如集装箱货车的集装箱装载情况、装载的集装箱尺寸信息、货车所在通道传递给定位模块，定位模块通过激光扫描对集装箱货车进行轮廓扫描进而确定货车的实际位置，再将位置信息和目的地信息呈现给货车司机，货车司机根据导航操纵集装箱货车移动至目的地，全部信息通过计算机进行处理，通过对集装箱货车的定位、导航高效完成作业。
3.2.2 目标检测模块
目标检测模块主要通过扫描仪完成对集装箱的扫描和检测，通过在起重机小车上安装多个2D扫描仪，对大车、小车的运行方向进行扫描，通过相邻贝位的轮廓信息，完成可遇到的障碍数据计算，通过多个扫描仪的数据之间的相互校正，避免、减少单个扫描仪进行扫描作业时产生的数据误差，并将校正调整后的2D扫描数据集成为集装箱的3D轮廓数据，完成对集装箱的轮廓检测。在起重机小车上安装3D扫描仪，安装位置根据小车架平台的中心线而定。以港口集装箱起重机为例，在小车架平台海侧中心线前方和陆侧中心线的位置进行3D扫描仪的安装，扫描方向均为起重机大车行进的方向。扫描仪扫描集装箱海侧、陆侧边线，通过边线定位集装箱位置，对集装箱目标进行检测，进而完成对吊具起升高度的测量。再根据对上下集中箱的偏差扫描数据，经指令交互后由远程控制中心完成对起重机小车和起升机构的精准控制和管理[6]。
3.2.3 防撞击模块
在进行集装箱吊装时，由于集装箱数量较多，吊装运转路线复杂交错，因此为防止吊装途中发生集装箱撞击情况，需要进行防撞击设计，防撞击设计的主要原理是通过对不同起重机大车之间的距离进行把控，对于有相撞风险的大车进行运动控制，从而保障起重机作业安全[7]。通过实时共享大车位置，智能控制模块对每个起重机大车的位置进行把控，并通过对各个起重机大车相对距离进行判断，判断相对距离是否存在小于安全距离，当相对距离小于安全距离时则下达运动控制指令，制止相应大车的运行，从而避免出现集装箱撞击的现象[8]。
3.2.4 固定模块
由于进行起重作业时外界自然气候如风、雨等对集装箱的影响，和起升、转移过程中大车、小车速度的影响，和集装箱中货物惯性的存在，在集装箱吊装、转移时集装箱会发生倾斜、晃动等现象，因此需要对集装箱进行固定防止晃动[9]。通过图像采集系统进行实时状态检测，在检测的过程中由于集装箱的尺寸、大小不同等原因则难以对整个箱体进行准确测量，则需要设置标定物来进行检测[10]。通过在吊具上设置标定板，根据对标定板的实时检测，测量其运动时的偏移量和角度进而判断集装箱的状态，通过检测的数据由远程控制中心对起重机进行远程控制，通过调整吊具速度、位置等方式完成对集装箱的偏移校正，使整个集装箱起重、转移的过程平滑、稳定，减少集装箱的倾斜、晃动，从而保证吊装过程的安全性，保证集装箱中货物不受损坏[11]。
3.2.5 识别系统
识别系统主要作用是完成对集装箱的编号进行识别和对集装箱货车车号进行识别。通过对集装箱编号的识别可以明确作业任务的完成度，通过对集装箱车号进行识别可以帮助定位系统完成对集装箱货车的导航和引领[12]。通过在车道两侧安装图像采集设备，从集装箱的侧面对集装箱的编号进行识别，当自动识别系统出现问题时，还可以通过远程控制中心视频监控模块将视频进行呈现，通过人工识别记录，集装箱车号识别系统设置在车辆通道入口处，通过射频识别技术达到识别目的。
本文通过对计算机控制系统的定义、原理和构成进行阐述，并对计算机控制系统在起重机管理中的架构、组成及功能进行分析，基于此，对计算机远程控制系统在起重机管理中的运用进行了分析，希望可以通过对计算机远程控制架构的剖析，提高计算机远程控制系统的运行效果与起重机管理的契合度，从而提高起重机管理的高效性，进而提高起重机的工作效率。
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