EP3894349B1

EP3894349B1 - Container-verladeanlage und verfahren zur betriebsüberwachung darin

Info

Publication number: EP3894349B1
Application number: EP20718553.9A
Authority: EP
Inventors: David Moosbrugger; Andreas NATTER; Lars Ambrosy
Original assignee: Hans Kuenz GmbH; LASE Industrielle Lasertechnik GmbH
Current assignee: Hans Kuenz GmbH; LASE Industrielle Lasertechnik GmbH
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2024-01-03
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: WO2021175403A1; EP3894349A1; EP3894349C0; CN115003617A; CN115003617B

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Container-Verladeanlage und ein Verfahren zur Betriebsüberwachung mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.

Technischer Hintergrund

In einem Container-Terminal lädt eine Containerbrücke (engl. STS (Ship-To-Shore) Crane) genormte ISO-Container vom Schiff an Land, entweder direkt auf LKW, oder sie übergibt die Container an Transportfahrzeuge, insbesondere fahrerlose Transportfahrzeuge (AGV; Automated Guided Vehicle), die oft als Portalhubwagen ausgebildet sind und die Container automatisch aufnehmen und zu einem Bestimmungsort fahren. Die Fläche, auf der die AGV fahren, ist zur Sicherheit für Personen gesperrt.
Der Bestimmungsort kann z. B. ein landseitiges Zwischenlager sein, in dem schienengebundene Portalkräne (RMG; Rail Mounted Gantry) oder gummibereifte Portalkräne (RTG; Rubber Tyred Gantry) Container zur Zwischenlagerung abladen.
Innerhalb oder außerhalb des Portals gibt es Übergabespuren, über die Container angeliefert oder abgeholt werden. Die Übergabe erfolgt unter manueller Kransteuerung durch einen Kranführer.
Fahrzeuge für den Straßentransport von Containern gibt es als LKW mit oder ohne Anhänger sowie als Sattelkraftfahrzeuge bestehend aus einer LKW-Zugmaschine und einem wie ein normaler Sattelauflieger angehängten Containerchassis oder als Terminal-LKW mit Terminal-Anhänger. Bei einem Verladeauftrag für Straßentransport muss der Fahrer oder eine andere Person vor bzw. nach dem Be- oder Entladen um das Fahrzeug herum gehen und die Twistlocks am Fahrzeug entriegeln oder verriegeln. Bei einem Verladeauftrag mit Terminal-Anhänger muss der Fahrer kontrollieren, ob die so genannten IBCs (Inter Box Connectoren, die Container auf einem Schiff zusammenhalten) entfernt worden sind. Die Personen können sich frei in dem Raum unterhalb des Krans bewegen.
Die DE 10 2006 044187 A1 offenbart eine Container-Verladeanlage und ein Verfahren mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
Die EP 2 724 972 B1 offenbart eine Container-Verladeanlage und ein Verfahren zur rechnergestützten Bestimmung der Position, in der ein ISO-Container mittels eines Krans auf ein Trägerfahrzeug aufzusetzen ist, anhand einer die Oberseite des Trägerfahrzeugs repräsentierenden Wolke von Messpunkten, die durch Abtasten des Trägerfahrzeugs von oben aus einer Höhe von mindestens 5 Metern mit einem 3D-Laserscanner oder zwei im Abstand angebrachten 3D-Laserscannern gewonnen werden. Der vorgeschlagene 3D-Laserscanner ist aus einem 2D-Laserscanner gebildet, der mittels eines Servomotors schwenkbar ist und hier ein Laufzeit-Infrarot-Laserscanner mit einer Abstandsauflösung von ungefähr 10 mm ist. Diese Auflösung wird benötigt, um Twistlocks am Trägerfahrzeug zu identifizieren und lokalisieren und daraus Container-Zielpositionsdaten berechnen zu können.
Ein derartiges 3D-Laserscanning liefert ein im Wesentlichen vollständiges Abbild der Messszene in Form von relativ dichten dreidimensionalen Punktwolken.
Dieses und andere Verfahren ermöglichen es inzwischen, grundsätzlich auch die Krantätigkeit bei der LKW-Abfertigung weitgehend zu automatisieren, doch muss dabei unbedingt die Arbeitssicherheit gewährleistet sein, die bislang z. B. dadurch erreicht wird, dass der Kranführer einer Person im Arbeitsbereich wie z. B. einem LKW-Fahrer Funkkontakt hält und Anweisungen geben und empfangen kann.
Zur Überwachung des Gefahrenbereichs auf Personen, die sich beim automatischen Be- oder Entladen von Straßentransportfahrzeugen darin aufhalten, um nötigenfalls einen Alarm oder Notstopp auszulösen, kann man kamerabasierte Systeme mit Bildauswertung verwenden. Aufgrund von Unzulänglichkeiten solcher Systeme oder z. B. durch Sichteinschränkungen und/oder widrige Wetterbedingungen kann es jedoch zu falsch positiven oder falsch negativen Gefahrenerkennungen und in der Folge zu Personenschäden und entsprechenden Ausfallzeiten kommen. Daher ist es wünschenswert, Personen im Arbeitsbereich auf mindestens eine weitere Art erkennen und lokalisieren zu können und damit für besondere Redundanz zu sorgen.
In der Messpunktwolke eines 3D-Laserscanners zur Positionsbestimmung von Containern und LKW könnte man prinzipiell auch erkennen, ob irgendwo etwas im Weg steht, was dort nicht hin gehört, jedoch ist die Zeit, die es braucht, um einen derartigen relativ hoch aufgelösten Scan zu gewinnen, um mehrere Größenordnungen zu lang, um auch die Anwesenheit von Personen im Arbeitsbereich erkennen zu können, zumal wenn sie sich bewegen. Insbesondere müssen bislang verwendete 3D-Laserscanner als Ganzes von einer Position in die nächste gedreht werden, wo sie jeweils kurz stehen bleiben, um ein Schnittprofil zu gewinnen. Man könnte allenfalls erwägen, sehr viele einzelne 3D-Laserscanner zu verwenden, die jeweils nur einen kleinen Ausschnitt der Szenerie betrachten, doch würde so etwas den apparativen und rechnerischen Aufwand vervielfachen.

Kurzdarstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Arbeitssicherheit bei der Containerverladung mit akzeptablen Aufwand zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Container-Verladeanlage und ein Verfahren mit den in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung sind die Laserscanner von einem Typ, der dafür eingerichtet ist, die Arbeitsfläche gleichzeitig in mehreren voneinander beabstandeten Ebenen oder Linien abzutasten, wobei er einen Fächer von divergierenden Ebenen von Lichtstrahlen oder einen Fächer von divergierenden Einzel-Lichtstrahlen aussendet. Auf Höhe der Arbeitsfläche haben die Ebenen oder Linien einen Abstand voneinander, der in mindestens einer Richtung auf dem Boden, z. B. in Längsrichtung der Ladeposition und/oder quer dazu, größer als 10 und kleiner als 30 Zentimeter ist.
Außerdem gibt es eine Personenerkennungseinheit, die dafür eingerichtet ist, den oder die Laserscanner während eines Containerverladevorgangs mindestens einen Scan durchführen zu lassen, um eine Messpunktwolke zu gewinnen; in der so gewonnenen Messpunktwolke, z. B. durch Mittelwertbildung und/oder Eliminieren von Ausreißern, die Arbeitsfläche und die Ladefläche des Straßentransportfahrzeugs zu identifizieren; zu ermitteln, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen oder in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens zwei benachbarte mehr als 0,5 Meter oder alternativ mehr als 1 Meter über der identifizierten Arbeitsfläche oder der identifizierten Ladefläche liegende Messpunkte gibt, und wenn es mindestens einen derartigen Messpunkt gibt, ein Person-Wahrscheinlich-Signal auszugeben, welches anzeigt, dass sich an dem entsprechenden Ort wahrscheinlich eine Person befindet.
Außerdem gibt es eine Sicherheitseinrichtung, die dafür eingerichtet ist, die Kranbewegung zu verlangsamen oder zu stoppen, wenn das Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben wird, wobei zunächst oder zusätzlich ein Warnsignal ausgegeben werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeder der Laserscanner ein 3D-Multilayer-Scanner. Ein derartiger Scanner, auch 3D-Mehrebenenscanner oder 3D-Mehrschichtscanner genannt, ist im Handel erhältlich und ist z. B. in der EP 2 983 030 A2 beschrieben, welche offenbart, dass in vielen Anwendungen der Wunsch besteht, das Umfeld nicht nur in einer einzigen Ebene zu erfassen, insbesondere in mobilen Anwendungen, etwa bei führerlosen Fahrzeugen, wo die Anforderung besteht, den Boden mit Kanten und Absätzen ebenso zu erkennen wie Objekte, die in unterschiedlichen Höhen in den Fahrbereich ragen. Statt dreidimensionale Scanner zu verwenden, in denen der Sensor als Ganzes oder der Drehspiegel zusätzlich periodisch verkippt wird, genüge es, wenn nicht ein ganzer Raumbereich, sondern nur einige übereinander geschichtete Ebenen überwacht werden können.
Die Erfindung beinhaltet den neuen Einsatzzweck von Multilayer-Laserscannern, diese nicht zur Erkennung von Objekten zu verwenden, die mehr oder weniger horizontal vor dem Scanner liegen, indem die Scanebenen übereinander geschichtet sind, sondern zur Erkennung von Personen, die sich mehr oder weniger vertikal unter dem Scanner befinden, in Containerumschlagzonen, wobei die Scanebenen nebeneinander geschichtet sind. Anders als bei herkömmlichem 3D-Laserscanning erhält man nur ein unvollständiges Abbild der Messszene, was bei geeigneter Wahl der Abstände zwischen den Ebenen jedoch ausreicht, um zu erkennen, ob sich in der Messszene wahrscheinlich eine Person befindet oder nicht, und dieses Abbild der Messszene erhält man in einer sehr kurzer Zeit, die höchstens in der Größenordnung 1/10 Sekunde und oft noch viel weniger liegt, so dass auch die Erkennung von sich bewegenden Personen möglich ist.
Alternativ zu Multilayer-Laserscannern können für die Erfindung auch sog. 3D-Array-Scanner oder Flash-LiDAR-Geräte verwendet werden. Derartige Geräte besitzen ein Array von Laserdioden, die gleichzeitig einen Fächer von divergierenden Einzel-Lichtstrahlen aussenden, wobei sofort ein komplettes 3D-Bild zur Verfügung steht.
In bevorzugten Ausführungsformen ist nahe an einem Rand oder einer Ecke der Arbeitsfläche eine z. B. 2 x 2 Meter messende Personenaufenthaltszone auf der Arbeitsfläche markiert, und die Sicherheitseinrichtung erlaubt Kranbewegungen nur dann, wenn für die Personenaufenthaltszone, aber nicht für die übrige Arbeitsfläche ein Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben und damit detektiert wird, dass sich in der Personenaufenthaltszone, aber nicht in der übrigen Arbeitsfläche eine Person befindet.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Arbeitsfläche in mehrere Zonen unterteilt, nämlich mindestens in eine innere Zone, die mindestens die Ladeposition umfasst, d. h. entweder der Ladeposition entspricht oder größer ist, und eine äußere Zone, die sich um die innere Zone herum erstreckt und daran angrenzt. Während eines Containerverladevorgangs werden mehrere zeitlich aufeinander folgende Scans durchgeführt, und wenn mindestens ein mehr als 0,5 Meter (oder alternativ mehr als 1 Meter) über der identifizierten Arbeitsfläche oder der identifizierten Ladefläche liegender Messpunkt ermittelt wird, wird ein Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben.
Zusätzlich wird geprüft, ob sich der Ort eines derartigen Messpunktes in der Messpunktwolke mit der Zeit ändert. Wenn ja, kann ein Bewegte-Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben werden.
Je nachdem, für welche der beiden Zonen welche der beiden Arten von Signalen ausgegeben werden, wird die Kranbewegung verlangsamt oder gestoppt. Dabei können Ort und Größe der Zonen, in die die Arbeitsfläche unterteilt ist, während des Betriebs der Anlage dynamisch geändert und an Ort und Bewegungsrichtung eines gerade verladenen Containers angepasst werden.
Anders als bei herkömmlichen Sicherheits- und Kollisionsvermeidungssystemen muss somit nicht sofort ein Not-Aus erfolgen, sondern es kann eine stufenweise Reaktion erfolgen, z. B. zunächst eine bloße Warnung, wenn erkannt wird, dass sich eine Person der äußeren Zone nähert, dann ein langsameres Arbeiten des Krans, wenn die Person in die äußere Zone eintritt, und ein Not-Aus erst dann, wenn die Person in die innere Zone eintritt.
Bei dem Verfahren zur Betriebsüberwachung einer Arbeitsfläche auf einem Boden unterhalb eines Containerkrans, wobei aus einer Höhe über dem Boden, die ein Mehrfaches der Höhe eines ISO-Containers übersteigt, während eines Containerverlade-, -absetz- oder -anhebevorgangs ein oder mehrere 3D-Laserscanner die Arbeitsfläche in drei Dimensionen von oben abtasten gelassen werden, werden gemäß der Erfindung der oder die Laserscanner die Arbeitsfläche mit einem Fächer von divergierenden Ebenen von Lichtstrahlen oder einem Fächer von divergierenden Einzel-Lichtstrahlen gleichzeitig in mehreren voneinander beabstandeten Ebenen oder Linien abtasten gelassen, um eine Messpunktwolke zu gewinnen, wobei die Ebenen oder Linien auf Höhe der Arbeitsfläche einen Abstand voneinander haben, der so bemessen ist, dass eine auf der Arbeitsfläche stehende Person von mindestens einer Ebene von Lichtstrahlen oder mindestens einem der Einzel-Lichtstrahlen getroffen wird. In der so gewonnenen Messpunktwolke wird zunächst die Arbeitsfläche identifiziert. Danach wird ermittelt, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen oder mehrere Messpunkte gibt, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche stehende Person typisch sind. Wenn es einen oder in bevorzugten Ausführungsformen mindestens zwei benachbarte derartige Messpunkte gibt, wird die Kranbewegung verlangsamt oder gestoppt.
In bevorzugten Ausführungsformen werden Kranbewegungen nicht verlangsamt oder gestoppt, sondern bleiben erlaubt, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche stehende Person typisch sind, für einen vorbestimmten Bereich am Rand der Arbeitsfläche, aber nicht für einen zentralen Bereich der Arbeitsfläche ermittelt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen sind innerhalb der Arbeitsfläche mehrere Zonen definiert, nämlich mindestens eine innere Zone direkt unterhalb eines am Kran hängenden Containers sowie eine äußere Zone, die sich um die innere Zone herum erstreckt und daran angrenzt. Kranbewegungen werden nur dann erlaubt, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche stehende Person typisch sind, nicht in der inneren oder der äußeren Zone ermittelt werden. Kranbewegungen werden verlangsamt, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche stehende Person typisch sind, in der äußeren und nicht in der inneren Zone ermittelt werden. Kranbewegungen werden gestoppt, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche stehende Person typisch sind, in der inneren Zone ermittelt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1: zeigt eine schematische Seitenansicht eines unteren Teils eines schienengebundenen Portalkrans, in dem sich eine Arbeitsfläche am Boden eines zu überwachenden Arbeitsraums befindet;
Fig. 2: zeigt eine schematische Draufsicht auf die Arbeitsfläche von Fig. 1;
Fig. 3: zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Arbeitsfläche unter einem Containerkran mit dynamisch veränderlichen Zonen; und
Fig. 4: zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahren zur Betriebsüberwachung einer Arbeitsfläche unterhalb eines Containerkrans.

Detaillierte Beschreibung

Für die Verladung von Gütern im Bereich (Portal) eines Ship-to-Shore-Krans (STS-Kran) in Containerhäfen ist die Tätigkeit von Menschen erforderlich. Das können z. B. Einweiser für LKW sein, oder auch Personen, welche die so genannten IBCs (Inter Box Connectoren, diese halten übereinander stehende Container auf einem Schiff zusammen) von den Containern entfernen, bevor diese auf den Boden oder auf ein LKW-Chassis gestellt werden. Diese Personen können sich frei im Portalbereich bewegen. Durch Sichteinschränkungen, Unachtsamkeit und/oder widrige Wetterbedingungen kann es beim Absetzen oder Aufnehmen der Last zu Personenschäden und damit zu Ausfallzeiten kommen.
Um Unfälle mit Personen zu verhindern, wird ein redundantes System zur Objekterkennung und -verfolgung in einem definierten Arbeitsraum vorgeschlagen. So kann der Aufenthaltsort jeder Person im Gefahrenbereich bestimmt und in einem Gefahrenfall z. B. die Hubwerksfunktion des Krans gestoppt werden. Das System ist in der Lage, Personen im Arbeitsraum während des Verladens von Containern zu erkennen, zu lokalisieren und kontinuierlich deren Position an die Kransteuerung zurückzugeben.
Fig. 1 zeigt einen unteren Teils eines Containerkrans, hier eines RMG-Portalkrans 1, der auf Schienen auf einem Boden 2 eines Hafens oder sonstigen Containerumschlagplatzes fahren kann und der eine Verladeanlage oder einen Teil davon bildet. Unterhalb des Portalkrans 1 befindet sich am Boden 2 eine Arbeitsfläche 3, die in Fig. 2 von oben gezeigt ist, im gleichen Maßstab wie in Fig. 1. Auf der Arbeitsfläche 3 ist mindestens eine längliche Ladeposition 4 (Fig. 2) für einen LKW 5 oder dergleichen markiert. Der LKW 5 hat eine Ladefläche 5a und ein Führerhaus 5b.
Alternativ kann der Containerkran auch ein RTG-Kran oder ein STS-Kran sein.
Der zu überwachende Arbeitsraum, in dem sich Personen aufhalten können und dürfen, kann z. B. ein Quader sein, der von dem Boden 2 sowie von je zwei Vertikalstützen 6, 7 und Querträgern 8 des Portalkrans 1 begrenzt wird. Zum Beispiel bei weit auseinander stehenden Vertikalstützen 6, 7 kann der zu überwachende Arbeitsraum aber auch kleiner sein und sich oberhalb einer Arbeitsfläche 3 erstrecken, die nicht ganz bis zu den Stützen reicht, wie z. B. in Fig. 2, welche die Situation von Fig. 1 in gleichem Maßstab in Draufsicht zeigt.
In dem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Arbeitsfläche 3 zwischen den Vertikalstützen 6, 7 des Portalkrans 1. Bei anderen Typen von Containerkränen, etwa einem sog. Cantilever-RMG-Kran, der Container über die Seite absetzt, oder bei einem STS-Kran, kann die Arbeitsfläche auch ganz oder teilweise außerhalb der Kranstützen liegen, bei einem STS-Kran in dessen sog. Backreach-Bereich.
In einer Höhe über dem Boden 2, die ein Mehrfaches der Höhe eines ISO-Containers übersteigt, wie er in Fig. 1 als ein von oben kommender Container 9 angedeutet ist, sind zwei 3D-Laserscanner 10 montiert, die dafür eingerichtet sind, den Arbeitsraum zu überwachen, indem sie die Arbeitsfläche 3 einschließlich des darauf stehenden LKW 5 in drei Dimensionen von oben abtasten.
Insbesondere befindet sich je ein 3D-Laserscanner 10 in einer Höhe von z. B. 10 oder 20 Meter nahe an einer vorderen linken Vertikalstütze 6 und an einer hinteren rechten Vertikalstütze, die von der in Fig. 1 sichtbaren vorderen rechten Vertikalstütze 7 verdeckt wird, also nahe an zwei diagonal stehenden Vertikalstützen 6, 7, so dass die 3D-Laserscanner 10 senkrecht über zwei diagonalen Ecken der Arbeitsfläche 3 liegen, wie in Fig. 2 angedeutet. Dabei liegen die zwei 3D-Laserscanner 10 weiter auseinander als die Diagonale der markierten Ladeposition 4 misst.
Die Laserscanner 10 sind jeweils ein 3D-Multilayer-Scanner oder alternativ ein 3D-Array-Scanner oder Flash-LiDAR-Gerät. Die Laserscanner 10 können - wie in diesem Ausführungsbeispiel - zweckmäßig am Kran befestigt sein, doch sind auch Ausführungsformen möglich, in denen die Laserscanner auf Pfeilern oder Lichtmasten befestigt sind, die auch schon auf dem Betriebsgelände vorhanden sein können, sofern diese nahe genug an der Arbeitsfläche liegen und die Krantätigkeit nicht behindern. In jedem Fall werden die Laserscanner 10 die Arbeitsfläche 3 jedenfalls überwiegend nicht genau von oben, sondern mehr oder weniger schräg von oben abtasten.
Die Laserscanner 10 sind außerdem so ausgelegt und orientiert, dass sie die ganze Arbeitsfläche 3 - mit Ausnahme der durch zwischen den Ebenen oder Linien der Laserscanner 10 vorhandenen Lücken - vollständig überwachen können, wobei jeder der beiden Laserscanner 10 für eine von zwei L-förmigen Teilzonen 11, 12 verantwortlich ist, die sich zu einem der Arbeitsfläche 3 entsprechenden Rechteck um die Ladeposition 4 herum ergänzen. Dadurch wird eine Abschattung von Teilen der Arbeitsfläche 3 durch den LKW 5 oder einen darauf stehenden oder vertikal darüber hängenden Container 9 vermieden. Im Falle von 3D-Multilayer-Scannern verlaufen die Scanebenen bevorzugt parallel zur Längsrichtung der Ladeposition 4.
Die oben beschriebene Verladeanlage kann anstelle des Portalkrans 1 auch einen anderen Kran wie z. B. eine Containerbrücke aufweisen, welche Container vom Schiff direkt auf LKW oder umgekehrt befördert. In einem derartigen Fall können LKW-Fahrspuren und LKW-Ladepositionen quer zum Kai oder in Längsrichtung dazu verlaufen.
Im Betrieb der in Figuren 1 und 2 gezeigten Container-Verladeanlage lässt eine Personenerkennungseinheit die Laserscanner 10 während eines Containerverladevorgangs laufend Scans durchführen, z. B. jede Sekunde oder jede zehntel Sekunde einen. Im Prinzip genügt eine Messpunktwolke, in der der Boden 2 bzw. die Arbeitsfläche 3 und sowie die Ladefläche 5a des LKW 5 identifiziert werden.
Dies könnte rechnerisch auf verschiedene Arten geschehen, die grundsätzlich äquivalent sind. So könnte man alle Messpunkte, die außerhalb der vorbekannten Umrisse der Ladeposition 4 liegen, als die Arbeitsfläche 3 bildend ansehen, und die Ladefläche 5a des LKW 5 gewinnt man dann, indem man von den innerhalb der Umrisse der Ladeposition 4 liegenden Messpunkten nur solche auswählt, die in einer dafür typischen Höhe über dem Boden 2 liegen, also etwa 1 Meter über dem Boden 2. Dies eliminiert auch Messpunkte, die vom Führerhaus 5b des LKW 5 stammen. Alternativ könnte man den Arbeitsraum in viele virtuelle Quader mit an die Auflösung der Laserscanner 10 angepassten Abmessungen unterteilen, und die Oberseiten aller Quader, in die ein Messpunkt fällt, nimmt man dann als das Profil des Bodens der Arbeitsfläche 3 und der Ladefläche 5a des LKW 5, nachdem man Quader eliminiert hat, die leicht erkennbar das Führerhaus 5b repräsentieren.
Anschließend wird ermittelt, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen mehr als 0,5 Meter über der identifizierten Arbeitsfläche oder der identifizierten Ladefläche liegenden Messpunkt gibt, oder äquivalent dazu, ob es einen obersten Quader gibt, der mehr als 0,5 Meter darüber hinaus ragt. Statt einer Mindesthöhe von 0,5 Meter könnte man auch eine andere Mindesthöhe nehmen, ab der Messpunkte berücksichtigt werden, z. B. 0,7 oder 1 Meter.
Wenn es einen derartigen Messpunkt oder Quader gibt, wird ein Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben, welches anzeigt, dass sich an diesem Ort wahrscheinlich eine Person befindet. Zusätzlich kann ein Gegenstand-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben werden, wenn es einen Messpunkt oder Quader gibt, der weniger als 0,5 Meter, aber z. B. mehr als 30 Zentimeter über der identifizierten Arbeitsfläche oder der identifizierten Ladefläche liegt, da in diesem Fall wahrscheinlich irgendein Gegenstand auf dem Boden oder auf der Ladefläche liegt, der dort nicht hin gehört und z. B. eine Stolperfalle oder ein Absetzhindernis darstellt.
Wird ein Person-Wahrscheinlich-Signal oder Gegenstand-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben, sorgt eine Sicherheitseinrichtung dafür, dass die Kranbewegung stoppt, und sendet eine Aufforderung an einen Steuerstand bzw. an den Kranführer und/oder an den LKW-Fahrer, die Situation zu klären.
Somit darf sich der LKW-Fahrer in diesem Ausführungsbeispiel nicht auf der Arbeitsfläche 3 befinden, damit die Verladung zügig durchgeführt wird. Er darf sich jedoch im Führerhaus 5b des LKW 5 oder außerhalb der Arbeitsfläche 3 befinden.
In einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels oder nachfolgend beschriebener Ausführungsbeispiele ist oder wird der Fahrer dazu angehalten, sich vor dem Verladevorgang in eine ca. 2 x 2 Meter messende Personenaufenthaltszone 13 zu begeben, die in einer Ecke der Arbeitsfläche 3 auf dem Boden markiert ist, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Die Krantätigkeit wird nur solange erlaubt, wie mittels der Laserscanner 10 erkannt wird, dass sich wahrscheinlich eine Person in der Personenaufenthaltszone 13 befindet, aber nicht auf der Arbeitsfläche 3 oder auf der Ladefläche 5a des LKW 5.
In einer Weiterbildung dieses Ausführungsbeispiels oder nachfolgend beschriebener Ausführungsbeispiele wird zusätzlich ermittelt, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen oder mehrere Messpunkte gibt, der oder die für den LKW 5 und insbesondere für dessen Führerhaus 5b typisch sind und deren Orte in der Messpunktwolke sich mit der Zeit ändern. Daran kann erkannt werden, dass sich der LKW 5 während eines Containerabsetz- oder -anhebevorgangs bewegt, z. B. weil der Fahrer unachtsamerweise zu früh losfährt, so dass Kranbewegungen rechtzeitig gestoppt werden können.
Anhand von Fig. 3 wird nun weiteres Ausführungsbeispiel erläutert, welches sich - wie auch das vorhergehende Ausführungsbeispiel - nicht nur besonders für die Betriebsüberwachung von Arbeitsbereichen von Portalkränen oder Containerbrücken eignet, sondern auch für andere Arbeitsbereiche im Hafen, wo Container abgesetzt oder werden.
Dies kann z. B. ein Arbeitsbereich auf dem Schiff sein, in dem Container kurz abgesetzt werden, um Inter Box Connectoren von Hand zu montieren oder zu entfernen.
Darüber hinaus können die hier beschriebenen Anlagen und Verfahren auch in anderen Bereichen in Containerumschlagplätzen in Häfen oder anderswo eingesetzt werden, und zwar auch dort, wo Personen eigentlich keinen Zugang haben, aber z. B. versehentlich in vollautomatisierte Arbeitsbereiche gelangen könnten.
Ein derartiges verallgemeinertes Verfahren wird nachfolgend anhand von Figuren 3 und 4 beschrieben.
Fig. 3 zeigt von oben eine Arbeitsfläche 3 unter einem Containerkran, die ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 rechteckig ist, mit einer zu der Größe des vorliegend verwendeten Containerkrans passenden Länge und Breite.
Laserscanner 10 tasten die ganze Arbeitsfläche 3 von Fig. 3 immer wieder von oben ab, z. B. zehn Mal pro Sekunde, und erfassen dabei insbesondere einen Container 9, der hier in einer Höhe am Kran hängt, in der der Container 9 jetzt oder zumindest nach weiterem Absenken mit einer ungünstig auf der Arbeitsfläche 3 stehenden oder laufenden Person kollidieren könnte, sowie eine Person 16, die hier in einer Ecke der Arbeitsfläche 3 steht. Außerdem erfassen die Laserscanner 10 die Bewegungsrichtungen und Bewegungsgeschwindigkeiten des Containers 9 und der Person 16, welche in Fig. 3 mittels Pfeilen als Bewegungsvektoren dargestellt sind.
Auf der Arbeitsfläche 3 werden virtuell mehrere dynamisch veränderliche Zonen erzeugt, um mehrstufige Gefahrenbereiche und/oder Sicherheitsbereiche zu bilden. Zum Beispiel wird horizontal rings um den Container 9 virtuell eine innere Zone 14 gebildet, und horizontal rings um die innere Zone 14 wird virtuell eine äußere Zone 15 gebildet.
Solange sich der Container 9 nicht bewegt, können die innere Zone 14 und die äußere Zone 15 kleiner sein als in Fig. 3 dargestellt, z. B. derart, dass die innere Zone 14 der Ladeposition 4 in Fig. 2 entspricht und die äußere Zone 15 den beiden Teilzonen 11, 12 in Fig. 2 entspricht. Wenn sich der Container 9 in einer Horizontalrichtung bewegt, werden die innere Zone 14 und die äußere Zone 15 in Richtung der Bewegung größer gemacht, und zwar um so mehr, je schneller sich der Container 9 bewegt, wie in Fig. 3 veranschaulicht.
Eine derartige in Abhängigkeit von Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit dynamisch veränderliche Zone oder Sicherheitszone kann auch um die Person 16 herum gelegt werden (in Fig. 3 nicht gezeigt), womit die Bewegung der Person 16 antizipiert werden kann. Befindet sich die erkannte Person 16 in einem Gefahrenbereich, also der inneren Zone 14 und/oder der äußeren Zone 15, oder beginnt die Sicherheitszone um die Person 16 herum, in die äußere Zone 15 einzudringen, oder nähert sich umgekehrt der Container 9 der Person 16, werden die entsprechenden Verfahrbewegungen von Trolley, Hubwerk und Fahrwerk des Krans verlangsamt oder gestoppt.
Insbesondere tasten die Laserscanner 10 ebenso wie in dem Ausführungsbeispiel von Figuren 1 und 2 die Arbeitsfläche 3 mit einem Fächer von divergierenden Ebenen von Lichtstrahlen oder Einzel-Lichtstrahlen gleichzeitig in mehreren voneinander beabstandeten Ebenen oder Linien ab, um daraus eine Messpunktwolke zu gewinnen, wobei die Ebenen oder Linien auf Höhe der Arbeitsfläche 3 einen Abstand voneinander haben, der so bemessen ist, dass eine auf der Arbeitsfläche stehende Person von mindestens einer Ebene von Lichtstrahlen oder mindestens einem der Einzel-Lichtstrahlen getroffen wird (Schritt S1 in Fig. 4).
Um eine auf der Arbeitsfläche stehende Person unter Verwendung von relativ wenigen Ebenen oder Linien mit ausreichender Zuverlässigkeit erkennen zu können, sollten die Ebenen oder Linien auf Höhe der Arbeitsfläche 3 in mindestens einer Richtung auf dem Boden, z. B. in Längsrichtung der Ladeposition und/oder quer dazu, nicht größer als 30 Zentimeter sein, wobei aber auch kleinere Mindestabstände wie z. B. 10 oder 20 Zentimeter oder irgendwelche Zwischenwerte möglich sind.
In der im Schritt S1 gewonnenen Messpunktwolke wird auch die Arbeitsfläche 3 identifiziert (Schritt S2 in Fig. 4).
Anschließend wird ermittelt, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen oder mehrere Messpunkte gibt, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche stehende Person typisch sind (Schritt S3 in Fig. 4). Wenn kein derartiger Messpunkt ermittelt wird, geht es zum Schritt S1 zurück, um eine neue Messpunktwolke zu gewinnen.
Wenn ein derartiger Messpunkt ermittelt wird, kann die Kranbewegung ohne weitere Bedingungen verlangsamt oder gestoppt werden (Schritt S4 in Fig. 4), z. B. wenn die Arbeitsfläche 3 von vornherein so ausgelegt ist, dass sich dort keine Person aufhalten sollte, solange sich der Container 9 bewegt, oder z. B. in Sonderfällen wie Test- oder Kalibrierungsfahrten.
Vorzugsweise wird im Schritt S3 jedoch zusätzlich ermittelt, ob sich die Person 16 oder deren eigene Sicherheitszone in der äußeren Zone 15 und nicht in der inneren Zone 14 befindet oder damit überschneidet. Wenn ja, werden im Schritt S4 Kranbewegungen verlangsamt. Zusätzlich wird im Schritt S3 ermittelt, ob sich die Person 16 oder deren eigene Sicherheitszone in der inneren Zone 14 befindet oder damit überschneidet. Wenn ja, werden im Schritt S4 Kranbewegungen gestoppt. Das heißt, Kranbewegungen werden nur dann erlaubt, wenn sich die Person 16 oder deren eigene Sicherheitszone nicht in der inneren oder der äußeren Zone befindet.
Vorzugsweise werden auch Warnsignale ausgegeben, und zwar schon dann, wenn sich die Person 16 der äußeren Zone 15 nähert und bevor Kranbewegungen verlangsamt werden.
Zwischen den Schritten S2 und S3 oder S3 und S4 kann zusätzlich ermittelt werden, ob es in der Messpunktwolke Messpunkte gibt, die für den LKW 5 bzw. dessen Führerhaus 5b und/oder Ladefläche 5a typisch sind und deren Orte in der Messpunktwolke sich mit der Zeit ändern. Wenn dies der Fall ist, deutet dies darauf hin, dass sich der LKW 5 bewegt, woraufhin Kranbewegungen ebenfalls gestoppt werden.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann ebenso wie das erste Ausführungsbeispiel daraufhin erweitert werden, auch Fremd-Gegenstände im Arbeitsraum zu erkennen, insbesondere solche, die größer sind als z. B. 30 Zentimeter, um ggf. Kranbewegungen zu verlangsamen oder zu stoppen, so dass der Kranführer oder die Person 16 Gelegenheit bekommt, die Situation zu klären. Versehentlich liegen gebliebene Gegenstände kann es nicht nur auf Arbeitsflächen 3 geben, sondern auch auf LKW-Ladeflächen 5a, und mit dem beschriebenen Verfahren können somit auch Sachschäden beim Absetzen des Containers vermieden werden. Gegenstände im Arbeitsraum können nicht nur anhand ihrer erkannten Größe von Personen unterschieden und entsprechend klassifiziert werden, sondern auch daran, dass sich dort arbeitende Personen oft bewegen.
Für noch zuverlässigere Erkennung von Personen und Gegenständen im Arbeitsbereich können die oben beschriebenen Mittel und Verfahren, die als Hardware und Software bereitgestellt werden, mit anderen Hardwarekomponenten und Softwarealgorithmen zur Personen- und Objekterkennung verknüpft werden, um ein redundant arbeitendes Gesamtsystem herzustellen. Mittels unterschiedlicher Hardware- und Softwarekomponenten werden die Verfügbarkeit und damit auch die Sicherheit des Systems erhöht.
So können neben den beschriebenen 3D-Laserscannern 10, welche die Hauptkomponenten des beschriebenen Sicherheitssystems oder Kollisionsvermeidungssystems bilden, auch Kameras zum Einsatz kommen, mit denen die Anwesenheit von Personen in sicheren oder unsicheren Bereichen zusätzlich detektiert werden kann. Optional wäre es auch möglich, z. B. ein RFID (Radio Frequency Identification) System zu integrieren, wobei Orte von Personen im Arbeitsbereich z. B. mittels Triangulation anhand von Signalen erkannt werden, die von einem RFID-Transponder zurückgesandt werden, den Personen bei sich tragen sollen, wobei es in einem Containerterminal aber auch Personen geben kann, die keinen RFID-Transponder tragen, was für die laserbasierte Personenerkennung natürlich nicht nötig ist.
Jedes der verschiedenen Systeme arbeitet autark und liefert die zuvor genannten Informationen zu erkannten Personen. Die Daten der Einzelsysteme können aber in einer Auswertesoftware fusioniert werden. Sollte mindestens ein System eine Gefahrensituation melden, werden Anweisungen für geeignete Gegenmaßnahmen, um die Gefahrensituation zu vermeiden, an die Kran-Steuerung gesendet. Im Idealfall melden alle vorhandenen Systeme die gleichen Informationen. Für die Verfügbarkeit und Sicherheit in Gefahrensituationen genügt es, wenn eines der Systeme eine Gefahrensituation meldet. Eine derartige Fusion Laser-Kamera, Laser-RFID oder Laser-Kamera-RFID erleichtert auch die Arbeitssicherheitszertifizierung.

Claims

Container-Verladeanlage mit einem Containerkran (10) und einer für Personen zugänglichen Arbeitsfläche (3) auf einem Boden (2) unterhalb des Containerkrans (10), wobei auf der Arbeitsfläche (3) mindestens eine längliche Ladeposition (4) für ein Container-Straßentransportfahrzeug (5) markiert ist und wobei in einer Höhe über dem Boden (2), die ein Mehrfaches der Höhe eines ISO-Containers (9) übersteigt, ein oder mehrere 3D-Laserscanner (10) angebracht sind, die dafür eingerichtet sind, das Straßentransportfahrzeug (5) und die Arbeitsfläche (3) in drei Dimensionen von oben abzutasten, wobei die Anlage eine Personenerkennungseinheit aufweist, die dafür eingerichtet ist, den oder die Laserscanner (10) während eines Containerverladevorgangs mindestens einen Scan durchführen zu lassen, um eine Messpunktwolke zu gewinnen,
dadurch gekennzeichnet, dass
- einer oder mehrere der Laserscanner (10) von einem Typ ist bzw. sind, der dafür eingerichtet ist, die Arbeitsfläche (3) mit einem Fächer von divergierenden Ebenen von Lichtstrahlen oder einem Fächer von divergierenden Einzel-Lichtstrahlen gleichzeitig in mehreren voneinander beabstandeten Ebenen oder Linien abzutasten, um die Messpunktwolke zu gewinnen, wobei die Ebenen oder Linien auf Höhe der Arbeitsfläche (3) einen Abstand voneinander haben, der in mindestens einer Richtung auf dem Boden (2) größer als 10 und kleiner als 30 Zentimeter ist;

- die Personenerkennungseinheit dafür eingerichtet ist, in der gewonnenen Messpunktwolke die Arbeitsfläche (3) und die Ladefläche des Straßentransportfahrzeugs (5) zu identifizieren, zu ermitteln, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen mehr als 0,5 Meter über der identifizierten Arbeitsfläche (3) oder der identifizierten Ladefläche liegenden Messpunkt gibt, und wenn es mindestens einen derartigen Messpunkt gibt, ein Person-Wahrscheinlich-Signal auszugeben; und

- die Anlage eine Sicherheitseinrichtung aufweist, die dafür eingerichtet ist, die Kranbewegung zu verlangsamen oder zu stoppen, wenn das Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben wird.
Container-Verladeanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nahe an einem Rand oder einer Ecke der Arbeitsfläche (3) eine Personenaufenthaltszone (13) auf der Arbeitsfläche (3) markiert ist und dass die Sicherheitseinrichtung dafür eingerichtet ist, Kranbewegungen nur dann zu erlauben, wenn für die Personenaufenthaltszone (13), aber nicht für die übrige Arbeitsfläche (3) ein Person-Wahrscheinlich-Signal ausgegeben wird.
Container-Verladeanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche (3) in mehrere Zonen unterteilt ist, nämlich mindestens in eine innere Zone (14), die mindestens die Ladeposition (4) umfasst, und eine äußere Zone (15), die sich um die innere Zone (14) herum erstreckt und daran angrenzt; dass die Personenerkennungseinheit dafür eingerichtet ist, den oder die Laserscanner (10) während eines Containerverladevorgangs mehrere zeitlich aufeinander folgende Scans durchführen zu lassen und, wenn mindestens ein mehr als 0,5 Meter über der identifizierten Arbeitsfläche (3) oder der identifizierten Ladefläche liegender Messpunkt ermittelt wird, dessen Ort in der Messpunktwolke sich mit der Zeit ändert, ein Bewegte-Person-Wahrscheinlich-Signal auszugeben; und dass die Sicherheitseinrichtung dafür eingerichtet ist, in Abhängigkeit davon, für welche der beiden Zonen (14, 15) welche der beiden Arten von Signalen ausgegeben werden, zu entscheiden, ob die Kranbewegung zu verlangsamen oder zu stoppen ist.
Container-Verladeanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Personenerkennungseinheit dafür eingerichtet ist, Ort und Größe der Zonen (11, 12), in die die Arbeitsfläche (3) unterteilt ist, während des Betriebs der Anlage dynamisch zu ändern und insbesondere an Ort und Bewegungsrichtung eines gerade verladenen Containers (9) anzupassen.
Container-Verladeanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserscanner (10) an dem Containerkran (10) oder an fest auf dem Boden (2) stehenden Pfeilern oder Masten befestigt sind.
Verfahren zur Betriebsüberwachung einer Arbeitsfläche (3) auf einem Boden (2) unterhalb eines Containerkrans (10), wobei aus einer Höhe über dem Boden (2), die ein Mehrfaches der Höhe eines ISO-Containers (9) übersteigt, während eines Containerverlade-, -absetz- oder -anhebevorgangs ein oder mehrere 3D-Laserscanner (10) die Arbeitsfläche (3) in drei Dimensionen von oben abtasten gelassen werden, um eine Messpunktwolke zu gewinnen,
gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- den oder die Laserscanner (10) die Arbeitsfläche (3) mit einem Fächer von divergierenden Ebenen von Lichtstrahlen oder einem Fächer von divergierenden Einzel-Lichtstrahlen gleichzeitig in mehreren voneinander beabstandeten Ebenen oder Linien abtasten zu lassen, um die Messpunktwolke zu gewinnen, wobei die Ebenen oder Linien auf Höhe der Arbeitsfläche (3) einen Abstand voneinander haben, der so bemessen ist, dass eine auf der Arbeitsfläche (3) stehende Person von mindestens einer Ebene von Lichtstrahlen oder mindestens einem der Einzel-Lichtstrahlen getroffen wird (S1), und der in mindestens einer Richtung auf dem Boden (2) größer als 10 und kleiner als 30 Zentimeter ist,

- in der gewonnenen Messpunktwolke die Arbeitsfläche (3) zu identifizieren (S2),

- zu ermitteln, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen Messpunkt gibt, der für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche (3) stehende Person (16) typisch ist (S3) und mehr als 0,5 Meter über der identifizierten Arbeitsfläche (3) oder der identifizierten Ladefläche liegt, und

- wenn es einen derartigen Messpunkt gibt, die Kranbewegung zu verlangsamen oder zu stoppen (S4).
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass Kranbewegungen nicht verlangsamt oder gestoppt, sondern erlaubt werden, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche (3) stehende Person typisch sind, für einen vorbestimmten Bereich am Rand der Arbeitsfläche (3), aber nicht für einen zentralen Bereich der Arbeitsfläche (3) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Arbeitsfläche (3) mehrere Zonen definiert sind, nämlich mindestens eine innere Zone (14) unterhalb eines am Kran hängenden Containers (9) und eine äußere Zone (15), die sich um die innere Zone (14) herum erstreckt und daran angrenzt, wobei
- Kranbewegungen nur dann erlaubt werden, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche (3) stehende Person typisch sind, nicht in der inneren Zone (14) oder der äußeren Zone (15) ermittelt werden;

- Kranbewegungen verlangsamt werden, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche (3) stehende Person typisch sind, in der äußeren Zone (15) und nicht in der inneren Zone (14) ermittelt werden; und

- Kranbewegungen gestoppt werden, wenn ein oder mehrere Messpunkte, der oder die für eine auf der identifizierten Arbeitsfläche (3) stehende Person typisch sind, in der inneren Zone (14) ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ort und Größe der inneren und äußeren Zonen (14, 15) in Abhängigkeit von Ort und Bewegungsrichtung eines gerade verladenen Containers (9) geändert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ermittelt wird, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen oder mehrere Messpunkte gibt, der oder die für einen Fremd-Gegenstand typisch sind, wobei anhand von Größe und Bewegung anhand von erkannten Personen und Fremd-Gegenständen unterschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ermittelt wird, ob es in der Messpunktwolke mindestens einen oder mehrere Messpunkte gibt, der oder die für einen LKW (5) und insbesondere für dessen Führerhaus (5b) typisch sind und deren Orte in der Messpunktwolke sich mit der Zeit ändern; und dass Kranbewegungen auch dann gestoppt werden, wenn auf die vorgenannte Weise erkannt wird, dass sich der LKW (5) während eines Containerabsetz- oder -anhebevorgangs bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Container-Verladeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchgeführt wird.
Verladeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder der Laserscanner (10) ein 3D-Multilayer-Scanner ist.
Verladeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder der Laserscanner (10) ein 3D-Array-Scanner oder ein Flash-LiDAR-Gerät ist.
Container-Verladeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 eingerichtet ist.