基于集裝箱軌道動力平車的精確定位系統及方法

黃澤星

(中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，武漢 430074)

1 概述

目前，用于港口前沿碼頭與集裝箱堆場之間的集裝箱運輸方式是傳統的港口集裝箱集卡車，一般是采用人工駕駛的內燃機動力卡車，滿足自動化裝卸作業的已經采用自動駕駛的港口集卡車或AGV集裝箱自動運行運輸車（例如：曹妃甸港、青島港、洋山港和荷蘭鹿特丹港）。

集裝箱軌道動力平車系統（簡稱軌道動力平車或軌道集卡車）是一種運用于集裝箱鐵水、海水聯運駁接中轉運輸系統中自有動力、自動化運行的軌道運輸車輛總稱。它是集合鐵路動車、鐵路集裝箱平車車輛、港口自動駕駛集卡車、港口集裝箱AGV自動運輸車的技術優點進行創新產生軌道運輸工具。在鐵路與港口之間，建立一種基于自動力運行裝載集裝箱車輛，新的接駁作業系統、作業設備、作業方法、作業流程以及自動化控制方法提高鐵水聯運、江海聯運集裝箱交換貨物的效率，減低成本，降低集裝箱聯運中轉時間。

集裝箱軌道動力平車本車與相鄰車輛、集裝箱裝卸機具和障礙物之間的相對距離和方位的相對距離需要定位；軌道動力平車相對定位用于在裝車、卸車時與裝卸機具的同步；重聯時與相鄰軌道動力集卡車間的調速、制動和連接；解開時與相鄰軌道動力集卡車間保持安全距離。為了實現集裝箱軌道動力平車的精確定位，本文在基于集裝箱自動化裝卸作業方式下提出一種集裝箱軌道動力平車定位系統和方法。

2 系統結構與功能

集裝箱軌道動力平車設定位系統，是軌道動力平車車載計算機控制系統的子系統，用于作業和行駛中軌道動力平車車輛自主定位和相對定位。定位系統由自主定位系統、相對定位系統和監控系統組成。自主定位系統主要由GPS/BD+差分校正系統、信標+走行測距儀定位系統組成；相對定位系統主要由紅外、超聲或激光雷達測距儀系統組成。如圖1 所示。

圖1 鐵路車輛計算機定位系統結構圖Fig.1 Structure diagram of railway vehicle computer positioning system

自主定位系統用于軌道動力平車在自動化裝卸作業中定位，自主定位可以采用全球衛星定位技術及差分定位（GPS/BD+差分）、信標+走行測距儀等滿足軌道動力平車自動化作業的精度要求的技術。差分定位用于常規運行定位，信標+走行測距儀用于遮蔽區域的精確定位，磁釘是信標的一種。

相對定位系統測量本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對距離和方位的相對距離定位，用于軌道動力平車重聯過程中與相鄰軌道動力集卡車間的調速、制動和連接；軌道動力平車解開過程時與相鄰軌道動力集卡車間保持安全距離。滿足自動化裝卸和運輸作業的要求。

監控系統用于自主定位系統、相對定位系統數據匯總、整理和車輛位置換算，控制相關的網絡通信和數據信息交換，實現人機交互查詢功能和維護。監控系統采集信號并運算后的坐標，傳輸給車載計算機控制系統用于軌道動力平車的控制。監控系統采集信號并運算后的坐標，可以在鐵路線路里程和地理坐標之間轉換，可以用于在不同運用環境和不同系統之間交換定位信息。

3 系統定位方法

軌道動力平車是一種典型的路基交通方式。它運行在固定的軌道上，運行環境絕大多數在常規線路中，部分路段在站場遮蔽區域，這就需要系統在作業范圍內提供精確并且延遲較小的位置信息供給車載計算機控制系統作為控制依據。

3.1 自主定位系統及方法

軌道動力平車自主定位系統采用“衛星差分定位系統和信標+走行測距儀定位系統”組合定位方式提高定位精度，滿足自動化作業的精度要求。

軌道動力平車在初始狀態和鐵路區間等空曠控制區域采用“GPS/BD+差分校正系統定位技術”，在有遮蔽的區域和需要與裝卸機具精確配合的裝卸作業區域采用“信標+走行測距儀定位系統”。

“2GPS/BD+差分校正系統定位技術”是成熟技術，有成熟的產品。軌道動力平車設置衛星定位接收機，通信終端連接到軌道動力平車車載控制系統，定位系統選用高精度的差分衛星定位接收機作為參考系統，為了達到參考系統與被測系統測量位置一致的要求，用信號分配器將從衛星信號接收天線接收到的信號分配給參考系統以及被測系統的GPS/BD 接收機。在有遮蔽的區域和需要與裝卸機具精確配合的裝卸作業區域采用“信標+走行測距儀定位系統”。走行測距儀通過測量軌道動力平車車輛車輪同軸的測速電機和旋轉光柵傳感器或輪速傳感器來給出信號計算出速度、方向和行駛距離。測速電機適用于中高速運行速度的測速，低速運行時誤差較大；而旋轉光柵傳感器或輪速傳感器適用于低速運行車輛的測速，運用于在高速運行區段時對測速系統傳感器的反應時間提出較高的要求。 走行測距儀傳統上被固定在傳動軸上。軌道動力平車車輛在車輪上安裝一個走行測距儀，也稱為輪速傳感器，用于防抱死剎車系統。走行測距儀安裝在傳動軸上，每當鋸齒穿過傳感器，磁通密度就會變化，測量它會產生一個脈沖信號，脈沖數與行駛距離成正比，通過差分可給出速度。

磁釘技術是信標定位技術的一種，在鐵路車站到發線、編組線、裝卸線等線路鋼軌枕木上相隔一定距離裝設磁釘，磁釘定位的隱秘性好、美觀性強，磁釘抗干擾強，抗磨損性強，抗酸堿、油污等影響，磁釘預埋打孔填埋在枕木地面下，整個鐵路線路地面以上不需要其他定位輔助設備，不會影響軌道線路行車安全。每一個磁釘都記錄著其在鐵路線路上的鐵路里程坐標。在集裝箱軌道動力平車底盤的前端安裝檢測天線。當軌道動力平車在鐵路線路上行駛或作業時，設在軌道動力平車兩端天線在覆蓋磁釘時可以測量磁釘相對于天線的位置，同時讀出磁釘在鐵路線路中的鐵路里程坐標位置。

這樣，當軌道動力平車上天線檢測到磁釘時，就可以直接計算出軌道動力平車在鐵路線路上的鐵路里程坐標。天線在運行過程中檢測出一個磁釘就知道定位，檢測到兩個磁釘就知道運行方向，監控系統通過磁釘鐵路里程的大小變化判斷軌道動力平車的運行方向。軌道動力平車在有遮蔽的區域和需要與裝卸機具精確配合的裝卸作業非道岔區段采用“磁釘定位+走行測距儀定位系統方式”。在道岔區段，由于道岔軌道線路復雜，磁釘無法有序安裝，采用走行測距儀定位系統，可以滿足定位要求，如圖2 所示。

圖2 軌道磁釘布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of railway magnetic nail layout

為提高軌道動力平車在極低速度和高速運行環境下都能夠滿足走行測距精度的要求，本方案走行測距儀采用測速電機與輪速傳感器或光柵傳感器組合測量方法，在兩種精度速度測量曲線交叉點選取傳感器數據轉換點。例如：設定30 km/h 為交叉點，30 km/h 以上采用測速電機測量的數據，30 km/h 以下采用測速輪速傳感器或光柵測速傳感器測量的數據。

安裝在軌道動力平車列車車軸上的測速電機通過統計車輪轉過的圈數和角度，然后用圈數乘以輪徑周長來得到軌道動力平車在此段內的運行距離。當軌道動力平車初始位置與隨后的運行距離已知時，就可以計算出軌道動力平車的當前位置，以此來實現軌道動力平車定位。

軌道動力平車車輪上加裝輪速傳感器或光柵傳感器組合，使用光電設備對車輪的轉動圈數和角度進行量測并計數，然后再乘以車輪周長從而得到列車的位移。安裝在軌道動力平車上的測速電機與輪速傳感器或光柵傳感器互為冗余，兩種設備都可以測出軌道動力平車的走行距離與速度，再加上安裝在軌道線路上的磁釘定位系統，就可以得到軌道動力平車的精確鐵路里程坐標。監控系統預先存儲車站場電子地圖，站場電子地圖包含了車站的各種地物圖形數據（如通道、涵洞、橋梁、天橋等）、精確的鐵路里程坐標（誤差為cm 級）、附屬設施以及股道、轉線道岔、信號機、絕緣節、警沖標、車擋和站臺其他相關屬性數據以及測量點與參考坐標點的距離等物理數據。監控系統根據軌道動力平車在鐵路里程上的鐵路里程坐標從而得到軌道動力平車的在鐵路線路上精確位置。監控系統得到軌道動力平車車輛車號所對應的精確位置坐標定位，形成一組（車輛車號、精確位置坐標）數據信息上傳至車載計算機控制系統。

3.2 相對定位系統及方法

軌道動力平車相對定位系統裝置主要采用超聲、紅外線或激光測距、雷達測距原理，在軌道動力平車兩端分別設置紅外線或激光測距儀，采用紅外線激光光束掃描軌道動力平車周圍環境，軌道動力平車通過接收反射信號，判斷相鄰車輛和障礙物之間的相對距離，并按鐵路集裝箱作業現場環境需要，依據不同距離設定多級不同的報警區和危險區。當相鄰軌道動力平車車輛障礙物在不同報警區時，發出報警信號或減速，當相鄰物體在危險區時，軌道動力平車定位系統將信息傳達給車載控制系統，軌道動力平車車載控制系統控制軌道動力平車動力系統和制動系統，軌道動力平車可以立即減速停止下來。

相對定位系統測量本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對距離和方位的相對距離定位。相對定位用于在裝車、卸車時與裝卸機具的位置同步，重聯時與相鄰軌道動力集卡車間連接時的調速、制動；解開時與相鄰軌道動力集卡車間保持安全距離確認，滿足自動化裝卸和運輸作業的要求。

鐵路集裝箱自動化控制系統下達裝車作業裝車位置、數量指令，通過車載總線傳遞給軌道動力平車車載控制系統，車載總線接受軌道動力平車定位系統初始定位，車載控制系統控制軌道動力平車向裝車線裝車位置運行，軌道動力平車運行過程中，定位系統不斷將位置信息發送至車載控制系統，當車載控制系統得到的鐵路里程坐標與裝車線裝車位置一致時，車載控制系統控制軌道動力平車減速停車。軌道動力平車到達指定位置，通過車-車無線通信系統與集裝箱裝卸機具交換位置數據，與裝卸機具保持協同裝車距離并同步移動。

4 結束語

本文在基于集裝箱自動化裝卸作業方式下，為解決鐵路集裝箱裝卸作業車輛定位精度不高的問題，實現集裝箱軌道動力平車本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對距離和方位的相對距離相對定位，提出了一種集裝箱軌道動力平車自主與相對定位系統和方法。本方案是基于GPS/BD+差分、信標+走行測距儀組合定位系統，集裝箱自動化控制系統計算解決每一個集裝箱軌道動力平車在鐵路線路中自主精確定位；基于激光測距儀或雷達測距儀定位方法解決集裝箱軌道動力平車本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對距離；軌道動力平車車輛通過上述定位方法可以調控車輛運行速度、運行方向、停車位置，其定位精度滿足裝卸自動化的軌道動力平車作業定位精度要求。

該系統適合鐵路港灣站集裝箱裝卸中轉作業及運行中集裝箱軌道動力平車精確定位及相對定位，也適應其他用途的運動或靜止鐵路有源車輛的精確定位。