概述：散料自动化驱动因素、挑战与 LiDAR 核心作用

散料物料搬运（如港口、矿山、发电厂等场景）的自动化是提升运营效率、增强作业安全性以及降低成本的关键驱动力。经济效益的追求、日益严格的安全法规以及对 24/7 全天候稳定运行的需求，共同推动着行业向自动化和智能化转型。然而，散料处理环境通常极为恶劣，充满了严峻挑战：弥漫的粉尘、潮湿甚至水雾/蒸汽环境、剧烈的设备振动、极端的工作温度、复杂的重型机械协同作业以及动态变化的作业场景，都对自动化系统的感知能力提出了极高要求。

在这样的背景下，激光雷达（LiDAR）技术凭借其提供精确、高密度的三维空间感知数据的能力，成为实现散料搬运自动化的核心传感技术之一。LiDAR 能够为自动化系统提供关键的环境几何信息，支持障碍物检测、设备定位、环境地图构建、物料体积测算等核心功能，其作用远超简单的存在检测传感器。特别地，高分辨率 3D LiDAR 的出现，为克服传统传感方案（如 2D LiDAR、雷达、视觉传感器）的局限性提供了可能，使得在复杂、动态和恶劣环境下的高精度、高可靠性自动化作业成为现实。实现自动化不仅仅是为了替代人力，更是为了达到手动操作难以企及的作业精度、稳定性和安全性水平，尤其是在对人员存在潜在危险的环境中，LiDAR 为机器赋予了可靠“看见”并理解其周遭环境的能力，这是实现高级自动化目标的基础。

关键应用场景——大型设备防撞系统

(适用于: 港口起重机 RTG/RMG/STS, 堆取料机, 装卸船机, AGV)

· 应用需求: 

在繁忙的散料作业区，大型设备如起重机、堆取料机、装卸船机以及自动化车辆（AGV）等同时运行，防止它们之间发生碰撞至关重要。此外，还需要避免设备的关键部件（如起重机吊臂、抓斗）与固定结构（如船体、料仓壁）或堆料发生碰撞，并确保设备与现场人员或其他小型车辆的安全距离。精确可靠的防撞系统是保障人员安全、减少设备损坏、维持作业连续性的基本要求。

· 典型部署与架构: 

传感器通常安装在大型设备的关键位置，例如起重机的大车/小车行走机构、吊臂、门腿，堆取料机的悬臂或机身，以及 AGV 的底盘四周，以提供 360° 全方位或特定方向的探测覆盖。传感器采集的原始点云数据或处理后的目标信息被实时传输至可编程逻辑控制器（PLC）或专用的安全控制单元。这些控制单元根据预设的安全逻辑和距离阈值，向设备的主控制系统发出指令，执行减速、停止或报警等动作。传感器与设备控制系统的紧密集成是实现有效防撞功能的关键。

· 传统方案与痛点:

o 2D LiDAR: 例如 SICK LMS/LRS 系列，常用于平面区域的障碍物检测。其主要局限在于仅能探测传感器扫描平面内的物体，对于悬挂在空中的障碍物（如吊臂）、地面上的低矮物体（如遗落工具）或形状不规则、部分超出扫描平面的物体无法有效识别。为了获得更广的覆盖范围，往往需要安装多个 2D LiDAR，这增加了系统的布线、集成和维护复杂性。此外，部分 2D LiDAR 在恶劣天气（如雨、雾、粉尘）下的性能会受到影响。

o 2D LiDAR + 云台 (PTU): 试图通过机械旋转或俯仰 2D LiDAR 来获取三维空间信息。这种方案引入了额外的机械运动部件（云台），显著降低了系统的整体可靠性，增加了故障点和维护需求。机械扫描速度慢，难以满足快速移动设备或动态环境下的实时防撞要求。LiDAR 与云台之间的标定复杂且可能随时间漂移，影响测量精度。

o 雷达: 优点在于对雨、雾、粉尘等恶劣天气具有较好的穿透性。但其固有的角分辨率和距离分辨率通常低于 LiDAR，导致难以精确识别物体形状、区分邻近目标或探测小型障碍物。在多设备密集运行的环境中，还可能存在信号干扰问题。

o 超声波传感器: 探测距离有限，通常只适用于近距离防撞，且易受风、温度变化等环境因素干扰。

o 视觉传感器（相机）: 在光照条件良好时能提供丰富的场景信息，但在低光照、夜晚、强光/眩光、粉尘、雨雾等恶劣条件下性能会急剧下降。相机无法直接精确测量距离，需要依赖复杂的算法进行深度估计，可靠性难以保证。

o 1550nm LiDAR: 常被宣传具有更远的探测距离和更高的人眼安全功率阈值。然而，其核心痛点在于：1) 成本高昂，通常采用 InGaAs（铟镓砷）探测器和特殊激光器，制造成本远高于基于硅基探测器的 865/905nm LiDAR；2) 对水汽吸收率显著高于 865/905nm 波段，导致在雾、高湿度、尤其是蒸汽环境下性能衰减严重；3) 可能需要更高的驱动功率；4) 某些设计可能存在抗干扰性问题。

o TripleIn VMS/PS/RT: 作为现有解决方案供应商被提及。其 VMS 系统采用 PS 系列 2D 扫描仪结合 RT360 旋转平台构成。这本质上是一种精密的 2D+PTU 方案，虽然 PS 传感器提供了较远的探测距离（可达 350 米），但系统仍可能继承 2D+PTU 方案在扫描速度、机械可靠性和系统复杂性方面的固有局限性，相较于原生的 3D 旋转 LiDAR 可能处于劣势。其 KEM 专利技术细节不明。

· 性能需求: 

防撞系统对传感器有严格要求：需要足够远的探测距离（根据设备尺寸和运行速度，可能从几十米到数百米不等）以保证足够的反应时间；宽广的视场角（FoV）以实现全面的监控覆盖；高数据更新率（帧率）以捕捉动态变化；足够高的分辨率和精度以准确识别相关障碍物的尺寸和位置；极高的可靠性（MTTF）以确保持续的安全防护；以及对恶劣环境（高等级 IP 防护、宽温工作范围、抗冲击和振动）的强适应能力和抗干扰能力。

· Ouster 3D 数字 LiDAR 替代效益:

o 全方位 3D 覆盖: 单个或少量 Ouster 3D LiDAR 即可提供高密度的三维点云，有效覆盖复杂几何形状，消除 2D LiDAR 在垂直方向上的盲区。例如，OS0 (90° VFoV), OS1 (45° VFoV), 尤其是 OSDome (180° VFoV) 能同时探测地面和空中障碍物，显著优于多个 2D 传感器或 2D+PTU 方案。OSDome 特别适合消除近距离的上方和下方盲区。

o 超高可靠性: Ouster 采用单芯片半导体化数字架构，包括自研 ASIC 芯片、集成的 SPAD/VCSEL 阵列以及无滑环的数据/电源传输设计，从根本上消除了传统机械扫描（含整体旋转、机械振镜、转镜等方案） LiDAR 的许多故障源（如滑环、分立光电器件、高速振动转动机构、等效线数低冗余设计）。其 REV7 OS0 和 OS1 型号的平均无故障时间（MTTF）宣称超过 25 万小时，远超传统机械扫描仪（有文献提及仅 1000-3000 小时 19）和带有 PTU 的系统，大幅降低了维护需求和因传感器故障导致的安全风险及停机成本。

o 卓越的环境鲁棒性: Ouster LiDAR 专为严苛工况设计，具备 IP68/IP69K 的高防护等级（防尘防水，耐高压水洗），宽工作温度范围（-40°C 至 +60°C），以及极高的抗冲击（如 100G）和抗振动（如1000HZ）能力。其采用的 865nm 波长相比 1550nm 对水汽吸收更少，结合大光学孔径设计和先进的数字信号处理技术，在雨、雾、粉尘、尤其是高湿度/蒸汽环境下的穿透性能更优。REV7 平台进一步增强了对轮胎等暗色物体的探测能力，最远可达400m。

o 优异的性能指标: 高达 128 线的垂直分辨率和每秒高达 520 万点的数据输出速率，能够精确捕捉细小障碍物和复杂场景的细节。10 或 20 Hz 的高帧率满足动态环境下的实时探测需求。REV7 平台将探测距离提升了一倍（例如 OS1 对 10% 反射率目标探测距离达 90 米，OS2 达 200 米），并提升了精度。REV7 的零盲区特性（OS0 SR/OS1/OSDome）对于近距离防撞至关重要。

o 简化集成与降低总拥有成本 (TCO): 使用 Ouster 3D LiDAR 替代原有的多个 2D 传感器、云台、相机等组合，可以显著简化系统设计，减少物料清单（BOM）成本、布线复杂度、供电需求以及安装调试时间。其固有的高可靠性大大降低了生命周期内的维护成本和因停机造成的损失。尽管单个3D LiDAR 单价可能高于基础 2D 传感器，但考虑到系统复杂度和可靠性的巨大差异，整体 TCO 优势明显，尤其是在对可靠性要求极高的自动化应用中。Ouster 的定价策略旨在使其高性能数字 LiDAR 成为从 2D 升级的可行选择。

o 片上智能处理 (REV7): REV7 平台引入的 3D 区域监控（Zone Monitoring）功能，允许用户在传感器内部定义多达 128 个三维检测区域（最多 16 个可同时激活），并直接由传感器输出区域内是否有障碍物的状态信息或触发信号。这可以分担主控制器的计算负荷，简化基础防撞逻辑的实现。

· 【集成示例分析】:

防撞系统对传感器有严格要求：需要足够远的探测距离（根据设备尺寸和运行速度，可能从几十米到数百米不等）以保证足够的反应时间；宽广的视场角（FoV）以实现全面的监控覆盖；高数据更新率（帧率）以捕捉动态变化；足够高的分辨率和精度以准确识别相关障碍物的尺寸和位置；极高的可靠性（MTTF）以确保持续的安全防护；以及对恶劣环境（高等级 IP 防护、宽温工作范围、抗冲击和振动）的强适应能力和抗干扰能力。

o [港口轮胎式集装箱门式起重机 (RTG)]: 作业空间狭窄，与其他 RTG、集卡或堆场障碍物发生碰撞的风险高。传统方案可能采用 SICK 等品牌的2D LiDAR 安装在RTG门腿或大车结构上进行平面防撞。痛点在于 2D传感器无法探测吊具下方、车道以外或悬空障碍物，且在港口常见的雨雾天气下性能可能下降。建议采用 Ouster OS0 或 OS1 REV7 传感器，利用其宽垂直视场角 (OS0 90°, OS1 45°) 和 360° 水平覆盖提供全方位 3D 探测能力，有效消除盲区。其高可靠性 (MTTF > 250khrs) 和 IP68/69K 防护等级能适应港口恶劣环境，865nm 波长和数字处理技术提升了全天候性能。通过替代多个 2D 传感器，有望简化系统、提高安全性，实际案例中可实现显著 TCO 优化。

o [堆取料机悬臂防撞]: 堆取料机在料场作业时，其悬臂需要根据料堆形状实时调整高度和位置，以避免碰撞料堆或地面设备。传统方案可能使用 SICK LRS3601 等长距离 2D LiDAR 进行轮廓扫描。痛点在于 2D 扫描只能获取单一剖面信息，难以实时掌握料堆复杂的三维形态，尤其对于不规则或动态变化的料堆，存在碰撞风险。建议采用 Ouster OS1 或 OS2 REV7 传感器安装于悬臂末端。OS1/OS2 提供的高分辨率 3D 点云能实时构建料堆表面模型，精确计算悬臂与料堆的安全距离。OS2 的长探测距离（可达 200m @ 10%）适用于大型料场。Ouster LiDAR 在粉尘环境下的鲁棒性对矿山或料场应用至关重要。

o [装卸船机防撞系统 (SLAC)]: MRA Engineering 与 QCA Systems 合作开发的装船机防撞系统 (SLAC) 是一个典型应用案例。机械: 装船机。应用: 防止装船机结构与不同类型和尺寸的船舶发生碰撞。痛点: 传统相机方案受光照和天气影响大；雷达精度不足；2D 或低分辨率 3D LiDAR 视场角窄、分辨率低、扫描速度慢，难以实时精确建模。Ouster 方案: 在装船机上安装多台（案例中使用 OS1-32）Ouster LiDAR，实时构建装船机和船体的精确 3D 模型。效益: OS1 的高分辨率和宽视场角 (45° VFoV)实现了精确、无盲区的实时 3D 映射，能够精确计算装船机各部件与船体之间的间隙，并与控制系统联动实现自动减速和避让。该系统适用于各种船型，并在雨、雪、雾和粉尘等恶劣天气下验证了可靠性。MRA 特别指出，结合其专有滤波算法，Ouster LiDAR 在各种环境下的表现优于预期，兼具高精度和环境鲁棒性，是对传统方案的显著升级。

o [散料堆场 AGV 防撞]: 与在平整仓库地面运行的 AGV 不同，散料堆场的 AGV 可能面临更复杂的地形（不平整、碎石）、更多的粉尘以及天气影响。简单的 2D 安全激光扫描仪（如 SICK TIM 系列）主要用于平面障碍物检测，难以应对地面坑洼、低矮障碍物或悬空物体。建议采用 Ouster OS0 或 OSDome REV7 传感器。其 3D 感知能力能够更全面地理解环境，探测复杂形状的障碍物和地形变化。宽垂直视场角（OS0 90°, OSDome 180°）尤为重要。高可靠性和 IP68/69K 防护适应室外恶劣环境。结合 Ouster 的 3D 区域监控功能，可以实现更智能、更安全的自主导航和防撞，甚至支持人机混合作业区域。

o[散料龙门吊]: LASE 公司在其自动化港口解决方案中采用了 Ouster LiDAR。机械: 港口龙门吊（案例中主要指集装箱龙门吊，但技术原理适用于散料龙门吊）。应用: 实现起重机之间、起重机与车辆/人员/设备的防撞，以及货物的精确定位和安全吊运。痛点: LASE 原有数千套系统采用 2D 静态或旋转扫描仪。Ouster 方案: 在新建或改造项目中使用 2 至 4 台 Ouster OS1 传感器替代原有的 2D 方案。效益: Ouster LiDAR 的高分辨率和宽视场角使得用更少的传感器就能达到甚至超过原有方案的覆盖范围和性能，从而可能降低系统总成本。3D 数据支持更高级的自动化功能，提升了作业安全性和效率。该案例直接证明了使用 Ouster 3D LiDAR 替代传统 2D 方案在降低 TCO 和提升性能方面的潜力，契合港口自动化市场的发展趋势。

表 1: 散料搬运自动化传感器技术方案对比

苏州索亚机器人技术有限公司在2019年就与Ouster达成合作协议，成为其战略合作伙伴。

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