基于RTK的敞車裝載集裝箱中心定位方案

（青島港國際股份有限公司 物流分公司，山東 青島 266500）

1 問題概述

集裝箱海鐵聯運具有運能大、成本低、污染少等突出優勢。然而，近些年集裝箱鐵路貨物的發送量在全國鐵路貨運量中所占的比例不到3%，遠遠低于發達國家30%～40% 的比例。目前我國鐵路集裝箱運輸存在的基礎設施薄弱、技術裝備落后等問題[1]，嚴重制約著我國集裝箱鐵路運輸的發展。

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，使用敞車裝運集裝箱時，由于敞車內部橫向尺寸與集裝箱寬度存在差值，造成集裝箱在敞車內橫向上有400mm 的自由移動空間。為了運輸安全，鐵路部門規定：貨物重心在水平面上的投影應落在車底板縱、橫中心線交點上，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，運行中不存在集裝箱位移現象。因此，鐵路運輸集裝箱偏載問題只存在于敞車中。經統計，因集裝箱箱內貨物裝載不均衡造成的鐵路貨車偏載約占總車數的5%，絕大多數集裝箱貨車偏載的原因系裝車時不居中和運行時集裝箱在敞車內發生位移所致[2]。

敞車集裝箱裝卸作業的港口機械有集裝箱正面起重機 (以下簡稱正面吊) 或輪胎式集裝箱龍門起重機(以下簡稱輪胎吊)。由于正面吊在作業時具有自由度更高、吊具更復雜、駕駛員視線受阻更嚴重和集裝箱拖車配合更靈活等特點，研究正面吊的作業方案更具有普遍意義。目前，在使用正面吊進行敞車裝載集裝箱作業時，現場需要增加1名指揮人員，通過手勢或喊話的方式指導正面吊駕駛員對集裝箱進行前后方向的微調 (由于駕駛員對左右方向不存在視覺盲區，因而對于左右方向暫不予考慮)。為保障現場作業安全和效率，為駕駛員提供一個可視化的定位方案，協助其完成敞車裝載集裝箱的精準作業，是值得深入研究的重要內容。

2 研究現狀

目前，對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行激光測距[3]，該技術的難點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。基于圖像處理技術的方案[4]能夠保證誤差在40mm 以內，但在夜晚工作時其定位精度較差。實踐表明，在正面吊上加裝的攝像頭或測距裝置，極易在裝卸過程中受損，而且在一定程度上會限制正面吊的其他作業用途。另外，集裝箱體和敞車車壁凹凸不平、敞車車型 (高度和寬度)不統一會影響測距的效果和方案的制訂。

因此，考慮運用全球導航衛星系統 (Global Navigation Satellite System，GNSS) 解決敞車裝載集裝箱偏載問題。GNSS泛指所有的衛星導航系統，包括全球的、區域的和增強的。為了提高定位精度，引入實時動態載波相位差分 (Real-Time Kinematic，RTK) 技術，該技術有以下特點。

（1）監測精度高。定位精度：平面為±1×10-6cm，高程為±2×10-6cm。

（2）觀測時間短。數據更新率為1～20 Hz (可選)；可以實時動態測量，極大提高裝車作業效率。

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

3 RTK技術原理

RTK 由一個基準站、若干個流動站和無線電通信系統組成。RTK 的工作原理是將1臺接收機置于基準站上，另一臺接收機置于流動站 (又稱載體) 上，基準站和流動站同時接收同一時間、同一 GPS 衛星發射的信號，基準站將所獲得的觀測值與已知位置信息進行比較，根據載波相對定位的原理得到 GPS 差分改正值。然后通過無線電數據鏈電臺，及時將這個改正值傳遞給共視衛星的流動站，精化其 GPS 觀測值，從而實時地計算出移動站的三維坐標和定位精度。

RTK 單位測量值的計算公式為

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

為了實現 RTK 系統高精度定位，移動站載波相位觀測量通常要與基準站接收機同時測得的量進行雙差處理，這時就要求來自基準站和移動站的數據在時間上相互匹配。

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

4 設計方案

運送集裝箱的敞車停靠在固定、筆直的軌道上。顯然軌道的中心線即為敞車的中心線。前期通過測繪軌道獲取精確的敞車位置信息；通過測量吊具的參數可以精確計算集裝箱在裝卸過程中4個角的三維空間位置；在吊具上安裝定位、定向 RTK 設備。運用無線網橋將吊具與敞車位置信息共享，敞車進入正面吊所在區域時，網絡通過無線自動連接，從而確定敞車相對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，據此再進行裝卸作業及調整。

系統由基準站、車載定位、通信、電源、三維防碰撞5個子系統組成，系統結構與數據流向如圖1所示。基準站和車載定位子系統記錄敞車和吊具的靜、動態位置和軌跡；通信子系統實現基準站與車載定位子系統間的數據差分解算，綜合處理和存儲信息；電源子系統實現系統長期供電；三維防碰撞子系統設置防碰撞報警閥值，裝卸時集裝箱放入敞車，系統自動進行敞車車廂和集裝箱箱體的三維坐標比對，兩者間距達到一定閥值即報警，并且顯示報警位置，直至裝卸安全完成。

圖1 系統結構與數據流向

5 結束語

試驗證明該方案的精度能達到30mm 以內，主要誤差來源是吊具的抖動。誤差范圍在鐵路部門規定的50mm 以內，有效地解決了敞車裝載集裝箱偏載問題，在一定程度上實現裝車現場的人機分離。該方案的主要缺點是造價相對較高。另外，受衛星狀況和數據鏈傳輸等因素的影響，在信號穩定性和測量精度方面，全站儀[5]可能更具有優勢。

[1] 高曉瑩.我國集裝箱鐵路運輸的現狀、問題及對策[J].中國鐵路，2011(2)：48-51.

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

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

[4] 洪方年.基于圖像處理技術的敞車裝載集裝箱定位系統的研究與實現[D].成都：西南交通大學，2009.

[5] 鄒永濤.全站儀誤差分析及其測量自動化的研究[D].北京：北京林業大學，2012.