程付超

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程付超

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

針對(duì)鐵路集裝箱F-TR鎖應(yīng)用中誤吊頻發(fā)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)，綜合運(yùn)用高精度傾角傳感器、無(wú)線通信、三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集裝箱姿態(tài)的三維展示，對(duì)集裝箱與平車分離狀態(tài)的精確判斷，并對(duì)鎖頭未完全脫出的危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業(yè)管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業(yè)的安全進(jìn)行。經(jīng)測(cè)試，本文系統(tǒng)工作正常，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

集裝箱；F-TR鎖；防誤吊

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)總量的增長(zhǎng)和國(guó)際貿(mào)易的發(fā)展，集裝箱運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展，使用集裝箱進(jìn)行貨物運(yùn)輸，成為鐵路貨運(yùn)的主要類型之一。集裝箱F-TR鎖，也叫作鷹頭鎖（如圖1），是我國(guó)自主研發(fā)的新型集裝箱平車鎖閉裝置。F-TR鎖利用其獨(dú)特的鷹頭結(jié)構(gòu)，在鎖頭與集裝箱角件孔之間產(chǎn)生尺寸干涉，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱和平車的鎖閉，具有鎖閉牢固、落鎖解鎖效率高等優(yōu)勢(shì)，目前已裝車過(guò)萬(wàn)輛。但由于集裝箱裝卸作業(yè)具有一定的特殊性，當(dāng)集裝箱內(nèi)部裝貨量不均勻時(shí)，因集裝箱F-TR鎖頭未完全脫出，導(dǎo)致集裝箱連同平車一并吊起的事故時(shí)有發(fā)生，造成脫軌制動(dòng)閥損壞、車輛脫線等嚴(yán)重事故。這類事故往往會(huì)造成集裝箱和平車的嚴(yán)重?fù)p壞，不但給鐵路公司帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)吊裝現(xiàn)場(chǎng)的作業(yè)流程造成較大影響，造成車站集裝箱積壓，影響多條線路的貨運(yùn)班列。

圖1 F-TR鎖外觀及安裝示意圖

針對(duì)鐵路集裝箱貨運(yùn)中存在的這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱防誤吊系統(tǒng)），綜合運(yùn)用高精度傾角傳感器、無(wú)線通信、三維實(shí)時(shí)動(dòng)畫等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱姿態(tài)的三維展示，對(duì)集裝箱與平車分離狀態(tài)進(jìn)行精確判斷，并對(duì)鎖頭未完全脫出的危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業(yè)管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業(yè)的安全進(jìn)行。

2 工作原理

2.1 F-TR鎖卡鎖的原因分析

F-TR鎖是一種通過(guò)下落和上提力量自動(dòng)解鎖的鎖閉裝置，安裝在平車的四個(gè)角落上，與集裝箱角件對(duì)應(yīng)，其鎖閉原理是鎖芯頭部的偏心結(jié)構(gòu)以及該鎖組裝后其鎖頭外寬大于集裝箱角件孔的外寬，從而產(chǎn)生尺寸干涉，并將集裝箱進(jìn)出鎖頭的運(yùn)動(dòng)形式由垂直運(yùn)動(dòng)的單一形式轉(zhuǎn)變?yōu)椤按怪边\(yùn)動(dòng)＋水平轉(zhuǎn)動(dòng)”的復(fù)合形式來(lái)鎖固集裝箱。在集裝箱水平姿態(tài)下，F(xiàn)-TR鎖的落鎖和脫鎖動(dòng)作都能夠順利地自動(dòng)完成。然而，當(dāng)集裝箱內(nèi)貨物重量分布不均時(shí)，可能引起集裝箱在吊起過(guò)程中姿態(tài)發(fā)生傾斜，如果傾斜角度過(guò)大，在一側(cè)先完成脫鎖的情況下，集裝箱受鎖面引導(dǎo)，會(huì)恢復(fù)脫鎖時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的水平角度，導(dǎo)致另一側(cè)無(wú)法完成脫鎖，形成鎖閉，從而出現(xiàn)一側(cè)脫鎖，一側(cè)卡鎖的情況。

2.2 F-TR鎖卡鎖的不同情況

根據(jù)集裝箱傾斜情況的不同，集裝箱卡鎖情況也可以分為三種：橫向卡鎖、縱向卡鎖和單角卡鎖。

（1）橫向卡鎖。發(fā)生在集裝箱橫向傾斜的時(shí)候，集裝箱左、右單側(cè)兩個(gè)鎖頭同時(shí)卡住，如圖2(a)所示。

（2）縱向卡鎖。發(fā)生在集裝箱縱向傾斜的時(shí)候，集裝箱前、后單側(cè)兩個(gè)鎖頭同時(shí)卡住，如圖2(b)所示。

（3）單角卡鎖。發(fā)生在集裝箱向單角傾斜的時(shí)候，集裝箱某個(gè)單角鎖頭卡住，如圖2(c)所示。

圖2 F-TR鎖卡鎖情況示意圖

2.3 鎖頭脫出狀態(tài)的判斷方法

根據(jù)前述分析，判斷集裝箱是否卡鎖，本質(zhì)上就是判斷集裝箱的傾斜形態(tài)，而由于集裝箱傾斜形態(tài)歸根結(jié)底是在橫向傾斜和縱向傾斜的共同作用下形成的，所以只需要獲取到橫向傾斜角度和縱向傾斜角度，就可以計(jì)算集裝箱總體傾斜情況，從而判斷集裝箱是否會(huì)出現(xiàn)卡鎖情況。因此，可通過(guò)在起吊吊具上安裝高精度雙軸傾角傳感器，由于吊具在起吊過(guò)程中與集裝箱保持相同的傾角，就能獲取集裝箱吊起過(guò)程中在橫向和縱向的傾斜角度，從而計(jì)算集裝箱的傾斜形態(tài)，如圖3所示。

圖3 集裝箱傾斜角度獲取

然后，可以通過(guò)估算和實(shí)測(cè)得到橫向和縱向傾斜角度的閾值，當(dāng)實(shí)測(cè)傾斜角度大于該值時(shí)，可認(rèn)為存在較大風(fēng)險(xiǎn)會(huì)發(fā)生脫鎖不完全的險(xiǎn)情，警報(bào)設(shè)備進(jìn)行報(bào)警，警示工作人員進(jìn)行人工處理。按照三種卡鎖情況，設(shè)橫向傾角閾值為XT，縱向傾角閾值為YT，實(shí)測(cè)的集裝箱橫向傾角為X，縱向傾角為Y，則：

（1）當(dāng)|X|〉=XT且|Y|〈YT，可能發(fā)生橫向卡鎖；

（2）當(dāng)|Y|〉=YT且|X|〈XT，可能發(fā)生縱向卡鎖；

（3）當(dāng)|X|〉=XT且|Y|〉=YT，可能發(fā)生單角卡鎖。

2.4 卡鎖傾角閾值的估算

按照前述的卡鎖情況來(lái)進(jìn)行逐一進(jìn)行分析：

（1）橫向卡鎖傾角閾值。發(fā)生橫向卡鎖時(shí)，如圖4(a)所示，一側(cè)剛好脫出鎖頭，另一側(cè)卡鎖。設(shè)鎖頭高度為Hl，橫向兩鎖頭之間距離為Dlh，則橫向傾角閾值XT可通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

（2）縱向卡鎖傾角閾值。發(fā)生縱向卡鎖時(shí)，如圖4(b)所示，集裝箱前側(cè)剛好脫出鎖頭，后側(cè)卡鎖。設(shè)鎖頭高度為Hl，縱向兩鎖頭之間距離為Dll，則縱向傾角閾值YT可通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算。

圖4 卡鎖傾角閾值示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 組成結(jié)構(gòu)

鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)主要由集裝箱姿態(tài)感知前端、遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)接收器和防誤吊報(bào)警終端三部分構(gòu)成，如圖5。

（1）集裝箱姿態(tài)感知前端：由高精度集裝箱傾斜感應(yīng)模塊、大容量鋰電池和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊構(gòu)成，能夠在吊起過(guò)程中對(duì)集裝箱傾斜狀態(tài)進(jìn)行感應(yīng)，并將角度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)出。

（2）遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)接收器：能夠遠(yuǎn)距離接收感知前端發(fā)來(lái)的集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給報(bào)警終端進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)工作在315 MHz或433 MHz頻率。

圖5 鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

（3）防誤吊報(bào)警終端：為了保證報(bào)警的及時(shí)性，設(shè)計(jì)了面向兩種不同平臺(tái)的報(bào)警終端設(shè)備：聲光報(bào)警終端和后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)，未來(lái)還將針對(duì)移動(dòng)終端設(shè)計(jì)專用的監(jiān)控報(bào)警APP。

①聲光報(bào)警終端：是一個(gè)具備無(wú)線數(shù)據(jù)接收功能的聲光報(bào)警器，能夠接收感知前端發(fā)送的集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，判斷脫鎖情況，并進(jìn)行報(bào)警。該終端適合于直接安裝在吊車操作間內(nèi)，獲取單路集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，直接警示吊車操作人員，及時(shí)終止起吊作業(yè)。

②后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)：是一個(gè)能夠通過(guò)三維動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示集裝箱姿態(tài)，并根據(jù)前端發(fā)送的集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，判斷脫鎖情況進(jìn)行報(bào)警的桌面軟件。該平臺(tái)能夠部署在貨站管理人員的電腦上，方便管理人員隨時(shí)監(jiān)控集裝箱起吊情況。

3.2 集裝箱姿態(tài)感知前端設(shè)計(jì)

集裝箱姿態(tài)感知前端由高精度集裝箱傾斜感應(yīng)模塊、大容量鋰電池和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊三部分構(gòu)成。

（1）高精度集裝箱姿態(tài)感應(yīng)模塊：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)集裝箱傾角的檢測(cè)，其核心是高精度雙軸傾角傳感器。設(shè)計(jì)采用雙軸傾角傳感器，具備兩路高精度數(shù)據(jù)輸出，角度精度達(dá)到0.001°。同時(shí)，由于感知前端使用時(shí)需要安裝在室外的吊具上，因此防水等級(jí)應(yīng)至少達(dá)到IP 65，同時(shí)應(yīng)具備較高的抗震性能。

（2）大容量鋰電池：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警終端的持續(xù)性供電，采用18650電芯作為供電核心，為了保證使用時(shí)長(zhǎng)，電池總體容量應(yīng)不低于6000 mAh，并通過(guò)電池芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電放電過(guò)程的智能化控制，延長(zhǎng)電池供電時(shí)間。

（3）無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊：用于將采集的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給報(bào)警終端，采用315 MHz或433 MHz頻率進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，為了保證傳輸距離與速率，設(shè)備發(fā)射功率應(yīng)不低于8dBm。

3.3 后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)接收及計(jì)算后臺(tái)程序和三維圖形化顯示與報(bào)警界面，如圖6。

圖6 后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)接收及計(jì)算后臺(tái)程序。用于連接無(wú)線接收器，在后臺(tái)接收前端傳感器發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算集裝箱角度參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)發(fā)送給三維圖形化顯示與報(bào)警終端。采用C++語(yǔ)言編寫，結(jié)合傳感器編程接口進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，聚合了角度計(jì)算模塊，能夠根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算集裝箱傾角、重心等參數(shù)。并通過(guò)Socket接口與三維圖形化終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

（2）三維圖形化顯示與報(bào)警界面。用于接收后臺(tái)服務(wù)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，顯示集裝箱傾斜形態(tài)，并根據(jù)實(shí)時(shí)形態(tài)進(jìn)行視覺(jué)和聲音兩類報(bào)警。采用Unity框架進(jìn)行三維圖形化顯示，編程語(yǔ)言為C#。以真三維方式對(duì)集裝箱形態(tài)進(jìn)行顯示，通過(guò)多角度虛擬攝像頭進(jìn)行圖像角度、距離等控制，從而構(gòu)建較逼真的三維場(chǎng)景。通過(guò)Socket接口與后臺(tái)服務(wù)通信，以接收傳感器采集的數(shù)據(jù)。

后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行效果如圖7所示。

圖7 后臺(tái)監(jiān)控報(bào)警平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行效果

4 結(jié)論

本文針對(duì)鐵路集裝箱F-TR鎖應(yīng)用中誤吊頻發(fā)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)集裝箱姿態(tài)的三維展示，對(duì)集裝箱與平車分離狀態(tài)的精確判斷，并對(duì)鎖頭未完全脫出的危險(xiǎn)情況進(jìn)行報(bào)警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業(yè)管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業(yè)的安全進(jìn)行。經(jīng)測(cè)試，本文系統(tǒng)工作正常，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的。同時(shí)，本文研發(fā)的防誤吊系統(tǒng)還具有以下特點(diǎn)：

（1）具有較強(qiáng)的針對(duì)性：針對(duì)鐵路集裝箱貨運(yùn)中F-TR鎖的具體問(wèn)題進(jìn)行研制，從研制之初就瞄準(zhǔn)解決鐵路貨運(yùn)實(shí)際問(wèn)題而來(lái)，項(xiàng)目提出人員收集并分析了鐵路集裝箱運(yùn)輸，特別是F-TR鎖集裝箱使用中面臨的問(wèn)題，并針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這就保證了研制產(chǎn)品具有很強(qiáng)的針對(duì)性和實(shí)用性。

（2）具有較高的精確度：采用高精度雙軸傾角傳感器作為判斷集裝箱F-TR鎖和角件是否完全脫開的技術(shù)基礎(chǔ)，具有較高的判斷精度，避免出現(xiàn)誤判、漏判的情況。

（3）具有較好的易用性：報(bào)警終端具備了聲光報(bào)警功能，能夠及時(shí)提醒相關(guān)操作人員進(jìn)行處理。

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Design and Implementation of Railway Container TrainAnti-Misoperation System

Cheng Fuchao
(Chengdu University,Chengdu 610106,Sichuan)

To reduce the frequency of misoperation in railway container unloading,a railway container train anti-misoperation system is designed and implemented.The system which uses a variety of techniques,such as high-precision angle sensor,wireless communications,real-time 3D animation,can provide 3D display of container posture and accurate judgement of separation status of container and train.The system can also provide a dangerous alarm function for the operators,to ensure the safety of container operations.In the test,the system works properly,achieving the target of designing.

container；F-TR lock；anti-misoperation

TP212；U294.3

A

1008-6609(2017)10-0058-05

程付超（1985-），男，四川瀘州人，博士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)軟件技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)。