一种港口货轮卸船机的自动防撞系统及方法 【技术领域】
本发明涉及港口的散货卸船技术，更具体地说，涉及一种港口货轮卸船机的自动防撞系统及方法。
背景技术
目前的港口中，靠港的矿料散货轮经常都在十几万吨级以上，大吨位货轮的每一个舱底都非常大，深度也在50米以上，相当于一个巨大的铁箱。在散矿料卸船作业的过程中，作业难度最大的是船舱底清舱。舱底4周由于矿料的压实，粘附形成坚实的料壁，另外舱底4周也是“死角”，卸船机的抓斗并不能很顺利地对矿料进行抓取，所以每次货轮清舱必须要将清舱机(推扒机)吊入船舱的底部进行局部清理推扒，将散矿料归堆居中后让卸船机的大抓斗来抓取。
但是目前出现的问题是，船舱内作业时经常尘埃满天，影响清舱机司机的视线，另外港口处又呈海洋性气候，迷雾天较多，会影响卸船机司机的操作视线和第三方的指挥人员的视线，他们更无法与舱底清舱机司机进行沟通交流，这一切都严重影响着生产安全的立体指挥。
针对以上的安全隐患，就需要一种报警防撞的安全装置，专利号为200420082441.2的散货清舱安全预警装置，阐述了一种卸船机上装的一种安全报警系统，其作用仅仅限于报警功能，其原理是通过检测钢丝绳的长度来间接判断卸船机的抓斗同清舱机械的距离是否构成对清舱机械的威胁，并利用声音报警来进行安全警告，其存在一下缺陷：
1、该装置在抓斗接近舱底时仅能提供报警作用，不能连锁阻止卸船机的抓斗与清舱机械碰撞；
2、该装置不能判断舱内是否有清舱机械在可能碰撞的范围内进行作业，只要舱内有清舱机械，无论其是否作业或在安全区域内作业，该装置都会报警，造成50％以上报警信号无效；
3、抓斗在高速下降，报警声音从开始到抓斗碰撞清舱机械时间极短，操作司机五官感知后并人工制动，时间极其有限，无法确保避免所有碰撞隐患。
【发明内容】
本发明的目的旨在提供一种港口货轮卸船机的自动防撞系统及方法，该系统和方法能有效的获取清舱机在船舱的位置，并能按照预定的设置进行报警和对清舱机以及卸船机进行安全控制。
一方面，本发明提供一种港口货轮卸船机的自动防撞方法，包括：
清舱机上安装一超声波发射器，用以发射超声波，卸船机驾驶室的预定位置分别安装有第一超声波接收器和第二超声波接收器，用以接收超声波；
根据发射和接收超声波的时间，分别计算超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离；
比较所述超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离，根据比较的结果判断所述超声波发射器所在的清舱机是否在安全区域，若不在安全区域则适时地向清舱机和卸船机的抓斗发出控制信号。
所述超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离之差在一预定范围之内，则判断所述超声波发射器所在的清舱机不在安全区域，同时向所述清舱机和卸船机的抓斗发出控制信号。
所述超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离之差不在一预定范围之内，则判断所述超声波发射器所在的清舱机在安全区域。
所述安装在每台清舱机上的超声波发射器发出的超声波均具有不同的调制码，所述清舱机与所述调制码匹配。
所述卸船机驾驶室安装有第一信息交换器，所述清舱机安装有第二信息交换器，所述第二信息交换器接收所述第一信息交换器发出的关于清舱机的控制信号。
一方面，本发明还提供了一种港口货轮卸船机的自动防撞方法，包括：
将超声波发射器安装在清舱机上，用以发射超声波，两个所述超声波接收器安装在卸船机驾驶室的预定位置，用以接收超声波；
建立所述卸船机系统的地理位置数据，并存储于存储单元中；
根据发射和接收超声波的时间，分别计算所述超声波发射器与所述两个超声波接收器的空间距离，并根据所述存储单元存储的地理位置数据确定清舱机在卸船机系统中的空间位置，按照预定设置的安全规则适时地向清舱机和卸船机的抓斗发出控制信号。
所述安装在每台清舱机上地超声波发射器发出的超声波均具有不同的调制码，所述清舱机与所述调制码匹配，所述调制码以及与所述清舱机的匹配信息均存储于所述存储单元中。
所述卸船机驾驶室安装有第一信息交换器，所述清舱机安装有第二信息交换器，所述第二信息交换器接收所述第一信息交换器发出的关于清舱机的控制信号。
所述自动防撞方法还包括图像化显示，所述清舱机在所述卸船机系统的空间位置以图形化的方式显示。
另一方面，本发明提供一种港口货轮卸船机的自动防撞系统，包括：
超声波单元，包括超声波发射器和接收器，所述超声波发射器安装在位于船舱底部的清舱机上，两个所述超声波接收器安装在卸船机驾驶室的预定位置；
存储单元，存储所述卸船机系统的地理位置数据；
控制单元，根据所述超声波单元发射和接收超声波的时间，分别计算所述超声波发射器与所述两个超声波接收器的空间距离，并根据所述存储单元存储的地理位置数据确定清舱机在卸船机系统中的空间位置，按照预定设置的安全规则适时地向清舱机和卸船机的抓斗发出控制信号。
所述安装在每台清舱机上的超声波发射器发出的超声波均具有不同的调制码，所述清舱机与所述调制码匹配，所述调制码以及与所述清舱机的匹配信息均存储于所述存储单元中。
所述控制单元包括控制主板、无线双向信息交换器，无线双向信息交换器包括第一信息交换器以及与之匹配的第二信息交换器，第一信息交换器安装于所述卸船机驾驶室，第二信息交换器安装于所述清舱机，控制主板通过第一信息交换器向第二信息交换器发出控制信号。
所述控制单元的控制主板通过卸船机的可编程控制器控制所述卸船机的抓斗。
所述两个超声波接收器对称的安装于所述卸船机驾驶室底部中线的两侧。
所述自动防撞系统还包括显示单元，所述显示单元安装在所述卸船机驾驶室，图形化显示所述清舱机在所述卸船机系统的空间位置。
采用了本发明的技术方案，由于本发明利用了超声波测距定位原理，而超声波具有在空气中传输不受光线、雨、雪、雾等气候影响以及矿粉飞扬的特性，所以本发明能快速有效的确定清舱机在船舱的位置，并以图形化的方式显示出来供司机参考；另外本发明还使用于多台清舱机工作的情况，每台清舱机均装有能发出不同调制码超声波的超声波发射器，调制码和清舱机的匹配信息存储在存储单元中，在控制单元的控制之下，可根据每台清舱机发出的超声波快速的分辨出每台清舱机的空间位置，当清舱机的位置处于危险的区域，本发明发出警报并对相应的清舱机和卸船机发出控制信号进行控制。
【附图说明】
图1是本发明的原理结构示意图；
图2是本发明的工作流程示意图；
图3是本发明的超声波单元安装示意图；
图4是本发明的超声波发射器和接收器的位置示意图；
图5是本发明在单台清舱机时的动态工作示意图；
图6是清舱机和卸船机抓斗的工作区域示意图；
图7是本发明在多台清舱机时的动态工作示意图；
图8是本发明的卸船机抓斗控制流程图；
图9是本发明在工作时的整体结构原理示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
这里先介绍一下卸船作业时的作业区划分，参见图6和图9，卸船作业就是当货轮靠港后，码头的卸船机的抓斗03从高处对货轮船舱12里的物料13进行抓取，而为了配合卸船机的抓斗03，常将清舱机04放入货轮船舱12的底部进行物料13的推扒，这样为了防止清舱机04和抓斗03碰撞，将整个作业的区域划分为清舱机安全作业区域和抓斗作业区域(也叫关路区)，本发明其中一个重要目的就是当清舱机04进入关路区时，发出报警并对清舱机04和抓斗03发出控制信号，以免发生碰撞。
一方面，本发明提供一种港口货轮卸船机的自动防撞系统，参见图1和图9，包括：
超声波单元20，包括超声波发射器和接收器，所述超声波发射器09安装在位于船舱12底部的清舱机04上，两个所述超声波接收器05、06对称安装在卸船机驾驶室02的底部中线的两侧，接收超声波发射器09发出的超声波。
存储单元40，存储所述卸船机系统的地理位置数据，所述地理位置数据包括整个卸船机系统各个相关部分的位置坐标，另外当船舱12底部的清舱机有多台时，所述安装在每台清舱机上的超声波发射器04发出的超声波均具有不同的调制码，所述清舱机与所述调制码匹配，所述调制码以及与所述清舱机的匹配信息均存储于所述存储单元40中，控制单元30会根据收到的超声波的调制码来分辨有几台清舱机并分别对其进行控制。
显示单元50，所述显示单元50安装在所述卸船机驾驶室02上，显示单元50在控制单元30的控制之下，图形化实时的显示所述清舱机04在船舱12中的空间位置。
控制单元30，包括控制主板(图中未标识)、第一信息交换器07以及与之匹配的第二信息交换器08，第一信息交换器07安装于所述卸船机驾驶室02，第二信息交换器08安装于所述清舱机04上，控制主板通过第一信息交换器07向第二信息交换器08发出控制信号。当超声波发射器09发出的超声波被两个超声波接收器05、06接收，根据所述超声波单元发射和接收超声波的时间，另外根据超声波传播的速度340米/秒，分别计算所述超声波发射器09与所述两个超声波接收器05、06的空间距离，再根据所述存储单元40存储的地理位置数据(其实就是坐标参照)确定清舱机04在卸船机系统中的空间位置。
由于整个卸船作业的区域划分为清舱机安全作业区域和抓斗作业区域(也叫关路区)，这些区域的地理坐标数据也存储在了存储单元40里，对此控制单元预先设置了这样的安全规则：当判断清舱机04进入“关区”时(如图7中的g)，控制单元30的控制主板立即对卸船机机组主控可编程控制器(PLC)输出控制参数，使卸船机的抓斗减速下降，同时通过第一信息交换器07向第二信息交换器08发出控制信号，以语音提示的方式提醒清舱机04的驾驶员避让；当卸船机抓斗03高度距清舱机04近至极限距离时，如清舱机04还没有避让出“关路”区时，控制主板会立即输出信号至卸船机机组主控可编程控制器(PLC)，迫使其受控抓斗03停止下降。直至“关路“区内无受控的清舱机，抓斗工作次序才照旧。详细控制流程请见图2和图8。以上的主要过程卸船机驾驶室02里的显示单元50也会以图形化的方式显示出来供司机参考。
下面介绍一下本发明的原理，参见图3和图4，b、c各为卸船机驾驶室2端平行的超声波接收器的二个点(解码连续)，d为卸船机驾驶室中心。由于b和c点的接收角度不一样，根据三角形计边原理使得a-b和a-c的距离也不一样。本发明就是应用三角形计距(边)原理：由b、c二点所接收同波的时间差，通过计算机处理换算成清舱机在船舱舱底内的方位和距离，从而区分出清舱机在作业区还是“关路”区。
参见图5，图5中的js相当于卸船机驾驶室的移动方向，底下的tb相当于舱底清舱机的移动方向，b-bn、c-cn表示经过一帧一帧“扫描”而得的三维立体图。由于卸船机的驾驶室在抓斗作业时是来回纵向运行，垂直线相当于舱底的“关路”区。舱底的清舱机顶上的超声波发射器不间断地向上发射超声波，此超声波又不断地被卸船机驾驶室二角的超声波接受器所接受，舱底清舱机顶的超声波不断地发射和卸船机驾驶室二角超声波接受器的来回移动实际上起到了双向的、即时动态的“扫描”作用。通过计算机的高速处理后迅速一帧一帧地计算出清舱机与卸船机驾驶室的距离，根据三维图像合成就可以迅速显示舱底的清舱机作业“位置”。
参见图7，当舱底有2台以上的清舱机作业时，以单个清舱机不同的调制超声波发射就可以区别。卸船机驾驶室二角的超声波接受器接受后，根据各组调制解码所得的参数，经过计算机处理后立即可以得出舱底有几台作业机械，经过来回“扫描”后迅速可以得出“关路”区域中有否清舱机的结论。图7的g和a分别是舱底清舱的清舱机，它们各自不同的调制超声波同时被卸船机驾驶室二角的超声波接受器接受，并且不断地被控制单元30解码、区别、控制。
另一方面，本发明提供一种港口货轮卸船机的自动防撞方法，包括：
清舱机上安装一超声波发射器，用以发射超声波，卸船机驾驶室的预定位置分别安装有第一超声波接收器和第二超声波接收器，用以接收超声波；所述安装在每台清舱机上的超声波发射器发出的超声波均具有不同的调制码，所述清舱机与所述调制码匹配。
根据发射和接收超声波的时间，分别计算超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离；
比较所述超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离，根据比较的结果判断所述超声波发射器所在的清舱机是否在预定设置的安全范围，若不在安全范围则适时地向清舱机和卸船机的抓斗发出控制信号。作为实施例，所述超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离之差在一预定范围之内，此时说明超声波发射器所在的清舱机距离卸船机下方较近，就可以判断所述超声波发射器所在的清舱机处于危险区域(有可能与卸船机的抓斗相碰撞)，此时要向所述清舱机和卸船机的抓斗发出控制信号，使清舱机远离危险区域，也使抓斗放慢速度，以防止碰撞。同样道理，如果所述超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离之差不在一预定范围之内，则判断所述超声波发射器所在的清舱机在安全区域。所述的一预定范围是根据整个卸船机系统的地理位置数据以及超声波发射器与所述第一超声波接收器和第二超声波接收器的空间距离变化所确定的，本发明就是应用三角形计距(边)原理：由图3和图4中的b、c二点所接收同波的时间差，通过计算机处理换算成清舱机在船舱舱底内的方位和距离，从而区分出清舱机在作业区(安全区域)还是“关路”区(危险区域)。
所述卸船机驾驶室安装有第一信息交换器，所述清舱机安装有第二信息交换器，所述第二信息交换器接收所述第一信息交换器发出的关于清舱机的控制信号。按照预定设置的安全规则通过第一信息交换器传递给第二信息交换器关于清舱机的控制信号，另外将控制信号发送至卸船机系统的主控可编程控制器(PLC)，以驱动抓斗动作。
注意，以上所述的一种港口货轮卸船机的自动防撞方法的具体实现过程和原理相同和类似于上文所述的一种港口货轮卸船机的自动防撞系统，故在此不再赘述。
另一方面，本发明还提供一种港口货轮卸船机的自动防撞方法，包括：
将超声波发射器安装在清舱机上，用以发射超声波，两个所述超声波接收器安装在卸船机驾驶室的预定位置，用以接收超声波；所述卸船机驾驶室安装有第一信息交换器，所述清舱机安装有第二信息交换器，所述第二信息交换器接收第一信息交换器发出的控制信号。
建立所述卸船机系统的地理位置数据，并存储于存储单元中；
根据发射和接收超声波的时间，分别计算所述超声波发射器与所述两个超声波接收器的空间距离，并根据所述存储单元存储的地理位置数据确定清舱机在卸船机系统中的空间位置，按照预定设置的安全规则通过第一信息交换器传递给第二信息交换器关于清舱机的控制信号，另外将控制信号发送至卸船机系统的主控可编程控制器(PLC)，以驱动抓斗动作。
当清舱机有多台工作时，所述安装在每台清舱机上的超声波发射器发出的超声波均具有不同的调制码，所述清舱机与所述调制码匹配，所述调制码以及与所述清舱机的匹配信息均存储于所述存储单元中。
作为一实施例，所述自动防撞方法还包括图像化显示，所述清舱机在所述卸船机系统的空间位置以图形化的方式显示。
本发明提供一种港口货轮卸船机的自动防撞方法具体的工作过程和原理相同和类似于所述的港口货轮卸船机的自动防撞系统，在此不再赘述。
下面通过一个具体的实施例来减少一下本发明工作过程：
参见图9，图中的01是卸船机大车机房，10是抓斗的钢丝绳筒卷机，11是卸船机机组主控PLC，02是卸船机驾驶室，05、06是卸船机驾驶室底下二角的超声波接受器，07是本发明安装在卸船机上的第一无线双向信息交换器，03为卸船机大抓斗，12是船舱，13为船舱舱底内的矿物料，04为清舱作业的清舱机(推扒机)，09为安装在清舱机顶上的超声波发射器，08是安装在推扒机上的第二无线双向信息交换器，14是抓斗放料斗仓，15是地面输送带机组，16是显示单元50的的摄像机。
工作进程初始时清舱机04顶上超声波发射器09连续不断地向上发射定向超声波，同时清舱机04上的无线双向信息交换器08也和卸船机上的无线双向信息交换器07进行数据交换，清舱机04编制以不同的超声波调制码来定性，卸船机上的控制主板根据接收来的超声波信息以及无线双向信息交换器的数据交换，立即可判别出舱底下的清舱机04方位。鉴别其是否在“关路”区还是在安全区，是由控制主板原先根据舱底大小和作业需要设定的。如果无安全隐患卸船机上主控器会通过无线双向信息交换器通知下方可以作业。如果舱底下的清舱机04不经意进入了“关路”区；卸船机上的控制主板根据超声波接收器05、06接收来的信息会立即检测出区域危险状态，从而通过11卸船机机组主控PLC自动减慢大抓斗03的下降速度，如果大抓斗03本来就在舱下面的极限度会自动停止动作。同时；卸船机上的本发明主控器立即通过无线双向信息交换器07通知下方08避让。
同理：当舱底有二台以上清舱清舱机04作业时，由于各台清舱机04是以不同的超声波调制码来决定的，卸船机上主控器存储有各台清舱机04编制的信息，只要接收信息对码就可以确定“户口”，并且可以分别通过超声波发射和接收角的测算，使卸船机主控板立即检测出那一台清舱机04进入危险的“关路”区，并发出同样的禁止令。
当一些新的清舱设备，或者其他原因编制还没有输入卸船机主控板数据库的清舱机，由于特殊情况需要紧急投入使用时(但是必须要装超声波发射器以受控)；由于舱底清舱机04的超声波发射基频都是一致的，所以同样会给卸船机上的超声波接收器接收；此时主控器的鉴定为没编制的清舱机入舱，并且同样给定各台没编制的清舱机统一的“回避”和“许可”指令。
本发明的显示单元是辅助系统，是对舱底监控的备用设备，可以同时工作，也可以在超声波工作不确定时作进一步确认作鉴定作用。该套系统为松下电工的图像检测仪(MICRO-IMAGECHECKER A210/A110)，集光学、计算机、通信等多种技术为一体的高新技术产品。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围。