鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

程付超

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

程付超

（成都大學(xué)，四川 成都 610106）

針對鐵路集裝箱F-TR鎖應(yīng)用中誤吊頻發(fā)的現(xiàn)狀，設(shè)計并實現(xiàn)了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)，綜合運用高精度傾角傳感器、無線通信、三維實時動畫等技術(shù)手段，實現(xiàn)了對集裝箱姿態(tài)的三維展示，對集裝箱與平車分離狀態(tài)的精確判斷，并對鎖頭未完全脫出的危險情況進(jìn)行報警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業(yè)管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業(yè)的安全進(jìn)行。經(jīng)測試，本文系統(tǒng)工作正常，能夠達(dá)到設(shè)計目的。

集裝箱；F-TR鎖；防誤吊

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)總量的增長和國際貿(mào)易的發(fā)展，集裝箱運輸業(yè)快速發(fā)展，使用集裝箱進(jìn)行貨物運輸，成為鐵路貨運的主要類型之一。集裝箱F-TR鎖，也叫作鷹頭鎖（如圖1），是我國自主研發(fā)的新型集裝箱平車鎖閉裝置。F-TR鎖利用其獨特的鷹頭結(jié)構(gòu)，在鎖頭與集裝箱角件孔之間產(chǎn)生尺寸干涉，實現(xiàn)對集裝箱和平車的鎖閉，具有鎖閉牢固、落鎖解鎖效率高等優(yōu)勢，目前已裝車過萬輛。但由于集裝箱裝卸作業(yè)具有一定的特殊性，當(dāng)集裝箱內(nèi)部裝貨量不均勻時，因集裝箱F-TR鎖頭未完全脫出，導(dǎo)致集裝箱連同平車一并吊起的事故時有發(fā)生，造成脫軌制動閥損壞、車輛脫線等嚴(yán)重事故。這類事故往往會造成集裝箱和平車的嚴(yán)重?fù)p壞，不但給鐵路公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時對吊裝現(xiàn)場的作業(yè)流程造成較大影響，造成車站集裝箱積壓，影響多條線路的貨運班列。

圖1 F-TR鎖外觀及安裝示意圖

針對鐵路集裝箱貨運中存在的這一問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)（簡稱防誤吊系統(tǒng)），綜合運用高精度傾角傳感器、無線通信、三維實時動畫等技術(shù)手段，實現(xiàn)對集裝箱姿態(tài)的三維展示，對集裝箱與平車分離狀態(tài)進(jìn)行精確判斷，并對鎖頭未完全脫出的危險情況進(jìn)行報警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業(yè)管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業(yè)的安全進(jìn)行。

2 工作原理

2.1 F-TR鎖卡鎖的原因分析

F-TR鎖是一種通過下落和上提力量自動解鎖的鎖閉裝置，安裝在平車的四個角落上，與集裝箱角件對應(yīng)，其鎖閉原理是鎖芯頭部的偏心結(jié)構(gòu)以及該鎖組裝后其鎖頭外寬大于集裝箱角件孔的外寬，從而產(chǎn)生尺寸干涉，并將集裝箱進(jìn)出鎖頭的運動形式由垂直運動的單一形式轉(zhuǎn)變?yōu)椤按怪边\動＋水平轉(zhuǎn)動”的復(fù)合形式來鎖固集裝箱。在集裝箱水平姿態(tài)下，F(xiàn)-TR鎖的落鎖和脫鎖動作都能夠順利地自動完成。然而，當(dāng)集裝箱內(nèi)貨物重量分布不均時，可能引起集裝箱在吊起過程中姿態(tài)發(fā)生傾斜，如果傾斜角度過大，在一側(cè)先完成脫鎖的情況下，集裝箱受鎖面引導(dǎo)，會恢復(fù)脫鎖時轉(zhuǎn)動的水平角度，導(dǎo)致另一側(cè)無法完成脫鎖，形成鎖閉，從而出現(xiàn)一側(cè)脫鎖，一側(cè)卡鎖的情況。

2.2 F-TR鎖卡鎖的不同情況

根據(jù)集裝箱傾斜情況的不同，集裝箱卡鎖情況也可以分為三種：橫向卡鎖、縱向卡鎖和單角卡鎖。

（1）橫向卡鎖。發(fā)生在集裝箱橫向傾斜的時候，集裝箱左、右單側(cè)兩個鎖頭同時卡住，如圖2(a)所示。

（2）縱向卡鎖。發(fā)生在集裝箱縱向傾斜的時候，集裝箱前、后單側(cè)兩個鎖頭同時卡住，如圖2(b)所示。

（3）單角卡鎖。發(fā)生在集裝箱向單角傾斜的時候，集裝箱某個單角鎖頭卡住，如圖2(c)所示。

圖2 F-TR鎖卡鎖情況示意圖

2.3 鎖頭脫出狀態(tài)的判斷方法

根據(jù)前述分析，判斷集裝箱是否卡鎖，本質(zhì)上就是判斷集裝箱的傾斜形態(tài)，而由于集裝箱傾斜形態(tài)歸根結(jié)底是在橫向傾斜和縱向傾斜的共同作用下形成的，所以只需要獲取到橫向傾斜角度和縱向傾斜角度，就可以計算集裝箱總體傾斜情況，從而判斷集裝箱是否會出現(xiàn)卡鎖情況。因此，可通過在起吊吊具上安裝高精度雙軸傾角傳感器，由于吊具在起吊過程中與集裝箱保持相同的傾角，就能獲取集裝箱吊起過程中在橫向和縱向的傾斜角度，從而計算集裝箱的傾斜形態(tài)，如圖3所示。

圖3 集裝箱傾斜角度獲取

然后，可以通過估算和實測得到橫向和縱向傾斜角度的閾值，當(dāng)實測傾斜角度大于該值時，可認(rèn)為存在較大風(fēng)險會發(fā)生脫鎖不完全的險情，警報設(shè)備進(jìn)行報警，警示工作人員進(jìn)行人工處理。按照三種卡鎖情況，設(shè)橫向傾角閾值為XT，縱向傾角閾值為YT，實測的集裝箱橫向傾角為X，縱向傾角為Y，則：

（1）當(dāng)|X|〉=XT且|Y|〈YT，可能發(fā)生橫向卡鎖；

（2）當(dāng)|Y|〉=YT且|X|〈XT，可能發(fā)生縱向卡鎖；

（3）當(dāng)|X|〉=XT且|Y|〉=YT，可能發(fā)生單角卡鎖。

2.4 卡鎖傾角閾值的估算

按照前述的卡鎖情況來進(jìn)行逐一進(jìn)行分析：

（1）橫向卡鎖傾角閾值。發(fā)生橫向卡鎖時，如圖4(a)所示，一側(cè)剛好脫出鎖頭，另一側(cè)卡鎖。設(shè)鎖頭高度為Hl，橫向兩鎖頭之間距離為Dlh，則橫向傾角閾值XT可通過式（1）進(jìn)行計算。

（2）縱向卡鎖傾角閾值。發(fā)生縱向卡鎖時，如圖4(b)所示，集裝箱前側(cè)剛好脫出鎖頭，后側(cè)卡鎖。設(shè)鎖頭高度為Hl，縱向兩鎖頭之間距離為Dll，則縱向傾角閾值YT可通過式（2）進(jìn)行計算。

圖4 卡鎖傾角閾值示意圖

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 組成結(jié)構(gòu)

鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)主要由集裝箱姿態(tài)感知前端、遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)接收器和防誤吊報警終端三部分構(gòu)成，如圖5。

（1）集裝箱姿態(tài)感知前端：由高精度集裝箱傾斜感應(yīng)模塊、大容量鋰電池和無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊構(gòu)成，能夠在吊起過程中對集裝箱傾斜狀態(tài)進(jìn)行感應(yīng)，并將角度數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)出。

（2）遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)接收器：能夠遠(yuǎn)距離接收感知前端發(fā)來的集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給報警終端進(jìn)行處理，設(shè)計工作在315 MHz或433 MHz頻率。

圖5 鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

（3）防誤吊報警終端：為了保證報警的及時性，設(shè)計了面向兩種不同平臺的報警終端設(shè)備：聲光報警終端和后臺監(jiān)控報警平臺，未來還將針對移動終端設(shè)計專用的監(jiān)控報警APP。

①聲光報警終端：是一個具備無線數(shù)據(jù)接收功能的聲光報警器，能夠接收感知前端發(fā)送的集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，判斷脫鎖情況，并進(jìn)行報警。該終端適合于直接安裝在吊車操作間內(nèi)，獲取單路集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，直接警示吊車操作人員，及時終止起吊作業(yè)。

②后臺監(jiān)控報警平臺：是一個能夠通過三維動畫實時顯示集裝箱姿態(tài)，并根據(jù)前端發(fā)送的集裝箱姿態(tài)數(shù)據(jù)，判斷脫鎖情況進(jìn)行報警的桌面軟件。該平臺能夠部署在貨站管理人員的電腦上，方便管理人員隨時監(jiān)控集裝箱起吊情況。

3.2 集裝箱姿態(tài)感知前端設(shè)計

集裝箱姿態(tài)感知前端由高精度集裝箱傾斜感應(yīng)模塊、大容量鋰電池和無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊三部分構(gòu)成。

（1）高精度集裝箱姿態(tài)感應(yīng)模塊：用于實現(xiàn)對集裝箱傾角的檢測，其核心是高精度雙軸傾角傳感器。設(shè)計采用雙軸傾角傳感器，具備兩路高精度數(shù)據(jù)輸出，角度精度達(dá)到0.001°。同時，由于感知前端使用時需要安裝在室外的吊具上，因此防水等級應(yīng)至少達(dá)到IP 65，同時應(yīng)具備較高的抗震性能。

（2）大容量鋰電池：用于實現(xiàn)對報警終端的持續(xù)性供電，采用18650電芯作為供電核心，為了保證使用時長，電池總體容量應(yīng)不低于6000 mAh，并通過電池芯片實現(xiàn)對電放電過程的智能化控制，延長電池供電時間。

（3）無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊：用于將采集的角度數(shù)據(jù)發(fā)送給報警終端，采用315 MHz或433 MHz頻率進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，為了保證傳輸距離與速率，設(shè)備發(fā)射功率應(yīng)不低于8dBm。

3.3 后臺監(jiān)控報警平臺設(shè)計與實現(xiàn)

后臺監(jiān)控報警平臺主要由兩部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)接收及計算后臺程序和三維圖形化顯示與報警界面，如圖6。

圖6 后臺監(jiān)控報警平臺架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)接收及計算后臺程序。用于連接無線接收器，在后臺接收前端傳感器發(fā)來的實時數(shù)據(jù)，根據(jù)實時數(shù)據(jù)計算集裝箱角度參數(shù)，并將相關(guān)參數(shù)發(fā)送給三維圖形化顯示與報警終端。采用C++語言編寫，結(jié)合傳感器編程接口進(jìn)行程序設(shè)計，聚合了角度計算模塊，能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)計算集裝箱傾角、重心等參數(shù)。并通過Socket接口與三維圖形化終端進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。

（2）三維圖形化顯示與報警界面。用于接收后臺服務(wù)發(fā)來的數(shù)據(jù)，顯示集裝箱傾斜形態(tài)，并根據(jù)實時形態(tài)進(jìn)行視覺和聲音兩類報警。采用Unity框架進(jìn)行三維圖形化顯示，編程語言為C#。以真三維方式對集裝箱形態(tài)進(jìn)行顯示，通過多角度虛擬攝像頭進(jìn)行圖像角度、距離等控制，從而構(gòu)建較逼真的三維場景。通過Socket接口與后臺服務(wù)通信，以接收傳感器采集的數(shù)據(jù)。

后臺監(jiān)控報警平臺實際運行效果如圖7所示。

圖7 后臺監(jiān)控報警平臺實際運行效果

4 結(jié)論

本文針對鐵路集裝箱F-TR鎖應(yīng)用中誤吊頻發(fā)的現(xiàn)狀，設(shè)計并實現(xiàn)了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統(tǒng)，實現(xiàn)了對集裝箱姿態(tài)的三維展示，對集裝箱與平車分離狀態(tài)的精確判斷，并對鎖頭未完全脫出的危險情況進(jìn)行報警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業(yè)管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業(yè)的安全進(jìn)行。經(jīng)測試，本文系統(tǒng)工作正常，能夠達(dá)到設(shè)計目的。同時，本文研發(fā)的防誤吊系統(tǒng)還具有以下特點：

（1）具有較強(qiáng)的針對性：針對鐵路集裝箱貨運中F-TR鎖的具體問題進(jìn)行研制，從研制之初就瞄準(zhǔn)解決鐵路貨運實際問題而來，項目提出人員收集并分析了鐵路集裝箱運輸，特別是F-TR鎖集裝箱使用中面臨的問題，并針對這些問題進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，這就保證了研制產(chǎn)品具有很強(qiáng)的針對性和實用性。

（2）具有較高的精確度：采用高精度雙軸傾角傳感器作為判斷集裝箱F-TR鎖和角件是否完全脫開的技術(shù)基礎(chǔ)，具有較高的判斷精度，避免出現(xiàn)誤判、漏判的情況。

（3）具有較好的易用性：報警終端具備了聲光報警功能，能夠及時提醒相關(guān)操作人員進(jìn)行處理。

[1]楊曉強(qiáng)．集裝箱吊運作業(yè)過程中電子防搖研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2008．

[2]李學(xué)軍．淺析激光掃描的集裝箱吊運防撞裝置[J]．工程技術(shù)：文摘版：00285-00285．

[3]蒲少華．鐵路集裝箱F-TR鎖裝卸安全問題分析[J]．鐵道貨運，2017，35(2)：33-37．

[4]張四梅．我國鐵路集裝箱鎖閉裝置的研究與應(yīng)用[C]//世界軌道交通發(fā)展研究會年會，2011：19-21．

[5]邵玉華，左寧，薛毅，等．鐵路集裝箱F-TR鎖脫鉤安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]．鐵道貨運，2017(8)：54-58．

[6]蔣慶仙，馬小輝，陳曉璧，等．雙軸傾角傳感器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2009，28(12)：86-88．

[7]朱柱．基于Unity3D的虛擬實驗系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究[D]．武漢：華中師范大學(xué)，2012．

Design and Implementation of Railway Container TrainAnti-Misoperation System

Cheng Fuchao
(Chengdu University,Chengdu 610106,Sichuan)

To reduce the frequency of misoperation in railway container unloading,a railway container train anti-misoperation system is designed and implemented.The system which uses a variety of techniques,such as high-precision angle sensor,wireless communications,real-time 3D animation,can provide 3D display of container posture and accurate judgement of separation status of container and train.The system can also provide a dangerous alarm function for the operators,to ensure the safety of container operations.In the test,the system works properly,achieving the target of designing.

container；F-TR lock；anti-misoperation

TP212；U294.3

A

1008-6609(2017)10-0058-05

程付超（1985-），男，四川瀘州人，博士，講師，研究方向為計算機(jī)軟件技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)。