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        鐵路運輸集裝箱裝載質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)研究

        2018-10-17 06:34:44王宴平中國鐵路上海局集團有限公司合肥貨運中心安徽合肥230001
        物流科技 2018年9期
        關鍵詞:智能檢測

        王宴平 (中國鐵路上海局集團有限公司 合肥貨運中心,安徽 合肥 230001)

        1 現(xiàn)狀

        隨著鐵路現(xiàn)代物流迅猛發(fā)展,鐵路集裝箱運量逐年快速增長。2017年,鐵路集裝箱發(fā)送量達1031萬TEU,較2016年增長37%,集裝箱運輸已成為鐵路物流的發(fā)展方向和主要增長點。

        將集裝箱均衡、穩(wěn)固地裝入鐵路貨車,是確保集裝箱運輸安全的首要前提。集裝箱裝入貨車后,如發(fā)生超載或偏載、偏重達到極限值,在運輸過程中受到?jīng)_撞或外力作用時容易側(cè)翻,引發(fā)鐵路交通事故[1]。為確保集裝箱運輸安全,需在裝車階段對集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量和集裝箱裝車質(zhì)量進行檢測,既要保證集裝箱內(nèi)貨物重量及偏載、偏重在允許范圍內(nèi);又要確保集裝箱裝入鐵路貨車后,集裝箱重心與貨車中心豎直重疊或誤差在允許范圍內(nèi)。

        近年來,鐵路貨運部門在集裝箱裝載安全檢測技術方面,開展了大量研究。如車站廣泛使用汽車衡、起重機電子秤檢測集裝箱重量;使用軌道衡檢測貨車重量;使用超偏載儀、輪重測定儀既能檢測貨車重量,又能檢測貨車偏載、偏重情況。但上述設備功能均不完善,汽車衡、電子秤、軌道衡僅能用于檢測重量,而無法檢測集裝箱及貨車裝載是否偏載、偏重;輪重測定儀、超偏載儀只能在裝車后使用,無法做到裝車前預防和裝車中控制,且無法檢測箱內(nèi)貨物裝載重量及偏載、偏重情況。在集裝箱裝車后防車輛偏載方面,有些車站制作了防偏載定位器、防偏載輔助桿等輔助工具。但這些輔助工具均需停止作業(yè)后人工測量,不僅影響裝車效率,還危及人身安全。因此,需要研制一套智能檢測設備,既能在裝車前檢測集裝箱箱內(nèi)貨物超載、偏載及偏重情況,又能在裝車過程中檢測集裝箱裝車后貨車是否超載、偏載或偏重,從而實現(xiàn)裝車源頭控制,安全關口前移[2]。

        2 集裝箱裝載質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)

        集裝箱裝載質(zhì)量智能檢測系統(tǒng),由集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)和集裝箱裝車質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)兩部分組成。系統(tǒng)示意如圖1所示。

        圖1 集裝箱裝載質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)示意圖

        2.1 集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)

        集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng),用于檢測集裝箱內(nèi)貨物超載、偏載及偏重情況。主要由稱重拉力傳感器、信號變送放大器、無線信號發(fā)射器、無線信號接收端、CPU及人機界面等部分組成,如圖2所示。集裝箱吊具的4個旋鎖上各安裝1個稱重拉力傳感器,用于檢測集裝箱4個角件所承受的重力[3]。信號變送放大器將稱重拉力傳感器所采集的信號轉(zhuǎn)化為可采集、可處理的標準模擬量信號。無線信號發(fā)射器將此信號傳遞給無線信號接收端,在對數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后,控制器CPU按照計算超載、偏載、偏重的專用程序處理數(shù)據(jù),處理結(jié)果(超載、偏載、偏重數(shù)值)在起重機司機室人機界面上顯示并可打印輸出[4]。

        圖2 集裝箱內(nèi)貨物裝載智能檢測子系統(tǒng)

        數(shù)據(jù)采集及處理流程為“稱重拉力傳感器→信號變送放大器→無線信號發(fā)射端→無線信號接收端→CPU→人機界面→打印機”。當起重機吊起集裝箱后,該子系統(tǒng)通過安裝在吊具蘑菇頭上的稱重拉力傳感器,檢測出每個蘑菇頭所承受重量,在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并進行系統(tǒng)計算后,得出集裝箱重量及箱內(nèi)貨物偏載、偏重數(shù)值[5]。若集裝箱超載、偏載、偏重數(shù)值在允許范圍內(nèi),可繼續(xù)裝車運輸;反之,停止裝車,開箱整理。

        結(jié)構(gòu)原理及功能如下:

        (1)轉(zhuǎn)鎖結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)鎖中部安裝稱重拉力傳感器,信號電纜從轉(zhuǎn)鎖尾部引出(如圖3所示)。稱重拉力傳感器與轉(zhuǎn)鎖的整體結(jié)構(gòu),保證了傳感器與轉(zhuǎn)鎖的穩(wěn)定配合,提高了檢測數(shù)據(jù)的準確性、可靠性。

        (2)信號處理。采用信號變送放大器。拉力稱重信號要經(jīng)微處理器對力值數(shù)據(jù)進行采樣并濾波后,才能變?yōu)闃藴实碾娦盘枴y量信號進行濾波處理,硬件上采用π型和T型濾波,軟件上采用前置低通濾波和自適應濾波兩種數(shù)字濾波方式,對濾波處理后的標準信號采取采樣值平均法再次進行濾波處理,最大限度降低搖晃對測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的影響,確保測量數(shù)據(jù)準確、可靠[6]。

        (3)數(shù)據(jù)傳輸。為將稱重拉力傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息穩(wěn)定地向外傳輸,系統(tǒng)采用與手機相同的2.4G跳頻擴頻FHSS無線傳輸技術,確保傳輸距離不少于1公里。無線網(wǎng)絡通訊采用了國際通用的無線控制網(wǎng)絡協(xié)議,其優(yōu)點是安全、可靠且能支持大量網(wǎng)絡節(jié)點和多種網(wǎng)絡拓撲。其底層通訊規(guī)約采用國際通用的MODBUS RTU協(xié)議,提高了整個無線網(wǎng)路通訊系統(tǒng)的穩(wěn)定性、通用性和兼容性,有利于系統(tǒng)的功能擴展和深度開發(fā)。

        (4)數(shù)值計算。對4個稱重拉力傳感器所采集的每組數(shù)據(jù) (G1、G2、G3、G4)進行計算,即可得到超載、偏載、偏重數(shù)值。計算原理如圖4所示。

        圖3 轉(zhuǎn)鎖結(jié)構(gòu)裝配圖

        圖4 數(shù)值計算原理圖

        圖4中,G1、G2、G3、G4為集裝箱吊具旋鎖內(nèi)4個稱重傳感器所測得的重量,G為集裝箱總重,A、B分別為4個傳感器之間的縱向和橫向中心距。以集裝箱水平面幾何中心C為坐標原點,建立x軸、y軸直角坐標系,集裝箱重心D的坐標為(a,b),即重心在x、y軸上的偏移量。

        根據(jù)力平衡原理,有:

        根據(jù)以上3式,得出:

        式中,a為偏重數(shù)值,b為偏載數(shù)值。以上公式經(jīng)編程后存儲在PLC中,CPU自動進行數(shù)據(jù)采集和計算,獲得G、a、b的數(shù)值。a、b值可為正數(shù),也可為負數(shù),圖示位置a、b值都是正的。當a值為負值時,表示D點在Y軸左側(cè)。當b值為負值時,表示D點在X軸下側(cè)。負值表示反向偏重和反向偏載。

        當|a|>3000kg時,起重機司機室內(nèi)的觸摸屏會自動將偏重數(shù)值顯示框變?yōu)榧t色并閃爍報警,提示集裝箱偏重超過極限值。

        當|b|>50mm時,觸摸屏會自動將偏載數(shù)值顯示框變?yōu)榧t色并閃爍報警,提示集裝箱偏載超過極限值。

        當G>30480kg時,觸摸屏會將總重數(shù)值顯示框變?yōu)榧t色并閃爍報警,提示集裝箱已超重。

        根據(jù)偏載、偏重值的正負,重心D點在觸摸屏4個不同區(qū)域顯示,起重機司機可據(jù)此通知作業(yè)人員調(diào)整集裝箱內(nèi)貨物裝載位置。

        (5)應用及操作。為便于起重機司機和貨運人員及時掌握集裝箱裝載質(zhì)量,在司機室和貨運員室各配置一臺手持工業(yè)電腦PDA,在其人機界面可輸入集裝箱箱號和車號等信息,并預留二維碼掃描集裝箱編號的功能[7]。當集裝箱吊離地面后稍作停頓,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,通過主站觸摸屏或手持PDA輸入集裝箱編號、車號,將檢測結(jié)果與箱號、車號一并保存并可打印。當重量超過極限值時,即進行聲光報警;當偏載或偏重超過極限值時,對應區(qū)域顯示紅色,并聲光報警,提醒集裝箱在對應的紅色區(qū)域偏載或偏重。

        2.2 集裝箱裝車質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)

        經(jīng)“集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)”檢測,超載、偏載、偏重在允許范圍的集裝箱,可裝入鐵路貨車。集裝箱裝車智能檢測子系統(tǒng),用于檢測集裝箱裝入鐵路貨車后,貨車的超載、偏載及偏重情況。

        2.2.1 貨車超載情況檢測

        鐵路運輸?shù)?0英呎集裝箱和40英呎集裝箱,標準重量均是30480kg。裝運集裝箱的鐵路貨車有敞車、平板車(含集裝箱專用平板車和兩用平板車),1輛敞車或1輛平板車可裝1只40英呎或2只20英呎集裝箱,且該類型貨車最大容許裝載重量均在61噸以上。因此,凡經(jīng)“集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)”檢測未超載的集裝箱裝入貨車后,貨車均不超載。

        2.2.2 貨車偏重情況檢測

        (1) 敞車偏重

        不同類型的鐵路敞車內(nèi)長范圍是12500~13000mm,一個40英呎集裝箱或兩個20英呎集裝箱(合計) 的外部總長12116mm,兩者長度相差384~884mm。在以下兩種極端裝載情況:

        ①一只標準重量且偏重達極限值(3噸)的40英呎集裝箱,在極端裝載情況(即集裝箱偏重端緊貼敞車一端內(nèi)墻)下,空隙(384~884mm)全部留在敞車另一端,根據(jù)力矩平衡原理,計算得出偏重量為3.92~4.32噸。

        ②兩只標準重量且偏重達極限值(3噸)的20英呎集裝箱,緊貼敞車一端內(nèi)墻時,空隙(384~884mm)全部留在敞車另一端,根據(jù)力矩平衡原理,偏重量為4.7~6.84噸。

        以上兩種情況,符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》“兩轉(zhuǎn)向架承受重量之差不得大于10噸”規(guī)定。因此,凡經(jīng)“集裝箱內(nèi)貨物裝載智能檢測子系統(tǒng)”檢測,偏重量未超極限值的集裝箱裝入敞車后,無論集裝箱在車內(nèi)靠前或靠后放置,貨車偏重量均在允許范圍內(nèi)。

        (2) 平板車偏重

        由于集裝箱在平板車上裝載,位置是固定的,且集裝箱中心線與平板車中心線上下對正。在以下兩種情況:

        ①當1輛平板車裝1只40英呎集裝箱時,平板車的偏重程度與集裝箱偏重程度相同。

        ②當1輛平板車裝2只20英呎集裝箱時,根據(jù)力矩平衡原理,貨車偏重量等于兩箱偏重量之和(偏重方向不同時,正負抵消)的一半。

        因此,凡經(jīng)“集裝箱內(nèi)貨物裝載智能檢測子系統(tǒng)”檢測,偏重量未超限的集裝箱,裝上平板車后,貨車偏重量均在允許范圍內(nèi)。

        2.2.3 貨車偏載情況檢測

        (1)鐵路平板車偏載分析

        集裝箱在鐵路平板車上裝載,靠其上平面與車輛縱橫中心線對稱分布的4個蘑菇頭固定,且集裝箱中心與平板車中心在一條鉛垂線上。當1輛平板車裝1只40英呎集裝箱時,平板車的偏載程度與集裝箱偏載程度相同。1輛平板車裝2只20英呎集裝箱時,如2只集裝箱偏載方向一致,根據(jù)力矩平衡原理,貨車偏載值介于2只集裝箱偏載值之間;如2只集裝箱偏載方向相反,根據(jù)力矩平衡原理,貨車偏載值是2只集裝箱偏載值之差。經(jīng)上述分析,集裝箱裝入平板車后,貨車偏載值小于或等于集裝箱內(nèi)貨物偏載值。

        《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》“裝車后貨物總重心的投影應位于貨車縱、橫中心線的交叉點上。必須偏離時,橫向偏離量不得超過100mm?!倍b箱偏載量極限值為50mm。因此,凡經(jīng)“集裝箱內(nèi)貨物裝載智能檢測子系統(tǒng)”檢測偏載數(shù)值未超極限值的集裝箱裝入平板車后,貨車偏載在允許范圍內(nèi)。

        (2)鐵路敞車偏載分析及檢測技術

        不同型號的鐵路敞車內(nèi)寬2890~2900mm,40英呎和20英呎集裝箱的外寬均為2438mm,兩者寬度差452~462mm。集裝箱裝入鐵路敞車后,存在三種極限情況。

        第一種情況:集裝箱靠敞車一側(cè)裝載,但箱內(nèi)貨物均衡。將1只40英呎或2只20英呎標準重量且箱內(nèi)貨物裝載均衡的集裝箱裝入敞車,在極端裝載情況(集裝箱緊貼敞車一側(cè)墻),空隙(452~462mm)留在敞車另一側(cè)。根據(jù)力矩平衡原理,計算出的偏載值為128.3~131.6mm。

        第二種情況:集裝箱靠敞車一側(cè)裝載,箱內(nèi)貨物偏載,且偏載方向與集裝箱在車內(nèi)位置方向一致。將箱內(nèi)貨物偏載達極限值的1只40英呎集裝箱(偏載50mm)或2只20英呎集裝箱(均偏載50mm)裝入敞車,且集裝箱偏載一側(cè)緊貼敞車內(nèi)墻,空隙(452~462mm)全部留在敞車另一側(cè)。根據(jù)力矩平衡原理,計算出的偏載值為157.3~160.2mm。

        第三種情況:集裝箱靠敞車一側(cè)裝載,箱內(nèi)貨物偏載,但偏載方向與集裝箱在車內(nèi)位置方向相反。將第二種情況的集裝箱裝入敞車,且集裝箱偏載一側(cè)遠離敞車內(nèi)墻。根據(jù)力矩平衡原理,計算出的偏載值為100.3~103.2mm。

        根據(jù)《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》“裝車后貨物總重心的投影應位于貨車縱、橫中心線的交叉點上。必須偏離時,橫向偏離量不得超過100mm?!痹谏鲜鋈N情況下,均已偏載超限。

        為防止集裝箱裝入敞車后偏載,傳統(tǒng)的做法是司索工站在敞車車幫或閘臺處,用手推、腳蹬或用鉤拖、繩拽,使集裝箱落在車輛中間位置。但這種簡單操作,很難保證司索工輔助動作與起重機司機落箱同步,且司索工僅憑目測判斷集裝箱與敞車兩側(cè)間隙是否一致,很難保證落箱位置準確。因此,實際裝車過程中,經(jīng)常造成貨車偏載。

        集裝箱裝車質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng),用于檢測集裝箱在敞車內(nèi)裝載位置是否符合要求。主要由激光位移傳感器、信號變送處理器、無線發(fā)射器、無線接收器、控制器和人機界面組成(如圖5所示),具有長距離激光精確測距、無線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字智能、聲光報警等功能。

        圖5 集裝箱裝車質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)組成圖

        在集裝箱吊具兩端側(cè)面各安裝1只(共4只)高精度長距離激光位移傳感器,用于測量集裝箱側(cè)板與敞車內(nèi)側(cè)墻的間距,測量數(shù)值由信號變送處理器處理后,無線發(fā)射至司機室接收器,經(jīng)控制器處理,通過人機界面(與集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)共用)實時顯示集裝箱與敞車內(nèi)側(cè)墻的間隙值。當兩側(cè)距離偏差超過極限值時,安裝在司機室的聲光報警裝置即會自動報警,提醒司機調(diào)整箱體位置。

        系統(tǒng)還具有糾偏功能,即利用“集裝箱內(nèi)貨物裝載質(zhì)量智能檢測子系統(tǒng)”檢測到的箱內(nèi)貨物偏載方向和偏載數(shù)值,根據(jù)力矩平衡原理計算處理后,將安全落箱區(qū)域用綠色框線表示,指導司機將集裝箱往箱內(nèi)貨物偏載的反方向移動,縮小集裝箱重心與車輛中心偏差,即進行二次糾偏,從源頭防止裝車后偏載[8]。

        關鍵技術及原理如下:

        ①間距測量。由于激光位移傳感器光束與敞車內(nèi)側(cè)墻間夾角較小,且敞車內(nèi)側(cè)墻的表面不平整,導致測量光束射到車內(nèi)側(cè)墻的折射率很強,且光束的反射量很小,通過光束反射來測量距離的難度較大。為此,要求激光位移傳感器的測量光束要集中,光束要很細(小于0.5mm),強度要很大。由于激光傳感器與敞車內(nèi)側(cè)墻的距離為0~20m,并且是動態(tài)測量,因此要求激光傳感器的性能指標很高。

        測量距離計算方法,是利用激光位移傳感器實時在線測量傳感器與敞車內(nèi)側(cè)墻的間距d3,再利用直角三角形原理,推算出集裝箱與敞車側(cè)墻板的間距d。

        公式:d=d1+d2=d3*sin?+d2

        式中d2與?均為固定值。測出d3,系統(tǒng)即可計算出d值。

        圖6中:

        d:集裝箱與敞車側(cè)墻間距;

        d1:傳感器所在垂直平面與敞車側(cè)墻間距;

        d2:傳感器所在垂直平面與集裝箱側(cè)板間距;

        d3:激光傳感器與敞車內(nèi)側(cè)墻間距;

        ?:激光位移傳感器所投光束與其所在豎直平面的固定夾角。

        ②數(shù)據(jù)傳輸及處理。由于激光傳感器安裝在吊具上,測量數(shù)據(jù)在吊具與司機室之間如采取有線傳輸比較困難,因此需采取無線傳輸方式。由于集裝箱吊具與司機室的最遠距離達30~50m,且測量過程是動態(tài)的,因此,要求無線傳輸?shù)牟ㄌ芈屎芨撸垢蓴_能力強,誤碼率低,穩(wěn)定性好。無線傳輸模塊將測量到的4個距離數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)剿緳C室的檢測系統(tǒng)中。檢測系統(tǒng)通過計算和數(shù)據(jù)處理,將集裝箱與敞車左右內(nèi)側(cè)墻的間距、集裝箱重心偏離敞車中心線的距離通過人機界面實時顯示。

        ③聲光報警。司機通過人機界面可實時察看集裝箱在敞車內(nèi)的位置是否在安全區(qū)域。當兩側(cè)距離偏差超過極限值時,檢測系統(tǒng)以圖像顯示、語音提示、聲光報警提醒司機調(diào)整集裝箱位置,防止偏載。

        ④二次糾偏。將集裝箱內(nèi)貨物裝載智能檢測子系統(tǒng)檢測到的偏載數(shù)據(jù)引入控制器,經(jīng)數(shù)據(jù)處理后,對偏載程度較小且未達到極限值的集裝箱,指導司機反方向設偏放置,即進行二次糾偏操作,抵消或部分抵消集裝箱內(nèi)貨物偏載量,使集裝箱重心與敞車的中心重合或?qū)⒄`差縮小至允許范圍。

        圖6 敞車與集裝箱間距測量示意圖

        3 結(jié)束語

        集裝箱裝載質(zhì)量智能檢測系統(tǒng),一是功能更強,既能檢測集裝箱內(nèi)貨物重量及裝載均衡程度,對超載集裝箱或偏載、偏重程度超過極限值的集裝箱停止裝車,又能檢測裝載集裝箱的貨車超載、偏載和偏重情況,從源頭防止集裝箱裝載安全事故發(fā)生;二是智能化程度高,當超載、偏載、偏重達極限值時自動進行聲光報警,并根據(jù)集裝箱偏載、偏重數(shù)值,自動計算集裝箱在車底板上的安全落箱位置,指引司機正確操作;三是提高裝車效率,使用該系統(tǒng)后,裝車效率提高10%以上,作業(yè)人數(shù)減少20%,減少了因集裝箱和車輛裝載質(zhì)量問題產(chǎn)生的整理作業(yè),具有良好的安全效益和經(jīng)濟效益,且為研究集裝箱裝車智能控制技術打下了基礎。

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