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1 問題概述

集裝箱海鐵聯(lián)運(yùn)具有運(yùn)能大、成本低、污染少等突出優(yōu)勢(shì)。然而，近些年集裝箱鐵路貨物的發(fā)送量在全國鐵路貨運(yùn)量中所占的比例不到3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家30%～40% 的比例。目前我國鐵路集裝箱運(yùn)輸存在的基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、技術(shù)裝備落后等問題[1]，嚴(yán)重制約著我國集裝箱鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。

鐵路敞車裝載集裝箱偏載問題是困擾港口集裝箱裝車一大難題，使用敞車裝運(yùn)集裝箱時(shí)，由于敞車內(nèi)部橫向尺寸與集裝箱寬度存在差值，造成集裝箱在敞車內(nèi)橫向上有400mm 的自由移動(dòng)空間。為了運(yùn)輸安全，鐵路部門規(guī)定：貨物重心在水平面上的投影應(yīng)落在車底板縱、橫中心線交點(diǎn)上，橫向偏移不得超過50mm。鐵路集裝箱專用車、兩用車帶有集裝箱專用鎖頭，運(yùn)行中不存在集裝箱位移現(xiàn)象。因此，鐵路運(yùn)輸集裝箱偏載問題只存在于敞車中。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，因集裝箱箱內(nèi)貨物裝載不均衡造成的鐵路貨車偏載約占總車數(shù)的5%，絕大多數(shù)集裝箱貨車偏載的原因系裝車時(shí)不居中和運(yùn)行時(shí)集裝箱在敞車內(nèi)發(fā)生位移所致[2]。

敞車集裝箱裝卸作業(yè)的港口機(jī)械有集裝箱正面起重機(jī) (以下簡稱正面吊) 或輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)(以下簡稱輪胎吊)。由于正面吊在作業(yè)時(shí)具有自由度更高、吊具更復(fù)雜、駕駛員視線受阻更嚴(yán)重和集裝箱拖車配合更靈活等特點(diǎn)，研究正面吊的作業(yè)方案更具有普遍意義。目前，在使用正面吊進(jìn)行敞車裝載集裝箱作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需要增加1名指揮人員，通過手勢(shì)或喊話的方式指導(dǎo)正面吊駕駛員對(duì)集裝箱進(jìn)行前后方向的微調(diào) (由于駕駛員對(duì)左右方向不存在視覺盲區(qū)，因而對(duì)于左右方向暫不予考慮)。為保障現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全和效率，為駕駛員提供一個(gè)可視化的定位方案，協(xié)助其完成敞車裝載集裝箱的精準(zhǔn)作業(yè)，是值得深入研究的重要內(nèi)容。

2 研究現(xiàn)狀

目前，對(duì)于該類問題的研究主要集中于輪胎吊，解決方案較多是借助激光掃描進(jìn)行激光測(cè)距[3]，該技術(shù)的難點(diǎn)在于傳感器的位置在吊具上不容易安裝，這一問題在正面吊上顯得更加突出?；趫D像處理技術(shù)的方案[4]能夠保證誤差在40mm 以內(nèi)，但在夜晚工作時(shí)其定位精度較差。實(shí)踐表明，在正面吊上加裝的攝像頭或測(cè)距裝置，極易在裝卸過程中受損，而且在一定程度上會(huì)限制正面吊的其他作業(yè)用途。另外，集裝箱體和敞車車壁凹凸不平、敞車車型 (高度和寬度)不統(tǒng)一會(huì)影響測(cè)距的效果和方案的制訂。

因此，考慮運(yùn)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System，GNSS) 解決敞車裝載集裝箱偏載問題。GNSS泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的。為了提高定位精度，引入實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分 (Real-Time Kinematic，RTK) 技術(shù)，該技術(shù)有以下特點(diǎn)。

（1）監(jiān)測(cè)精度高。定位精度：平面為±1×10-6cm，高程為±2×10-6cm。

（2）觀測(cè)時(shí)間短。數(shù)據(jù)更新率為1～20 Hz (可選)；可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，極大提高裝車作業(yè)效率。

（3）全天候作業(yè)。GNSS 觀測(cè)可以全天候24h 作業(yè)，不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等天氣影響，適合港口作業(yè)。

3 RTK技術(shù)原理

RTK 由一個(gè)基準(zhǔn)站、若干個(gè)流動(dòng)站和無線電通信系統(tǒng)組成。RTK 的工作原理是將1臺(tái)接收機(jī)置于基準(zhǔn)站上，另一臺(tái)接收機(jī)置于流動(dòng)站 (又稱載體) 上，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站同時(shí)接收同一時(shí)間、同一 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，基準(zhǔn)站將所獲得的觀測(cè)值與已知位置信息進(jìn)行比較，根據(jù)載波相對(duì)定位的原理得到 GPS 差分改正值。然后通過無線電數(shù)據(jù)鏈電臺(tái)，及時(shí)將這個(gè)改正值傳遞給共視衛(wèi)星的流動(dòng)站，精化其 GPS 觀測(cè)值，從而實(shí)時(shí)地計(jì)算出移動(dòng)站的三維坐標(biāo)和定位精度。

RTK 單位測(cè)量值的計(jì)算公式為

式中：φ為單位測(cè)量值，m；ρ為衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離，m；c為光在真空中的傳播速度，m/s；dT為接收機(jī)鐘差，s；dt為衛(wèi)星鐘差，s；λ?為載波相位波長，m；N為整周未知數(shù)；dtrop為對(duì)流層折射影響，m；dion為電離層折射影響，m；dpreal為相對(duì)論效應(yīng)，m； ε (φ)為觀測(cè)噪聲對(duì)單位測(cè)量值的干擾，m。

為了實(shí)現(xiàn) RTK 系統(tǒng)高精度定位，移動(dòng)站載波相位觀測(cè)量通常要與基準(zhǔn)站接收機(jī)同時(shí)測(cè)得的量進(jìn)行雙差處理，這時(shí)就要求來自基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的數(shù)據(jù)在時(shí)間上相互匹配。

以 RTCMSC-104 信息格式傳送 RTK系統(tǒng)數(shù)據(jù)為例，鏈路傳輸速率至少為2 400 bps，通常為9 600 bps，甚至達(dá)到19 200 bps。要傳送如此高速的數(shù)據(jù)流，無線數(shù)據(jù)鏈路可以選用甚高頻 (Very High Frequency，VHF) 或特高頻 (Ultrahigh Frequency，UHF) 波段。

4 設(shè)計(jì)方案

運(yùn)送集裝箱的敞車?？吭诠潭ā⒐P直的軌道上。顯然軌道的中心線即為敞車的中心線。前期通過測(cè)繪軌道獲取精確的敞車位置信息；通過測(cè)量吊具的參數(shù)可以精確計(jì)算集裝箱在裝卸過程中4個(gè)角的三維空間位置；在吊具上安裝定位、定向 RTK 設(shè)備。運(yùn)用無線網(wǎng)橋?qū)⒌蹙吲c敞車位置信息共享，敞車進(jìn)入正面吊所在區(qū)域時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通過無線自動(dòng)連接，從而確定敞車相對(duì)集裝箱所在的三維位置。駕駛員借助顯示終端能夠看到集裝箱與敞車的精確位置，據(jù)此再進(jìn)行裝卸作業(yè)及調(diào)整。

系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、車載定位、通信、電源、三維防碰撞5個(gè)子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流向如圖1所示?；鶞?zhǔn)站和車載定位子系統(tǒng)記錄敞車和吊具的靜、動(dòng)態(tài)位置和軌跡；通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)站與車載定位子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)差分解算，綜合處理和存儲(chǔ)信息；電源子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)長期供電；三維防碰撞子系統(tǒng)設(shè)置防碰撞報(bào)警閥值，裝卸時(shí)集裝箱放入敞車，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行敞車車廂和集裝箱箱體的三維坐標(biāo)比對(duì)，兩者間距達(dá)到一定閥值即報(bào)警，并且顯示報(bào)警位置，直至裝卸安全完成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流向

5 結(jié)束語

試驗(yàn)證明該方案的精度能達(dá)到30mm 以內(nèi)，主要誤差來源是吊具的抖動(dòng)。誤差范圍在鐵路部門規(guī)定的50mm 以內(nèi)，有效地解決了敞車裝載集裝箱偏載問題，在一定程度上實(shí)現(xiàn)裝車現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)分離。該方案的主要缺點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較高。另外，受衛(wèi)星狀況和數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?，在信?hào)穩(wěn)定性和測(cè)量精度方面，全站儀[5]可能更具有優(yōu)勢(shì)。

[1] 高曉瑩.我國集裝箱鐵路運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)狀、問題及對(duì)策[J].中國鐵路，2011(2)：48-51.

[2] 杜 慶.解決敞車裝運(yùn)集裝箱偏載問題的探討[J].鐵道貨運(yùn)，2008(9)：31-33.

[3] 包起帆，陸明路，陸榮國.激光測(cè)距技術(shù)在橋吊下集裝箱卡車定位的研究與實(shí)現(xiàn)[J].港口科技，2007(10)：5-8.

[4] 洪方年.基于圖像處理技術(shù)的敞車裝載集裝箱定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[5] 鄒永濤.全站儀誤差分析及其測(cè)量自動(dòng)化的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.