楊 帥，王寶超，管 鑫，南光熙

（1. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035；2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044）

0 引言

軌道交通集裝箱運(yùn)輸是一種高效、低成本的貨物運(yùn)送手段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國(guó)、歐洲等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，軌道交通集裝箱貨運(yùn)量占比超過(guò)20%；而在我國(guó)則低于5%。隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，建設(shè)以高速動(dòng)車組為代表的軌道交通集裝箱貨運(yùn)體系迫在眉睫，這將極大提高國(guó)內(nèi)和國(guó)外的供應(yīng)鏈效能，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[1]。

高速貨運(yùn)動(dòng)車組運(yùn)行速度超過(guò)250 km/h，車輛若偏載過(guò)大，則會(huì)對(duì)列車的運(yùn)行造成安全隱患，因此，貨物在集裝箱內(nèi)的載荷配置要求嚴(yán)格，列車組的輪壓偏差必須在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[2-3]，軌道交通運(yùn)行車輛的輪重偏差不能大于平均輪重的±4%，軸重偏差不能大于平均軸重的±2%。所以，集裝箱貨物配載時(shí)，需要進(jìn)行配載車輛的重心計(jì)算，以確保車輛的偏載率符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。目前車輛稱重均在裝載后進(jìn)行，且尚無(wú)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)裝載前貨物的虛擬配載；為了使偏載量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，配載時(shí)需要反復(fù)調(diào)整和操作。為此，本文提出一種通過(guò)對(duì)集裝器進(jìn)行稱重與管理來(lái)實(shí)現(xiàn)裝載前的虛擬配載系統(tǒng)方案——基于遺傳算法的智能無(wú)偏載裝車系統(tǒng)，其能對(duì)高速貨運(yùn)動(dòng)車組的集裝器進(jìn)行快速精確的稱重、重心計(jì)算和智能虛擬配載，可實(shí)現(xiàn)列車的偏載率控制，從而確保列車的運(yùn)行安全。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

貨運(yùn)動(dòng)車組集裝器的智能裝車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中，機(jī)械系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)集裝器的上下料、稱重等功能，電氣系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的控制和傳感器信息的采集及處理，軟件系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的管理及流程操作等。

圖1 用于貨運(yùn)動(dòng)車組集裝器的智能裝車系統(tǒng)Fig. 1 Intelligent loading system of freight train unit container

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

貨運(yùn)動(dòng)車組集裝器智能裝車系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)分為上料輥輪架、稱重單元、下料輥輪架及防護(hù)裝置等4 部分（圖2）。

圖2 智能裝車系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)Fig. 2 Mechanical structure of intelligent loading system

1.1.1 上料輥輪架

上料輥輪架為框架結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)和輥輪組成，輥輪之間采用鏈條進(jìn)行動(dòng)力傳遞,并能進(jìn)行獨(dú)立的雙向驅(qū)動(dòng)。其長(zhǎng)度為3 273 mm，寬度為2 000 mm，減速電機(jī)的速比是30，功率是1.1 kW。

1.1.2 稱重單元

圖3 稱重及重心測(cè)量原理Fig. 3 Schematic diagram of weighing and gravity center measurement

稱重單元也為框架結(jié)構(gòu)，其采用電機(jī)和鏈輪鏈條進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在4 個(gè)邊角處設(shè)有高精度稱重傳感器。其測(cè)量原理如圖3 所示，一旦集裝器放在稱重設(shè)備上，稱重設(shè)備便自動(dòng)進(jìn)行稱重和去皮操作，并通過(guò)軟件計(jì)算出集裝器的相對(duì)重心位置[4]；同時(shí)，測(cè)距傳感器對(duì)集裝器的相對(duì)位置進(jìn)行測(cè)量及修偏，從而計(jì)算出集裝器的重心坐標(biāo)。

集裝器的質(zhì)量為

式中：Wi——集裝器的質(zhì)量在第i 個(gè)稱重傳感器上的分量，Wi=Gi-Pi，i=1,2,3,4；Gi——第i 個(gè)稱重傳感器在集裝器放置后支撐部位的測(cè)量值；Pi——第i 個(gè)稱重傳感器支撐部位未放置集裝器的測(cè)量值。

未考慮偏角時(shí)，集裝器的重心（x1, y1）表達(dá)公式如下：

式中：a 和b——稱重單元的邊長(zhǎng)。

考慮偏角且修正后，集裝器的重心公式如下：

式中：c，d，e，f，h——測(cè)距傳感器測(cè)得的集裝器各邊到稱重單元的距離；Δx，Δy——修偏常數(shù)。

系統(tǒng)稱重及重心測(cè)量的流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)稱重及重心測(cè)量的流程圖Fig. 4 Flow chart of system weighing and gravity center measurement

每個(gè)稱重傳感器下方均設(shè)置有高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（圖5），其采用螺紋方式調(diào)節(jié)，使4 個(gè)稱重傳感器頂部始終處于同一水平面，以保證了系統(tǒng)測(cè)量精度。

圖5 稱重傳感器調(diào)整架Fig. 5 Adjustment frame of load sensor

1.1.3 下料輥輪架

下料輥輪架也為框架結(jié)構(gòu)，主要由電機(jī)和輥輪組成。輥輪之間采用鏈條進(jìn)行動(dòng)力傳遞,并能進(jìn)行獨(dú)立的雙向驅(qū)動(dòng)。其主要技術(shù)參數(shù)：長(zhǎng)為3 273 mm，寬為2 000 mm，減速電機(jī)速比為30，功率為1.1 kW。

1.1.4 防護(hù)裝置

防護(hù)裝置主要包括防傾翻的防護(hù)架和護(hù)欄。防傾翻的防護(hù)架被置于集裝器下料輥輪架上，位置在其下料方向的前方，用于阻止質(zhì)量為1 000 kg的集裝器沖出輥輪架。

1.2 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要包括電氣控制柜、稱重傳感器、信號(hào)觸發(fā)傳感器、測(cè)距傳感器、工控機(jī)和手持式終端，其中電氣控制柜采用Siemens S7-300 系列PLC，稱重傳感器采用狄那喬C3 精度傳感器模塊，工控機(jī)采用Lenovothinkpad E42，手持式終端采用Microsoft Surface 3便攜式平板終端。

1.3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要包括主機(jī)客戶端軟件和手持式客戶端軟件。主機(jī)客戶端軟件系統(tǒng)環(huán)境是Windows 10，手持式客戶端軟件開發(fā)基于Microsoft Visual Studio 和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。主機(jī)客戶端軟件的主要功能為：根據(jù)各稱重傳感器測(cè)量得到的集裝器重量及載荷分布情況進(jìn)行重心計(jì)算，并對(duì)集裝器進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化管理，以實(shí)現(xiàn)虛擬配載，其功能構(gòu)成如圖6 所示。

圖6 主機(jī)端軟件功能模塊Fig. 6 Software function modules in host side

在完成虛擬配載后，生成裝載流程并導(dǎo)出到手持式客戶端APP。手持式客戶端軟件的主要功能為下載和接收裝箱流程，指導(dǎo)實(shí)際配載作業(yè)，過(guò)程中可實(shí)時(shí)顯示各輪壓的變化，如圖7 所示。

圖7 手持式客戶端軟件主界面Fig. 7 Main interface of handheld client software

2 基于遺傳算法的智能裝車方法

2.1 裝箱原理

集裝器分為大小兩種，裝箱時(shí)，較大的集裝器為單列排放，較小的集裝器為雙列排放。由于貨運(yùn)列車的貨物入口在車廂的中部，所以集裝器裝載時(shí)采用從兩端開始對(duì)稱裝貨的方式，即左-右-左-右地輪流裝載，如圖8 所示。

圖8 裝箱示意圖Fig. 8 Schematic diagram of packing

裝箱的約束條件為：（1）順序?yàn)橄鹊胶筮M(jìn)；（2）單節(jié)車輛中集裝器總重不能超過(guò)額定重量；（3）單節(jié)車輛輪壓偏差不能超過(guò)4%；（4）單節(jié)車輛軸重偏差不能超過(guò)2%；（5）大小集裝器不能混裝。

篩選集裝器時(shí)，在遵循裝箱的先后順序的前提下，采用以下原則進(jìn)行：（1）對(duì)稱原則。為了使左、右輪壓的偏移量控制在允許范圍內(nèi)，篩選采用對(duì)稱原則，即選定一個(gè)集裝器后，根據(jù)其重心偏移量篩選出一個(gè)與其偏移量相對(duì)稱的集裝器，組成集裝器對(duì)（小集裝器是左右兩個(gè)為一對(duì)，大集裝器是相鄰兩個(gè)為一對(duì)）。若每個(gè)集裝器對(duì)的左、右重心偏差均在允許范圍之內(nèi)，則整車的左右重心偏差不會(huì)超標(biāo)。（2）相似原則。為了保證軸重偏差不超標(biāo)，篩選時(shí)，采用相似原則進(jìn)行篩選，即選定一個(gè)集裝器對(duì)，則選擇與其重量指標(biāo)盡可能相近的集裝器對(duì)與其配對(duì)，并在裝箱時(shí)將配好對(duì)的集裝器對(duì)裝入對(duì)稱位置。

2.2 基于遺傳算法的裝箱方法

裝箱問(wèn)題是離散組合的最優(yōu)化問(wèn)題，屬于完全多項(xiàng)式非確定性問(wèn)題（NPC 問(wèn)題）。根據(jù)Garey 與Johnson 在1979 年出版的關(guān)于NPC 理論的書[5]：在有限、合理的時(shí)間內(nèi)，難以求得大規(guī)模NPC 問(wèn)題的最優(yōu)解。因此，裝箱問(wèn)題的求解只能依賴于各種啟發(fā)式算法[6-8]。

啟發(fā)式算法的定義是：某類問(wèn)題P，假設(shè)它的所有實(shí)例集合為Dp，Sp（I）為待用解集合，對(duì)于任意給定的實(shí)例I，其中I ∈Dp，算法A 一定能找到一個(gè)待用解集σ，使得σ ∈Sp（I），則稱算法A 為問(wèn)題P 的一個(gè)啟發(fā)式算法。常用裝箱問(wèn)題的啟發(fā)式算法主要包括經(jīng)典算法、計(jì)算智能算法、遺傳算法、構(gòu)造型算法及混合型算法等。本文基于遺傳算法的裝箱方法如圖9 所示，其中N 為集裝器的總數(shù)量。

圖9 基于遺傳算法的智能裝車方法Fig. 9 Intelligent loading method based on genetic algorithm

一個(gè)基于直觀或經(jīng)驗(yàn)構(gòu)造的算法，在可接受的花費(fèi)（指計(jì)算時(shí)間和空間）下給出待解決組合優(yōu)化問(wèn)題中每一個(gè)實(shí)例的一個(gè)可行解，該可行解與最優(yōu)解的偏離程度一般不能被預(yù)計(jì)?，F(xiàn)階段， 裝箱問(wèn)題的啟發(fā)式算法中主要采用構(gòu)造性算法，即通過(guò)逐個(gè)增加解的構(gòu)造元素來(lái)求解。構(gòu)造性算法的循環(huán)次數(shù)與解空間的大小無(wú)關(guān)，與問(wèn)題解的構(gòu)造元素個(gè)數(shù)成正比關(guān)系，所以計(jì)算速度較快[9]。

裝箱問(wèn)題構(gòu)造算法主要包括定序規(guī)則和定位規(guī)則，這兩者分別用來(lái)確定待布局物體放入布局空間的先后順序和布局空間擺放的位置。結(jié)合到本項(xiàng)目的裝箱特點(diǎn)，當(dāng)集裝器配成對(duì)后，定序與定位在數(shù)學(xué)意義上幾乎完全等效。

由于集裝器本身的形狀特征非常固定，遺傳因子復(fù)雜度很低，容易生成編碼序列，故在本項(xiàng)目中將采用簡(jiǎn)化遺傳算法，具體算法如下：

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的貨運(yùn)動(dòng)車組集裝器智能裝車系統(tǒng)的性能及有效性，進(jìn)行了兩項(xiàng)測(cè)試：一部分是稱重及重心測(cè)量，另一部分是生成裝箱流程并完成裝車[10]。

3.1 重心測(cè)試

采用鋼結(jié)構(gòu)金屬模擬試件進(jìn)行測(cè)試，其質(zhì)量213.77 kg，長(zhǎng)1 200 mm，寬1 000 mm，重心坐標(biāo)（630 mm, 462 mm）。分別在兩個(gè)位置（內(nèi)傾及外傾各一組）各測(cè)量12 次，共計(jì)24 次，根據(jù)重心計(jì)算公式求解重心，根據(jù)其測(cè)量結(jié)果判斷稱重的一致性及計(jì)算的正確性。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 重心測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Test results of gravity center

從表1 可得，稱重誤差不超過(guò)1 kg；重心計(jì)算的平均誤差在x 和y 方向均小于1 mm；重心誤差在x 方向?yàn)?4.10 ～ 4.50 mm；y 方向?yàn)?3.90 ～ 3.80 mm。

3.2 模擬裝箱流程測(cè)試

根據(jù)集裝器重量，采用隨機(jī)生成的車輛輪壓和軸重?cái)?shù)據(jù)樣本（樣本數(shù)量為24 個(gè)）模擬配載；并生成裝箱流程，通過(guò)優(yōu)化各輪壓、軸重，測(cè)試并驗(yàn)證該流程的準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，裝箱流程生成并完成裝箱后，輪壓偏差為3%，軸重偏差為1%。這兩項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求（即輪重偏差小于平均輪重的±4%，軸重偏差小于平均軸重的±2%）。

表2 模擬裝箱流程測(cè)試Tab. 2 Simulated packing process test (單位：kg)

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種基于遺傳算法的貨運(yùn)動(dòng)車組集裝器用智能裝車系統(tǒng)，其測(cè)量誤差不超過(guò)5 kg，輪重偏差小于平均輪重的±4%，軸重偏差小于平均軸重的±2%，嚴(yán)格控制了列車的偏載率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速貨運(yùn)動(dòng)車組集裝器的智能稱重和智能配載，保證了列車的安全運(yùn)行。

受時(shí)間和樣本數(shù)量的限制，雖試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性，但仍需大量樣本試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性，這也是下一步工作的方向。