鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統設計研究

張彥慶

(中國鐵路北京局集團有限公司 貨運部，北京 100045)

隨著國家“一帶一路”倡議深入實施，中歐集裝箱班列數量不斷增加，國內集裝箱吞吐量增幅持續增長，對鐵路站場服務能力提出更高要求。目前我國鐵路站場生產調度、裝卸過程還是以人工操作模式為主，存在效率低、成本高、安全性不高的問題，為提升鐵路集裝箱站場裝卸作業效率及管理水平，開展鐵路集裝箱站場裝卸自動化的開發研究是鐵路集裝箱站場發展的必然趨勢[1]。

1 鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統框架設計

鐵路集裝箱站場裝卸自動化著眼于現代鐵路集裝箱站場裝卸作業發展方向[2]，采用自動化堆場技術，對鐵路集裝箱站場裝卸作業自動控制中的箱管系統、遠程控制、精確定位、防搖減擺、網絡通訊、視頻傳輸、智能識別、安全系統等技術進行研究，將控制系統集成設計，構建一個完整有效的遠程智能自動化控制系統，實現站場自動化遠程智能控制，提升鐵路集裝箱站場裝卸作業的技術和管理水平。

1.1 系統框架設計

鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統包括智能化裝卸作業系統和自動化裝卸控制系統2部分，采用先進的智能調度技術、數控技術、傳感檢測技術、精確定位技術、網絡通信技術、智能識別技術，將兩大系統深度融合，實現信息世界和物理世界的有機結合，達到對站場起重機安全、可靠、高效、實時、準確的感知和控制。通過網絡實現室內操作臺對本地或異地的集裝箱裝卸遠程自動化控制，達到作業現場 “無人化”的目標。鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統框架設計如圖1所示。

1.2 智能化裝卸作業系統

智能化裝卸作業系統通過讀取鐵路電商平臺、鐵路箱管系統、鐵路運輸系統等得到外部數據信息，并與鐵路車廂位置檢測系統、集裝箱箱號識別系統、智能化裝卸設備系統、集卡停靠位置檢測系統、鐵路車號識系統等檢測識別系統及自動化裝卸控制系統進行數據信息交互，針對具體作業任務類型，按照裝卸作業原則自動生成作業計劃，輸出作業指令至自動化裝卸控制系統，自動完成裝卸作業任務[3]。裝卸作業任務生成后，按裝卸作業任務優先等級排隊執行，任務等級相同時，自動化裝卸設備準備就緒后申請裝卸作業指令，裝卸作業指令按堆碼原則、路徑優化和設備使用均衡原則生成。自動化裝卸設備完成一次裝卸作業指令后，向裝卸作業系統反饋信息，系統將根據裝卸作業原則刷新作業指令重新排隊。裝卸作業原則如下。

（1）作業排隊原則。按裝卸作業任務優先等級排隊，系統根據裝卸作業任務類型和等待時間長短，自動提升作業任務優先等級；考慮到特殊情況，設置緊急作業，其優先等級為最高級。

圖1?鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統框架設計Fig.1 Framework of the automatic remote intelligent control system for loading and unloading operation at railway container stations and yards

（2）路徑優化及設備使用均衡原則。在裝卸作業優先等級相同情況下，按照自動化裝卸設備當前位置到下一作業的起始位置最短距離進行排隊，即前一作業的終點位置到后一作業的起始位置距離。若無前作業，則選擇自動化裝卸設備當前位置。當有多臺起重機，則將作業區域均分，每臺設備負責其作業區域內的裝卸任務；或保持其各自相對位置不變，每臺設備可處理其走行范圍內的所有任務；或設備走行方向為單向(自左向右或者自右向左)，每臺設備依次處理其走行路徑上的作業任務。

（3）堆碼原則。按先進先出、重箱不能壓空箱、盡量單層堆垛、重箱堆放由中間向兩側擴展、空箱由兩側向中間擴展、取送箱就近選取的堆碼原則進行作業，達到均衡集裝箱利用率、確保安全、提高堆場利用率、縮短起重機走行時間的目標。

1.3 自動化裝卸控制系統

遠程自動化控制系統是實現RMG遠程自動控制的大腦和核心，通過遠控中心、地面系統、機上系統與集裝箱站場管理系統(TOS)信息交互實現RMG遠程智能控制，RMG按照指令自動完成集裝箱的裝卸作業，操作人員在中控室即可完成現場所有工作[4]。

（1）遠控中心。遠控中心，又稱“遠程操控中心”，是保證整個堆場高效作業的關鍵，主要由控制系統軟件、通訊系統、操作臺、語音視頻后端等構成。①控制系統軟件。利用遠程控制軟件與TOS系統的交互，從TOS服務器得到箱位及任務信息，再由軟件服務器發出指令，實現設備自動化運行，同時遠程控制系統軟件對操作臺、視頻、語音等系統進行管理。②通訊系統。以核心交換機為中心，將中控室操作臺PLC、語音系統、視頻系統、各服務器等設備連接起來，并通過光纜及波導管與起重機通訊。③操作臺。司機通過操作臺對起重機進行操作，下達作業任務指令，起重機執行自動化作業或人工干預操作，每個操作臺可以監控并控制多臺遠程RMG，但每一臺遠程RMG在同一時間內，只能被一臺操作臺操控。④語音視頻后端。通過語音系統與現場集卡司機的語音通信，引導集卡準確到位，同時利用視頻系統對現場作業情況進行實時監控。

（2）地面系統。地面系統是遠控中心與堆場之間實現聯系的中介部分，遠控中心的指令信息和堆場的數據信號通過地面系統傳輸。主要由地面通訊、車輛識別裝置、大車定位校驗等構成。①地面通訊。通過地面波導管及地面基站AP實現與起重機的信息傳遞，最終通過地面光纖實現堆場所有數據信息和控制中心指令信息的可靠傳遞。②大車定位校驗。通過安裝在大車行駛軌道內側沿軌道與每個20 ft集裝箱箱位和40 ft集裝箱箱位中心位置平齊處安裝的磁釘，對大車定位準確性進行校驗。③車輛識別裝置。通過安裝在堆場列車入口的列車車號識別裝置，對進場的列車車號識別及車廂位置進行識別記錄；通過安裝在裝車道入口的集卡RFID識別裝置，對集卡車輛信息進行識別采集。

（3）機上系統。機上系統實時采集RMG數據信息，通過地面系統即時傳輸回遠控中心，是實現集裝箱裝卸自動化和安全的關鍵部分。主要由遠控PLC、機上通訊、機構定位、安全檢測系統、語音視頻前端等構成。①遠控PLC。通過遠控PLC及輸入輸出模塊，實現遠程控制，同時提供遠控傳感器和檢測設備的接入點。②機上通訊。機上所有信息采用PROFIBUS通訊和以太網通訊方式通過交換機，經光纖、機載AP與波導管，傳至地面系統，最終遠控中心對信息進行處理后生成指令，通過機上遠控PLC及輸入輸出模塊，實現遠程控制。③機構定位。通過定位裝置采集起重機大、小車及起升機構的定位數據信息，是實現起重機自動化的關鍵之一。④語音視頻前端。語音系統前端通過對講終端、功放、拾音器和揚聲器，實現集卡司機和遠控中心操作員的語音通信；視頻系統前端通過攝像裝置采集各部位的視頻信息。⑤安全檢測系統。由大車防撞系統、車輛防吊起系統、防搖系統、防打保齡系統等組成，為自動化作業提供保障。大車防撞系統檢測大車行走時前進方向上與其他相鄰起重機的距離信息，防止大車間碰撞；車輛防吊起系統利用掃描等技術防止作業中車輛隨集裝箱一同吊起；防搖系統采用專門算法對小車變頻參數進行預判調節，實現吊具防搖控制；防打保齡系統通過激光掃描儀和控制系統，與PLC、小車定位系統、起升定位系統和控制開關等設備共同實現防碰箱控制[5]。

2 鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統功能設計

2.1 智能化裝卸作業系統功能

鐵路集裝箱站場智能化裝卸作業系統功能主要包含集卡提箱作業、集卡送箱作業功能、場內移箱作業功能、裝車作業功能、卸車作業功能。

（1）集卡提箱作業功能。該功能把集裝箱從堆場吊運到集卡上(含重箱和空箱)。操作人員編輯集卡提箱作業任務，智能化裝卸作業系統讀取數據信息庫目標箱的位置信息及集卡的位置信息，自動生成作業計劃，發出作業指令，起重機通過自動化遠程智能控制系統接收指令，根據作業指令自動尋找目標箱，并自動將目標箱吊運至集卡上，集卡按規定路線駛出堆場，完成本次集卡提箱作業任務，起重機執行下一作業指令。

（2）集卡送箱作業功能。該功能把集裝箱從集卡卸到堆場(含重箱和空箱)。操作人員編輯集卡送箱作業任務，智能化裝卸作業系統讀取數據信息庫集卡的位置信息及目標箱將要堆放的位置信息，自動生成作業計劃，發出作業指令，起重機通過自動化遠程智能控制系統接收指令，根據作業指令自動到達集卡位置，并進行掃描精確定位，自動將集裝箱吊運至堆場目標箱位，集卡按規定路線駛出堆場，完成本次集卡送作業任務，起重機執行下一作業指令。

（3）場內移箱作業功能。該功能把集裝箱從堆場中某一箱位吊運到另一箱位。根據堆場需要，對集裝箱位置進行調整時，操作人員編輯移箱作業任務，智能化裝卸作業系統讀取數據信息庫目標箱的位置信息及目標箱將要移放的位置信息，自動生成作業計劃，發出作業指令，起重機通過自動化遠程智能控制系統接收指令，根據作業指令自動到達目標箱位置，自動將集裝箱吊運至堆場目標箱位，同時將集裝箱的新位置數據傳回智能化裝卸作業系統數據信息庫，完成本次移箱作業任務，起重機執行下一作業指令。

（4）裝車作業功能。該功能把發送集裝箱從堆場吊運到列車車輛上；列車車輛進入堆場時，鐵路車廂位置檢測系統采集每個車輛的定位信息傳回智能化裝卸作業系統在數據信息庫。當裝車作業時，操作人員編輯裝車作業任務，智能化裝卸作業系統讀取數據信息庫目標箱位置信息及將要裝目標箱車輛的位置信息，自動生成作業計劃，發出作業指令，起重機通過自動化遠程智能控制系統接收指令，根據作業指令自動到達目標箱位置，自動將集裝箱吊運至目標車輛上，完成本次裝車作業任務，起重機執行下一作業指令。

（5）卸車作業功能。該功能把到達集裝箱從列車車輛上卸到堆場或掏箱區。列車車輛進入堆場時，鐵路車廂位置檢測系統采集每個車輛的定位信息傳回智能化裝卸作業系統的數據信息庫，當卸車作業時，操作人員編輯卸車作業任務，智能化裝卸作業系統讀取數據信息庫目標車輛位置信息及將要堆放集裝箱的位置信息，自動生成作業計劃，發出作業指令，起重機通過自動化遠程智能控制系統接收指令，根據作業指令自動到達目標車輛位置，并進行掃描對集裝箱精確定位，自動將集裝箱吊運至堆場或掏箱區目標箱位，完成本次卸車作業任務，起重機執行下一作業指令。

2.2 自動化裝卸控制系統功能

自動化裝卸控制系統功能包括集卡識別及引導、機構定位及校驗、安全保障等功能，為實現裝卸控制自動化提供信息支持，同時為自動化裝卸控制提供安全保障。

（1）集卡識別及引導功能。集卡識別功能是當集卡通過入口時，檢測裝置識別其將進入的堆場及貝位信息，并將其反饋給遠控系統，判斷該集卡車輛已經進入相應的裝車道，以便激活任務指令，自動運行大車和小車到目標箱位作業；集卡引導功能是集卡通過進閘口時，閘口明確告知其將進入的堆場及貝位信息，集卡到達指定箱貝位后，起重機激光掃描儀對準集裝箱頂面進行掃描測距、計算和分析，判定集裝箱的位置，并利用發光二極管顯示屏，提醒司機調整到準確位置。

（2）機構定位及校驗功能。定位及校驗功能是通過準確而可靠的定位檢測方案，對起重機的大、小車及起升機構位置準確定位，是整個遠控系統成功的關鍵。大車定位利用安裝在大車自由輪上的多圈絕對值編碼器對大車位置進行定位，采用磁釘定位方案對大車位置進行校驗；小車定位采用激光測距方式對小車進行定位，選用光電傳感器作為校驗檢測方案；起升定位采用絕對值編碼器進行定位，絕對值編碼器安裝在起升機構的凸輪限位處，通過計算轉換為起升的高度值，利用激光掃描傳感器測量吊具相對于小車平臺的高度進行校驗。

（3）安全保障功能。安全是自動化作業的前提和基礎，自動化裝卸控制系統具備的安全保障功能如下。①起重機防撞功能。一線有多臺起重機時，采用激光測距方式防止相撞，激光信號接入起重機的PLC系統，當兩機相距小于設定值時自動減速停車。②車輛防吊起功能。集卡防吊起采用激光掃描方式進行防吊起檢測，當起升到500 mm時，起升機構自動停車，激光掃描傳感器掃描集裝箱下方的區間，檢測是否完全分離；列車防掛鎖功能采用圖像掃描、視頻監控、稱重、自動旋轉等多種方式，防止掛鎖現象發生[5]。③防搖功能。采用電子防搖系統將集裝箱最大擺動幅度控制在±100 mm以內，并趨于靜止。④防打保齡功能。采用激光掃描技術，融合PLC控制信息，系統實時獲取堆場集裝箱堆碼信息以及小車和吊具的位置與運動狀態，避免吊具或者吊具下集裝箱與場內碼放的集裝箱發生碰撞[6]。

2.3 關鍵技術

鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統的關鍵技術主要有智能調度、精確定位、電子防搖、智能識別、車輛防吊起等技術[7]。

（1）智能調度技術。采用多約束條件下起重機的任務分配與智能調度算法，優化翻箱作業順序、堆場儲存策略和起重機大、小車的移動路徑以提高起重機作業效率，并生成最優裝卸車作業計劃；優化起重機、集卡和列車三者協同作業資源，按照堆碼原則、路徑優化原則、作業排隊原則和設備使用均衡原則等，合理地調度集裝箱起重機進行裝卸作業，減少集卡和列車在站場中的等待時間、裝卸車作業與集裝箱卡車的提箱、落箱作業的重疊和不均衡作業、裝卸設備空跑等現象，提高場內直裝直卸、“門到門”重去重回的比例，以提高整個站場運營效率。

（2）智能防搖技術。采用電子防搖技術，通過自主控制方式模仿司機操作時的“跟鉤”動作，通過采集吊重擺角、擺角角速度或角加速度以及小車和大車運動狀態信息，反饋控制小車和大車的速度和加速度，主動防止吊重的搖擺并盡快衰減吊重的擺幅[8]。

（3）精確定位技術。鐵路集裝箱站場定位技術主要是指起重機位置信息的獲取，即對起重機的起升、小車運行和大車運行機構絕對值位置信息的檢測。起升機構采用編碼器檢測技術進行定位；小車運行機構采用激光測距技術進行定位，采用光電傳感器檢測作為定位校驗；大車運行機構采用絕對值編碼器進行定位檢測，加裝磁釘作為定位校驗。

（4）智能識別技術。鐵路集裝箱站場識別技術主要是指堆場集裝箱、集卡及其上集裝箱、鐵路車輛及其上集裝箱的位置信息獲取。堆場集裝箱通過場地劃區確定位置，每個集裝箱的位置信息由遠控系統實時反饋并更新，同時對箱號進行機器視覺智能識別；集卡通過激光掃描儀進行測距，并通過顯示屏引導司機停位；列車車輛通過進站道口攝像機和地面識別設備進行車輛編組和編號識別，根據獲得的車輛信息自動計算出整列列車車輛編組情況，然后通過激光掃描目標車輛，利用車輛換長數據進行計算確定車輛位置。

（5）車輛防吊起技術。一是采用基于機器雙目視覺的集裝箱吊具智能定位控制裝置，用圖像處理系統軟件確保吊具中心與所要吊裝的集裝箱中心高度重合，起吊作業時先提升20～50 mm，然后逆時針旋轉一定角度后提升100 mm，判斷分離后再平穩起吊；二是通過不斷地實驗操作，模仿學習司機的操作經驗，在控制軟件中形成一套自動化裝卸的標準化規范作業程序；三是利用重量傳感器將箱貨重量與系統錄入值進行比對，智能判斷車輛是否被吊起；四是在車輛高度水平方向(門吊支腿上或裝卸線旁)安設激光或圖像掃描裝置，智能判斷集裝箱和車輛是否正常分離[9]。

（6）智能控制技術。鐵路集裝箱站場遠程控制系統具有采集與處理、控制、監督及管理等功能，實現自動控制，遠程控制系統采用多對多遠程控制策略與控制權切換機制，遠程操作臺可以監控并控制任意一臺起重機，實現多對多遠程控制，同一時刻一個操作臺只能控制一臺起重機。

3 結束語

鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統的建設實施，能夠實現門式起重機裝卸作業的遠程智能控制自動化，是智慧鐵路站場發展的必要條件，承載著中國鐵路集裝箱站場向自動化站場演化的期望[10]。鐵路集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統的應用，有助于提高鐵路站場自動化、作業效率及安全管理水平，減輕作業人員勞動強度，緩解人力不足，降低作業成本，提升安全保障。隨著科學技術高速發展，集裝箱站場裝卸自動化遠程智能控制系統將結合實際需求，不斷完善、成熟，推動裝卸自動化作業方式發展成為鐵路常態化裝卸作業方式。