鐵路運輸集裝箱裝載質量智能檢測系統(tǒng)研究

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，在運輸過程中受到沖撞或外力作用時容易側翻，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貨物裝載質量和集裝箱裝車質量進行檢測，既要保證集裝箱內貨物重量及偏載、偏重在允許范圍內；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。

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 集裝箱裝載質量智能檢測系統(tǒng)

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

圖1 集裝箱裝載質量智能檢測系統(tǒng)示意圖

2.1 集裝箱內貨物裝載質量智能檢測子系統(tǒng)

集裝箱內貨物裝載質量智能檢測子系統(tǒng)，用于檢測集裝箱內貨物超載、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)轉換并進行系統(tǒng)計算后，得出集裝箱重量及箱內貨物偏載、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，可繼續(xù)裝車運輸；反之，停止裝車，開箱整理。

結構原理及功能如下：

（1）轉鎖結構。在轉鎖中部安裝稱重拉力傳感器，信號電纜從轉鎖尾部引出（如圖3所示）。稱重拉力傳感器與轉鎖的整體結構，保證了傳感器與轉鎖的穩(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 轉鎖結構裝配圖

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。當b值為負值時，表示D點在X軸下側。負值表示反向偏重和反向偏載。

當|a|＞3000kg時，起重機司機室內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)人員調整集裝箱內貨物裝載位置。

（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 集裝箱裝車質量智能檢測子系統(tǒng)

經“集裝箱內貨物裝載質量智能檢測子系統(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“集裝箱內貨物裝載質量智能檢測子系統(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》“兩轉向架承受重量之差不得大于10噸”規(guī)定。因此，凡經“集裝箱內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，無論集裝箱在車內靠前或靠后放置，貨車偏重量均在允許范圍內。

（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“集裝箱內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。

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。”而集裝箱偏載量極限值為50mm。因此，凡經“集裝箱內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。

（2）鐵路敞車偏載分析及檢測技術

不同型號的鐵路敞車內寬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：集裝箱靠敞車一側裝載，但箱內貨物均衡。將1只40英呎或2只20英呎標準重量且箱內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墻），空隙（452～462mm）留在敞車另一側。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：集裝箱靠敞車一側裝載，箱內貨物偏載，且偏載方向與集裝箱在車內位置方向一致。將箱內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，且集裝箱偏載一側緊貼敞車內墻，空隙（452～462mm）全部留在敞車另一側。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：集裝箱靠敞車一側裝載，箱內貨物偏載，但偏載方向與集裝箱在車內位置方向相反。將第二種情況的集裝箱裝入敞車，且集裝箱偏載一側遠離敞車內墻。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。”在上述三種情況下，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，經常造成貨車偏載。

集裝箱裝車質量智能檢測子系統(tǒng)，用于檢測集裝箱在敞車內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 集裝箱裝車質量智能檢測子系統(tǒng)組成圖

在集裝箱吊具兩端側面各安裝1只（共4只）高精度長距離激光位移傳感器，用于測量集裝箱側板與敞車內側墻的間距，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，經控制器處理，通過人機界面（與集裝箱內貨物裝載質量智能檢測子系統(tǒng)共用）實時顯示集裝箱與敞車內側墻的間隙值。當兩側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，提醒司機調整箱體位置。

系統(tǒng)還具有糾偏功能，即利用“集裝箱內貨物裝載質量智能檢測子系統(tǒng)”檢測到的箱內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側墻間夾角較小，且敞車內側墻的表面不平整，導致測量光束射到車內側墻的折射率很強，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側墻的距離為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側墻的間距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：集裝箱與敞車側墻間距；

d1：傳感器所在垂直平面與敞車側墻間距；

d2：傳感器所在垂直平面與集裝箱側板間距；

d3：激光傳感器與敞車內側墻間距；

?：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側墻的間距、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的位置是否在安全區(qū)域。當兩側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整集裝箱位置，防止偏載。

④二次糾偏。將集裝箱內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貨物偏載量，使集裝箱重心與敞車的中心重合或將誤差縮小至允許范圍。

圖6 敞車與集裝箱間距測量示意圖

3 結束語

集裝箱裝載質量智能檢測系統(tǒng)，一是功能更強，既能檢測集裝箱內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量問題產生的整理作業(yè)，具有良好的安全效益和經濟效益，且為研究集裝箱裝車智能控制技術打下了基礎。