周合軍，宗春光，劉必成

（同方威視技術(shù)股份有限公司，北京100084）

0 引言

集裝箱檢查系統(tǒng)是一種典型的輻射成像系統(tǒng)，采用放射源或者電子加速器產(chǎn)生X射線，根據(jù)X射線透過物體前后的強(qiáng)度變化來反映物體內(nèi)部質(zhì)量厚度的差異[1]，從而在掃描生成的圖像中發(fā)現(xiàn)違禁品、夾藏品等嫌疑。

目前市場上部署的集裝箱檢查系統(tǒng)盡管有多種結(jié)構(gòu)形式，但是因?yàn)橄到y(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)限制，都以固定檢查場地部署的形式為主，即集裝箱檢查系統(tǒng)安裝在港區(qū)內(nèi)固定的查驗(yàn)場地內(nèi)，集裝箱在從貨輪上被卸下后，首先由集裝箱運(yùn)輸車輛運(yùn)輸?shù)郊b箱堆場內(nèi)，海關(guān)或者港口再將被抽中的集裝箱由運(yùn)輸車輛從堆場內(nèi)運(yùn)輸?shù)郊b箱檢查系統(tǒng)所在的檢查場地內(nèi)進(jìn)行掃描檢查。

2017年6月，中國湖南株洲中車集團(tuán)發(fā)布了全球首列智軌列車，該列車采用的智軌技術(shù)使得列車在無需軌道鋪設(shè)的條件下，能夠安全穩(wěn)定行駛。

本文對(duì)智軌技術(shù)與X射線透射檢查技術(shù)的融合進(jìn)行研究，將智軌技術(shù)應(yīng)用在集裝箱檢查系統(tǒng)中，可以取消裝箱檢查系統(tǒng)對(duì)軌道限制，降低土建配套的難度，節(jié)省土建建設(shè)周期和成本。同時(shí)，擺脫了軌道的限制以后，集裝箱檢查系統(tǒng)具備了很好的機(jī)動(dòng)性，能夠在場地之間實(shí)現(xiàn)靈活自由轉(zhuǎn)場。

與此同時(shí)，常規(guī)的集裝箱檢查系統(tǒng)運(yùn)輸時(shí)需要拆散，現(xiàn)場需要重新組裝、接線和調(diào)試，技術(shù)難度大，耗時(shí)長。本文對(duì)收展折疊設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于集裝箱檢查系統(tǒng)進(jìn)行研究，使得系統(tǒng)在自帶射線屏蔽的情況下，依然可以收展、變形，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)輸，現(xiàn)場變形展開就可以投入運(yùn)行。這將大大減少現(xiàn)場的部署工作量和部署時(shí)間。

1 技術(shù)分析

集裝箱檢查系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同一般可以分為3種：固定式檢查系統(tǒng)、移動(dòng)組合式檢查系統(tǒng)、車載移動(dòng)式檢查系統(tǒng)。

固定式檢查系統(tǒng)采用一個(gè)固定的建筑物來安裝包括加速器、探測器等在內(nèi)的系統(tǒng)零部件，該建筑物采用混凝土結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的X射線進(jìn)行屏蔽，被檢查集裝箱車輛由拖動(dòng)系統(tǒng)牽引通過檢查通道的同時(shí)，系統(tǒng)出束完成掃描流程。

組合移動(dòng)式檢查系統(tǒng)采用承載艙體、臂架、橫梁等機(jī)械結(jié)構(gòu)來安裝加速器、探測器等系統(tǒng)零部件，系統(tǒng)自帶X射線屏蔽體，整個(gè)系統(tǒng)放置在2根或者3根鋪設(shè)好的軌道上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)往復(fù)移動(dòng)。被檢集裝箱車輛靜止停在掃描通道內(nèi)，系統(tǒng)在軌道上一邊移動(dòng)一邊出束，完成掃描流程。

車載移動(dòng)式檢查系統(tǒng)采用一輛商用底盤車作為承載工具，加速器、探測器等系統(tǒng)零部件安裝在底盤車上的自制艙體、臂架內(nèi)。臂架在工作時(shí)可以展開，不工作時(shí)可以收縮，整個(gè)系統(tǒng)在臂架收縮后可以上路行駛，到達(dá)現(xiàn)場后展開臂架即可開始工作。

目前市場上不同類型X射線集裝箱檢查系統(tǒng)擁有不同的特點(diǎn)，可以總結(jié)如表1所示。

表1 不同類型X射線集裝箱檢查系統(tǒng)特點(diǎn)

采用智軌技術(shù)的智軌列車采用“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)。通過各類車載傳感器識(shí)別路面虛擬軌道線路，將運(yùn)行信息傳送至列車“大腦”（中央控制單元），根據(jù)“大腦”的指令，在保證列車實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等正常動(dòng)作的同時(shí)，能夠精準(zhǔn)控制列車行駛在既定“虛擬軌跡”上，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

集裝箱檢查系統(tǒng)分為加速器分系統(tǒng)、探測器分系統(tǒng)、掃描裝置分系統(tǒng)、掃描控制分系統(tǒng)、運(yùn)行檢查分系統(tǒng)以及輻射防護(hù)分系統(tǒng)6個(gè)分子系統(tǒng)。

加速器采用6/3MeV雙能電子直線加速器，高、低能量的透射數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理，可以確定材料的質(zhì)量吸收系數(shù)和有效原子序數(shù)，區(qū)分出被檢物的材料[3]。

探測器分系統(tǒng)安裝在龍門架結(jié)構(gòu)形式的臂架內(nèi)，主要由探測器模塊、數(shù)據(jù)采集盒、采集電纜線束組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿過被檢物的X射線的采集。該系統(tǒng)探測器模塊采用高靈敏度多列小尺寸晶體，實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)。

掃描裝置分系統(tǒng)包括加速器艙、探測器臂架、探測器側(cè)設(shè)備艙、兩側(cè)防護(hù)墻、橫梁、立柱等部件。實(shí)現(xiàn)所有分系統(tǒng)的硬件承載。加速器艙、探測器側(cè)設(shè)備艙、兩側(cè)防護(hù)墻采用鋼鉛復(fù)合材料制成，實(shí)現(xiàn)對(duì)X射線的自屏蔽。

掃描控制分系統(tǒng)包括配電、控制兩個(gè)主要部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有分系統(tǒng)的供電和控制。

運(yùn)行檢查分系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)通訊組件、圖像數(shù)據(jù)采集組件、系統(tǒng)操作組件和圖像分析組件。實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作、圖像采集和圖像分析處理。

輻射防護(hù)分系統(tǒng)包括監(jiān)控射線束流警示燈、鈴、攝像機(jī)、急?？刂崎_關(guān)等零部件，保障人員以及環(huán)境的輻射安全。

系統(tǒng)構(gòu)成及邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成及邏輯結(jié)構(gòu)

2.2 智軌技術(shù)集成

智軌技術(shù)主要可以分為軌跡跟隨技術(shù)、智能控制技術(shù)和主動(dòng)安全技術(shù)。

在軌跡跟隨技術(shù)方案中，系統(tǒng)通過北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和激光導(dǎo)航等多種導(dǎo)航技術(shù)融合，提高了定位精度和導(dǎo)航精度，在不同的應(yīng)用場景實(shí)現(xiàn)了軌跡跟隨控制。其中：北斗/GPS衛(wèi)星采用專業(yè)級(jí)高精度接受機(jī)，采用差分基站技術(shù)，在車體上配置差分天線，接收衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的定位精度[4]，該導(dǎo)航方式適用于室外工作使用的場景，和局部轉(zhuǎn)場時(shí)路徑規(guī)劃；視覺導(dǎo)航采用攝像機(jī)進(jìn)行視頻采集，以特定的路面標(biāo)志作為參考和引導(dǎo)[5]，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)志指令進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在移動(dòng)的過程中定位和糾偏控制；激光導(dǎo)航采用激光雷達(dá)（Laser Radar）傳感器，對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行二維地圖構(gòu)建，利用基于概率的馬爾科夫（Markov）定位法進(jìn)行詢及定位[6]，從而實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。

智能控制技術(shù)主要依靠系統(tǒng)的4個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的膠輪，通過實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的摩擦阻力實(shí)現(xiàn)分時(shí)四驅(qū)[7]。在地面平整度較好的工作掃描場地，能夠自動(dòng)切換到兩驅(qū)模式；在地面平整度較差時(shí)，能夠自動(dòng)切換到四驅(qū)模式。同時(shí)控制系統(tǒng)還能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測轉(zhuǎn)向角度，并且根據(jù)不同角度下的4個(gè)旋轉(zhuǎn)輪的回轉(zhuǎn)中心，對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩分配，實(shí)現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)、控制能力。整個(gè)系統(tǒng)可進(jìn)行原地360°旋轉(zhuǎn)。

智軌系統(tǒng)通過在四周安裝激光傳感器和攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行時(shí)的主動(dòng)安全防范。通過激光傳感器采集的數(shù)據(jù)以及攝像機(jī)采集的視頻流分析，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)探測系統(tǒng)與周邊障礙物或人的距離。一旦距離小于安全距離，立即觸發(fā)報(bào)警保護(hù)機(jī)制，進(jìn)行聲光報(bào)警，必要時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止動(dòng)作，保證主動(dòng)運(yùn)行時(shí)的安全。

2.3 可變形結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用“類機(jī)器人”結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)，主要包括3種結(jié)構(gòu)。

（1）可旋轉(zhuǎn)、可折疊臂架結(jié)構(gòu)。臂架采用橫臂架和豎臂架兩部分組成，其中橫臂架和橫梁固定連接，橫、豎臂架采用角軸連接的形式，利用液壓缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)臂架旋轉(zhuǎn)和折疊。

（2）可同步升降的立柱結(jié)構(gòu)。雙側(cè)立柱起到支撐兩側(cè)結(jié)構(gòu)的作用，每側(cè)立柱都采用滑道結(jié)構(gòu)形式，利用液壓缸驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)同步升降。

（3）回轉(zhuǎn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)與加速器側(cè)立柱相連，在立柱旋轉(zhuǎn)時(shí)首先通過回轉(zhuǎn)平臺(tái)將立柱旋轉(zhuǎn)到加速器艙的外側(cè)，然后再進(jìn)行升降。

以上3種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配合電氣和液壓伺服控制，整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“類機(jī)器人”變形，可變形為運(yùn)輸姿態(tài)，如圖2所示，在該姿態(tài)下系統(tǒng)可以采用集裝箱或者平板車進(jìn)行海運(yùn)或者陸路長途整體運(yùn)輸。設(shè)備抵達(dá)現(xiàn)場后只需要吊車輔助放置到地面上，系統(tǒng)自帶姿態(tài)轉(zhuǎn)換操作按鈕，通過操作自動(dòng)展開，可變形為工作姿態(tài)如圖3所示，然后即可投入工作，完成現(xiàn)場部署。

圖2 采用智軌技術(shù)的可變形集裝箱檢查系統(tǒng)運(yùn)輸姿態(tài)

圖3 采用智軌技術(shù)的可變形集裝箱檢查系統(tǒng)工作姿態(tài)

2.4 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用膠輪驅(qū)動(dòng)的方式，擺脫了常規(guī)組合移動(dòng)式系統(tǒng)鋼軌道的束縛和限制；采用4個(gè)輪胎，每個(gè)膠輪都配備單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為動(dòng)力。根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)角的計(jì)算，對(duì)四輪驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算[8]。

考慮到系統(tǒng)的靈活轉(zhuǎn)向需求，4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別配置轉(zhuǎn)向電機(jī)，且可以獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)向程序的調(diào)整，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)的能力。

系統(tǒng)動(dòng)力可根據(jù)不同的需求有3種不同的選項(xiàng)，既有市電供電方式，也有可充電鋰電池和發(fā)電機(jī)供電方式可選。

3 系統(tǒng)功能

3.1 掃描功能

被檢集裝箱車輛停在掃描區(qū)域內(nèi)，司機(jī)下車并離開掃描通道，系統(tǒng)行走并自動(dòng)出束，完成掃描流程。

由于系統(tǒng)具備橫向移動(dòng)和原地旋轉(zhuǎn)的能力，系統(tǒng)具備獨(dú)特的掃描功能，一種是多排集裝箱車輛連續(xù)掃描功能，一種是集裝箱車輛雙側(cè)掃描功能。

多排集裝箱車輛連續(xù)掃描功能是多輛集裝箱車輛靜止不動(dòng)，系統(tǒng)可以掃描完一排之后自動(dòng)橫移到另外一排進(jìn)行掃描，大大提高系統(tǒng)在主動(dòng)檢查模式下的效率。如圖4所示。

圖4 多排集裝箱/車輛連續(xù)掃描功能

車輛雙側(cè)掃描功能是系統(tǒng)在掃描完一輛集裝箱或車輛后，原地旋轉(zhuǎn)180°后，再次從另外一側(cè)對(duì)同一輛集裝箱車輛進(jìn)行掃描，該功能可以解決由于集裝箱內(nèi)貨物重疊造成的在投影圖像上看不清楚的問題。如圖5所示。

圖5 集裝箱車輛雙側(cè)掃描功能

在系統(tǒng)主動(dòng)檢查時(shí)，由于系統(tǒng)自帶屏蔽功能，檢查場地?zé)o需建設(shè)混凝土防護(hù)墻的前提下，輻射防護(hù)區(qū)域占地只需要11 m，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0.4 m/s掃描速度時(shí)，對(duì)330 mm厚鋼板穿透力的性能指標(biāo)。而作為對(duì)比，同樣具有機(jī)動(dòng)性的常規(guī)車載移動(dòng)式檢查系統(tǒng)在相同系統(tǒng)性能指標(biāo)下，一般需要30~40 m的輻射防護(hù)區(qū)域?qū)挾?，且車載移動(dòng)式檢查系統(tǒng)局限于商業(yè)底盤車的轉(zhuǎn)彎半徑大（一般為10~15 m），在同樣的工作區(qū)域內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)多排車輛連續(xù)掃描和車輛雙側(cè)掃描功能。

3.2 局部轉(zhuǎn)場功能模式

在該功能模式下，系統(tǒng)自帶發(fā)電機(jī)或者可充電電池，實(shí)現(xiàn)在港區(qū)、口岸或者集裝箱堆場內(nèi)進(jìn)行靈活的轉(zhuǎn)移，無需軌道，無需供電，以1.3 km/h的行駛速度進(jìn)行自行走轉(zhuǎn)場。

4 結(jié)束語

采用智軌技術(shù)的可變形集裝箱檢查系統(tǒng)是集裝箱非侵入檢查領(lǐng)域的一個(gè)巨大技術(shù)創(chuàng)新。智軌技術(shù)和X射線技術(shù)相融合，使得系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場無軌道條件下安全、穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)也創(chuàng)造了獨(dú)特的多排車輛連續(xù)掃描檢查功能和車輛雙側(cè)掃描檢查功能。

可變形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)可以采用平板車輛整體運(yùn)輸，到達(dá)現(xiàn)場后展開即可工作，極大的提高了部署速度。采用智軌技術(shù)的可變形集裝箱檢查系統(tǒng)可以應(yīng)用在各種海港碼頭和陸路口岸，擁有巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場前景。