采用智軌技術的可變形集裝箱檢查系統研究

周合軍，宗春光，劉必成

（同方威視技術股份有限公司，北京100084）

0 引言

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

目前市場上部署的集裝箱檢查系統盡管有多種結構形式，但是因為系統本身的結構限制，都以固定檢查場地部署的形式為主，即集裝箱檢查系統安裝在港區內固定的查驗場地內，集裝箱在從貨輪上被卸下后，首先由集裝箱運輸車輛運輸到集裝箱堆場內，海關或者港口再將被抽中的集裝箱由運輸車輛從堆場內運輸到集裝箱檢查系統所在的檢查場地內進行掃描檢查。

2017年6月，中國湖南株洲中車集團發布了全球首列智軌列車，該列車采用的智軌技術使得列車在無需軌道鋪設的條件下，能夠安全穩定行駛。

本文對智軌技術與X射線透射檢查技術的融合進行研究，將智軌技術應用在集裝箱檢查系統中，可以取消裝箱檢查系統對軌道限制，降低土建配套的難度，節省土建建設周期和成本。同時，擺脫了軌道的限制以后，集裝箱檢查系統具備了很好的機動性，能夠在場地之間實現靈活自由轉場。

與此同時，常規的集裝箱檢查系統運輸時需要拆散，現場需要重新組裝、接線和調試，技術難度大，耗時長。本文對收展折疊設計技術應用于集裝箱檢查系統進行研究，使得系統在自帶射線屏蔽的情況下，依然可以收展、變形，實現系統整體運輸，現場變形展開就可以投入運行。這將大大減少現場的部署工作量和部署時間。

1 技術分析

集裝箱檢查系統根據結構形式的不同一般可以分為3種：固定式檢查系統、移動組合式檢查系統、車載移動式檢查系統。

固定式檢查系統采用一個固定的建筑物來安裝包括加速器、探測器等在內的系統零部件，該建筑物采用混凝土結構來實現對系統產生的X射線進行屏蔽，被檢查集裝箱車輛由拖動系統牽引通過檢查通道的同時，系統出束完成掃描流程。

組合移動式檢查系統采用承載艙體、臂架、橫梁等機械結構來安裝加速器、探測器等系統零部件，系統自帶X射線屏蔽體，整個系統放置在2根或者3根鋪設好的軌道上，由電機驅動實現系統往復移動。被檢集裝箱車輛靜止停在掃描通道內，系統在軌道上一邊移動一邊出束，完成掃描流程。

車載移動式檢查系統采用一輛商用底盤車作為承載工具，加速器、探測器等系統零部件安裝在底盤車上的自制艙體、臂架內。臂架在工作時可以展開，不工作時可以收縮，整個系統在臂架收縮后可以上路行駛，到達現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擁有不同的特點，可以總結如表1所示。

表1 不同類型X射線集裝箱檢查系統特點

采用智軌技術的智軌列車采用“虛擬軌道跟隨控制”技術。通過各類車載傳感器識別路面虛擬軌道線路，將運行信息傳送至列車“大腦”（中央控制單元），根據“大腦”的指令，在保證列車實現牽引、制動、轉向等正常動作的同時，能夠精準控制列車行駛在既定“虛擬軌跡”上，實現智能運行[2]。

2 系統設計

2.1 系統組成

集裝箱檢查系統分為加速器分系統、探測器分系統、掃描裝置分系統、掃描控制分系統、運行檢查分系統以及輻射防護分系統6個分子系統。

加速器采用6/3MeV雙能電子直線加速器，高、低能量的透射數據經過計算機的處理，可以確定材料的質量吸收系數和有效原子序數，區分出被檢物的材料[3]。

探測器分系統安裝在龍門架結構形式的臂架內，主要由探測器模塊、數據采集盒、采集電纜線束組成，實現對穿過被檢物的X射線的采集。該系統探測器模塊采用高靈敏度多列小尺寸晶體，實現高性能指標。

掃描裝置分系統包括加速器艙、探測器臂架、探測器側設備艙、兩側防護墻、橫梁、立柱等部件。實現所有分系統的硬件承載。加速器艙、探測器側設備艙、兩側防護墻采用鋼鉛復合材料制成，實現對X射線的自屏蔽。

掃描控制分系統包括配電、控制兩個主要部分，實現對所有分系統的供電和控制。

運行檢查分系統包括數據通訊組件、圖像數據采集組件、系統操作組件和圖像分析組件。實現對整個系統的操作、圖像采集和圖像分析處理。

輻射防護分系統包括監控射線束流警示燈、鈴、攝像機、急停控制開關等零部件，保障人員以及環境的輻射安全。

系統構成及邏輯結構如圖1所示。

圖1 系統構成及邏輯結構

2.2 智軌技術集成

智軌技術主要可以分為軌跡跟隨技術、智能控制技術和主動安全技術。

在軌跡跟隨技術方案中，系統通過北斗/GPS衛星導航、視覺導航和激光導航等多種導航技術融合，提高了定位精度和導航精度，在不同的應用場景實現了軌跡跟隨控制。其中：北斗/GPS衛星采用專業級高精度接受機，采用差分基站技術，在車體上配置差分天線，接收衛星信號，實現厘米級的定位精度[4]，該導航方式適用于室外工作使用的場景，和局部轉場時路徑規劃；視覺導航采用攝像機進行視頻采集，以特定的路面標志作為參考和引導[5]，系統根據標志指令進行動作，實現系統在移動的過程中定位和糾偏控制；激光導航采用激光雷達（Laser Radar）傳感器，對工作環境進行二維地圖構建，利用基于概率的馬爾科夫（Markov）定位法進行詢及定位[6]，從而實現定位導航。

智能控制技術主要依靠系統的4個獨立驅動的膠輪，通過實時計算每個驅動輪的摩擦阻力實現分時四驅[7]。在地面平整度較好的工作掃描場地，能夠自動切換到兩驅模式；在地面平整度較差時，能夠自動切換到四驅模式。同時控制系統還能夠實時監測轉向角度，并且根據不同角度下的4個旋轉輪的回轉中心，對每個轉向電機進行轉矩分配，實現任意角度旋轉的驅動、控制能力。整個系統可進行原地360°旋轉。

智軌系統通過在四周安裝激光傳感器和攝像機實現了設備運行時的主動安全防范。通過激光傳感器采集的數據以及攝像機采集的視頻流分析，系統可以實時探測系統與周邊障礙物或人的距離。一旦距離小于安全距離，立即觸發報警保護機制，進行聲光報警，必要時系統會自動停止動作，保證主動運行時的安全。

2.3 可變形結構

系統采用“類機器人”結構來設計，主要包括3種結構。

（1）可旋轉、可折疊臂架結構。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，利用液壓缸驅動，實現臂架旋轉和折疊。

（2）可同步升降的立柱結構。雙側立柱起到支撐兩側結構的作用，每側立柱都采用滑道結構形式，利用液壓缸驅動，實現同步升降。

（3）回轉平臺結構。回轉平臺與加速器側立柱相連，在立柱旋轉時首先通過回轉平臺將立柱旋轉到加速器艙的外側，然后再進行升降。

以上3種結構設計，配合電氣和液壓伺服控制，整個系統可以實現“類機器人”變形，可變形為運輸姿態，如圖2所示，在該姿態下系統可以采用集裝箱或者平板車進行海運或者陸路長途整體運輸。設備抵達現場后只需要吊車輔助放置到地面上，系統自帶姿態轉換操作按鈕，通過操作自動展開，可變形為工作姿態如圖3所示，然后即可投入工作，完成現場部署。

圖2 采用智軌技術的可變形集裝箱檢查系統運輸姿態

圖3 采用智軌技術的可變形集裝箱檢查系統工作姿態

2.4 驅動設計

系統采用膠輪驅動的方式，擺脫了常規組合移動式系統鋼軌道的束縛和限制；采用4個輪胎，每個膠輪都配備單獨的驅動電機作為動力。根據阿克曼轉角的計算，對四輪驅動的驅動力進行實時計算[8]。

考慮到系統的靈活轉向需求，4個驅動輪分別配置轉向電機，且可以獨立控制。通過控制轉向程序的調整，系統可實現橫向移動的能力。

系統動力可根據不同的需求有3種不同的選項，既有市電供電方式，也有可充電鋰電池和發電機供電方式可選。

3 系統功能

3.1 掃描功能

被檢集裝箱車輛停在掃描區域內，司機下車并離開掃描通道，系統行走并自動出束，完成掃描流程。

由于系統具備橫向移動和原地旋轉的能力，系統具備獨特的掃描功能，一種是多排集裝箱車輛連續掃描功能，一種是集裝箱車輛雙側掃描功能。

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

圖4 多排集裝箱/車輛連續掃描功能

車輛雙側掃描功能是系統在掃描完一輛集裝箱或車輛后，原地旋轉180°后，再次從另外一側對同一輛集裝箱車輛進行掃描，該功能可以解決由于集裝箱內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 集裝箱車輛雙側掃描功能

在系統主動檢查時，由于系統自帶屏蔽功能，檢查場地無需建設混凝土防護墻的前提下，輻射防護區域占地只需要11 m，系統可實現0.4 m/s掃描速度時，對330 mm厚鋼板穿透力的性能指標。而作為對比，同樣具有機動性的常規車載移動式檢查系統在相同系統性能指標下，一般需要30~40 m的輻射防護區域寬度，且車載移動式檢查系統局限于商業底盤車的轉彎半徑大（一般為10~15 m），在同樣的工作區域內，無法實現多排車輛連續掃描和車輛雙側掃描功能。

3.2 局部轉場功能模式

在該功能模式下，系統自帶發電機或者可充電電池，實現在港區、口岸或者集裝箱堆場內進行靈活的轉移，無需軌道，無需供電，以1.3 km/h的行駛速度進行自行走轉場。

4 結束語

采用智軌技術的可變形集裝箱檢查系統是集裝箱非侵入檢查領域的一個巨大技術創新。智軌技術和X射線技術相融合，使得系統能夠在現場無軌道條件下安全、穩定運行。同時也創造了獨特的多排車輛連續掃描檢查功能和車輛雙側掃描檢查功能。

可變形的結構設計，使得系統可以采用平板車輛整體運輸，到達現場后展開即可工作，極大的提高了部署速度。采用智軌技術的可變形集裝箱檢查系統可以應用在各種海港碼頭和陸路口岸，擁有巨大的應用價值和市場前景。