大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)研究

安 迪，李可佳，胡 淦，李 涵

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

1 大型車輛鐵路裝載過程現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來，大卡車、軍用車輛、履帶式車等大型車輛主要采用普通平車運(yùn)輸，裝載時(shí)需要使用渡板作為站臺(tái)與平車間的連接工具將車輛直接停在平車上[1]。大型車輛裝載過程對(duì)質(zhì)量要求高，因而裝載難度大。由于受限于大型車輛的寬度和高度，部分裝備規(guī)格尺寸會(huì)接近或超過鐵路限界[2]。另外，有一部分車輛需要在夜間進(jìn)行裝車，裝車人員短時(shí)間內(nèi)無法對(duì)準(zhǔn)位置。在這種情況下，大型車輛裝載需要經(jīng)過以下 3 個(gè)裝載過程：①裝載準(zhǔn)備過程。整列平車在裝車線停穩(wěn)后，所有待裝車輛于站臺(tái)盡頭末端依次排隊(duì)等待裝載。每節(jié)平車端門需要放倒打開，裝載人員預(yù)先在鐵路平車中線處布置基準(zhǔn)參考線，每節(jié)平車至少需要 1 名引導(dǎo)員指揮裝車[3]。②裝載中間過程。第一輛待裝車通過高站臺(tái)與尾端平車相連的渡板駛上平車，并由引導(dǎo)員與輔助引導(dǎo)員通過目測(cè)判斷車輛是否處于平車中間位置，引導(dǎo)員通過手勢(shì)告知司機(jī)駕駛方向。在夜間裝車時(shí)，待裝車輛需關(guān)閉車前大燈，由輔助引導(dǎo)員使用手電筒照亮引導(dǎo)員以方便司機(jī)得到操作指示。每輛待裝車輛依次通過平車車列尾端向前行駛，直至到達(dá)指定的平車既定位置停止。③裝載調(diào)整過程。待裝車輛停于指定平車后，為保證車輛盡量停于平車中心位置，引導(dǎo)人員需通過人工測(cè)量車輪邊距的方式進(jìn)行位置微調(diào)，司機(jī)通過引導(dǎo)員指示微調(diào)直至所駕駛車輛符合運(yùn)輸和裝載規(guī)定為止。

雖然中國(guó)鐵路總公司和各鐵路局集團(tuán)公司均對(duì)大型車輛裝載質(zhì)量和時(shí)間有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)規(guī)定，但仍然存在以下有待改進(jìn)的方面。

（1）裝載時(shí)間較長(zhǎng)。大型車輛在行駛到指定平車位置后進(jìn)行微調(diào)的時(shí)間較長(zhǎng)，一般調(diào)整時(shí)間為10 min，車體越龐大，所需裝載時(shí)間越長(zhǎng)。由于車輛裝載屬于連續(xù)作業(yè)，一旦中途有車輛出現(xiàn)事故，就會(huì)影響后續(xù)車輛裝載，以致降低整列車裝載效率。

（2）裝載過程信息化水平有待提高?，F(xiàn)階段幾乎都依靠人工裝載整列車，缺乏信息化輔助手段。當(dāng)一些大型車輛裝載時(shí)，只在車頭平面中部放置下墜指針，同時(shí)結(jié)合平車中心參考線以判斷車輛偏移情況，全過程依靠引導(dǎo)員目測(cè)。在調(diào)整時(shí)需要人工測(cè)量車輛與平車邊緣距離，在裝載過程中，每一節(jié)平車均需要引導(dǎo)員進(jìn)行引導(dǎo)和微調(diào)輔助，整列車需要消耗大量人力，并且這種裝載模式對(duì)引導(dǎo)員和司機(jī)的技術(shù)和默契度要求較高，不易控制。

（3）裝載過程存在安全隱患。對(duì)于部分車輛，司機(jī)可以通過擋風(fēng)玻璃觀察車輛位置，較容易進(jìn)行判斷和調(diào)整。但是，對(duì)于一些特種車輛如步戰(zhàn)車、裝甲車、坦克等軍用車輛，一般不設(shè)有前擋風(fēng)玻璃和側(cè)窗，司機(jī)很難判斷位置，只能依靠引導(dǎo)員進(jìn)行車輛調(diào)整。并且當(dāng)大型車輛寬度接近或超過鐵路平車寬度時(shí)，如果司機(jī)或引導(dǎo)員操作失誤，極易發(fā)生車輛嚴(yán)重偏斜，甚至有跌落的可能，存在安全隱患。

綜上分析，針對(duì)大型車輛裝載存在的問題，亟需研究一種大型車輛裝載的智能化引導(dǎo)系統(tǒng)，用以代替人工引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車，從而提高鐵路裝卸效率，降低裝卸現(xiàn)場(chǎng)安全隱患，提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。

2 大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)方案

2.1 智能化引導(dǎo)系統(tǒng)整體方案

大型車輛裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能是能夠智能計(jì)算車輛距離平車邊緣的量，給駕駛員提供直觀信息，使其能在車輛裝載過程中，無需外部引導(dǎo)員的提示，即可實(shí)時(shí)掌握所駕駛的車輛與鐵路平車間的相對(duì)位置關(guān)系，從而及時(shí)調(diào)整車輛位置。當(dāng)駕駛員所駕駛的車輛超出平車中心線設(shè)定范圍值時(shí)，系統(tǒng)可以通過報(bào)警給駕駛員提供警示信息。

大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)的主要指標(biāo)是實(shí)時(shí)性和誤差。對(duì)于行駛中的駕駛車輛，明顯的時(shí)延和較低的更新頻率都將影響系統(tǒng)的導(dǎo)航效果。因此，引導(dǎo)系統(tǒng)需要保證 2 Hz 以上的更新頻率及100 ms 以內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)延以保證引導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。與此同時(shí)，需要將測(cè)量誤差控制在一定范圍內(nèi)也是引導(dǎo)系統(tǒng)的一個(gè)基本要求?？ㄜ?、大貨車的寬度一般不超過 2.6 m[4-5]，裝載停穩(wěn)后距離平車邊緣還有0.2 m 以上，而特種車輛、軍用車輛的寬度較寬，步戰(zhàn)車、裝甲車的寬度接近 3 m，坦克的寬度大于3 m，超出了平車的寬度，意味著這種大型車輛需要較高的定位精度，應(yīng)將定位精度控制在 2 cm 以內(nèi)。引導(dǎo)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 引導(dǎo)系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of guidance system

由圖1 可知，大型車輛裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)整體方案包括車外和車內(nèi) 2 個(gè)部分，車外部主要具備數(shù)據(jù)采集功能，車內(nèi)部主要具備數(shù)據(jù)處理和顯示功能。數(shù)據(jù)通過外部主引導(dǎo)裝置和輔助引導(dǎo)裝置進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)直接傳輸至路由器。數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸至車輛內(nèi)部，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和算法處理，將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)于顯示終端。數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.2 Data transmission fl ow

2.2 引導(dǎo)裝置智能化設(shè)計(jì)

為保證大型車輛裝載智能化引導(dǎo)裝置數(shù)據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，方案采用智能化設(shè)計(jì)，大型車輛裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)分為主引導(dǎo)裝置和輔助引導(dǎo)裝置 2 個(gè)部分，其中主引導(dǎo)裝置包含探測(cè)模塊、調(diào)節(jié)模塊和電源模塊，輔助引導(dǎo)裝置包含視頻監(jiān)測(cè)模塊和電源模塊。

2.2.1 主引導(dǎo)裝置

（1）探測(cè)模塊。探測(cè)模塊采用磁導(dǎo)航技術(shù)，應(yīng)用智能化磁傳感器進(jìn)行車輛偏移數(shù)據(jù)的采集。磁導(dǎo)航技術(shù)也稱作磁條導(dǎo)航技術(shù)，主要通過實(shí)時(shí)測(cè)量路徑 (磁導(dǎo)引帶) 上磁場(chǎng)信號(hào)來獲取車輛自身相對(duì)于目標(biāo)跟蹤路徑之間的位置偏差，從而實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)控制及導(dǎo)航[6]。磁導(dǎo)航技術(shù)可以適用于大型車輛裝載引導(dǎo)的主要原因如下：①定位精度高。磁導(dǎo)航技術(shù)的定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)別，誤差極小，而在現(xiàn)場(chǎng)大型裝備平車縱軸偏載一般不得超過 5 cm，既能夠滿足智能化精準(zhǔn)裝車的需要，又能夠滿足鐵路裝載現(xiàn)場(chǎng)安全需要，符合鐵路相關(guān)規(guī)定。②抗干擾能力強(qiáng)。磁導(dǎo)航不容易受光線變化和噪聲等的影響，具有很高的可靠性和魯棒性，數(shù)據(jù)獲取頻率高，適用于裝載現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，滿足夜間裝車的需求。磁導(dǎo)航技術(shù)控制示意圖如圖3 所示。

圖3 磁導(dǎo)航技術(shù)控制示意圖Fig.3 Magnetic navigation technology control diagram

磁導(dǎo)航傳感器具有 1 組到多組的微型磁場(chǎng)檢測(cè)裝置，每個(gè)磁場(chǎng)檢測(cè)裝置對(duì)應(yīng) 1 個(gè)探測(cè)點(diǎn)。磁條、磁道釘、通電電纜等磁導(dǎo)引帶會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁導(dǎo)引帶的磁力線垂直于磁導(dǎo)引帶，距離磁導(dǎo)引帶越近，磁場(chǎng)強(qiáng)度越強(qiáng)，反之則越弱[7]。探測(cè)模塊工作示意圖如圖4 所示。

圖4 探測(cè)模塊工作示意圖Fig.4 Detection module working diagram

當(dāng)磁導(dǎo)航傳感器位于磁導(dǎo)引帶上方時(shí)，每個(gè)探測(cè)點(diǎn)上的磁場(chǎng)傳感器能夠?qū)⑵渌谖恢玫拇艓?qiáng)度轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并傳輸給磁導(dǎo)航傳感器的控制芯片，智能控制芯片通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并測(cè)算出每個(gè)探測(cè)點(diǎn)所在位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度[8]，從而得到傳感器中心距離磁導(dǎo)引帶中心的偏移量，獲得其相對(duì)位置。

（2）調(diào)節(jié)模塊。由于磁導(dǎo)航傳感器高精度的測(cè)量區(qū)間為 3～8 cm，當(dāng)大型車輛現(xiàn)場(chǎng)裝載遇到平車間空隙、重空車高度差、平車地板不平等問題時(shí)，磁導(dǎo)航傳感器定位精度不容易得到保證。因此，主引導(dǎo)裝置設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)模塊，調(diào)節(jié)模塊裝置如圖5 所示。調(diào)節(jié)模塊采用前后 2 組萬向輪，2 組磁傳感器分別位于輪軸上方。當(dāng)傳感器行駛于平車平面時(shí)，前輪不直接接觸地面，后輪觸地，后傳感器工作，調(diào)節(jié)模塊裝置平面行駛狀態(tài)如圖6 所示。

當(dāng)裝置遇到溝坎上坡時(shí)，前后輪可同時(shí)接觸地板，之后后輪抬起，前輪進(jìn)行導(dǎo)航。下坡時(shí)前輪進(jìn)行導(dǎo)航，后輪隨即下坡，調(diào)節(jié)模塊裝置越坎狀態(tài)如圖7 所示。

圖5 調(diào)節(jié)模塊裝置Fig.5 Adjustment module device

圖6 調(diào)節(jié)模塊裝置平面行駛狀態(tài)Fig.6 Plane driving state of adjustment module device

圖7 調(diào)節(jié)模塊裝置越坎狀態(tài)Fig.7 Bump crossing state of adjustment module device

如果平車地板損壞嚴(yán)重，出現(xiàn)較嚴(yán)重的孔洞或者凸起時(shí)，前輪傳感器還未進(jìn)入高精度測(cè)量區(qū)間，而后輪傳感器已經(jīng)離開測(cè)量區(qū)間時(shí)，引導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入低精度區(qū)。對(duì)于一般平車上的孔洞和凸起，低精度區(qū)長(zhǎng)度較小，通過 2 組萬向輪交替轉(zhuǎn)換導(dǎo)航的形式，可以最大程度地縮小定位低精度區(qū)，滿足大型車輛安全、快速、精確裝車的要求。

（3）電源模塊。電源模塊采用 5V 直流電源，輸出電流 0.5 mA，工作溫度可達(dá) -40℃～85℃，滿足裝車現(xiàn)場(chǎng)需要。

2.2.2 輔助引導(dǎo)裝置

（1）視頻監(jiān)測(cè)模塊。對(duì)于司機(jī)無法直接觀測(cè)其車輛與平車邊緣距離或者平車中心線偏移這種情況的車輛，可以在車輛前端增加 1 組具備視頻監(jiān)測(cè)功能的輔助引導(dǎo)裝置。視頻監(jiān)測(cè)模塊采用 800 萬像素廣角攝像頭，工作電壓為直流電 4.5～5.5V。輔助引導(dǎo)裝置與主引導(dǎo)裝置相結(jié)合進(jìn)行車輛精確智能化引導(dǎo)。

（2）電源模塊。與主引導(dǎo)裝置相同，配套使用。

2.3 智能化引導(dǎo)系統(tǒng)工作模式及流程

大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)方案不改變?cè)熊囕v順裝模式，依然采用平車尾端依次駕駛車輛?？科杰嚿系姆绞?。不同的是，大型車輛在裝載前，先沿著平車平面中心線布置磁導(dǎo)引帶，同時(shí)需要在所裝車輛前平面、后平面中心處分別安裝 2 組引導(dǎo)裝置。安裝完成后，打開引導(dǎo)裝置開關(guān)，司機(jī)可以使用顯示終端在車內(nèi)接收到的駕駛車輛外部數(shù)據(jù)。在裝載開始前，司機(jī)可以輸入所駕駛車輛的長(zhǎng)度和寬度數(shù)據(jù)，選擇平車型號(hào)。車輛引導(dǎo)方案平面示意圖如圖8 所示。

圖8 車輛引導(dǎo)方案平面示意圖Fig.8 Plane diagram of vehicle guidance system

車輛在裝載過程中，引導(dǎo)系統(tǒng)通過磁導(dǎo)航傳感器獲悉車輛縱向中心線與平車中心線的偏離差，所得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給車輛內(nèi)部控制系統(tǒng)，經(jīng)過篩選、存儲(chǔ)和計(jì)算，呈現(xiàn)在顯示屏上。如果車輛在裝載過程中發(fā)生了偏載，車輛偏載示意圖如圖9 所示。通過探測(cè)裝置可以得到車輛裝載時(shí)前偏移值為la，后偏移值為lb，車長(zhǎng)為L(zhǎng)，車輛中心線與平車中心線的夾角為α，系統(tǒng)默認(rèn)以車輛前進(jìn)方向右側(cè)偏移為正值，左側(cè)偏移為負(fù)值，計(jì)算出夾角α為

圖9 車輛偏載示意圖Fig.9 Vehicle unbalanced loading diagram

大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)傳感器可以測(cè)得la，lb的正負(fù)值，方便司機(jī)判斷車輛偏移方向，從而調(diào)整車輛位置。由于車輛的長(zhǎng)度、寬度尺寸與平車的長(zhǎng)度、寬度尺寸都是已知的，因而通過所得到的la，lb，即可求得車輛與平車的相對(duì)位置。當(dāng)車輛前后偏移值超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)提醒司機(jī)，以免發(fā)生安全事故。

3 結(jié)束語

應(yīng)用大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)，司機(jī)不必改變?cè)械难b車模式，即可在駕駛室內(nèi)實(shí)時(shí)觀察到車輛與平車的相對(duì)位置關(guān)系，也無需依靠引導(dǎo)員的提示進(jìn)行下一步操作，節(jié)省了大量人力，提高了裝載效率，降低了裝載過程中車輛掉落和人員傷亡的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，應(yīng)用大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)不必改變?cè)熊囕v及鐵路平車結(jié)構(gòu)，不增加裝車工作量，是一種提高車輛裝載效率的有效方式。在實(shí)際應(yīng)用前，仍然需要對(duì)引導(dǎo)方案成本、設(shè)備能耗、裝載管理方式等問題進(jìn)行深入研究和試驗(yàn)，進(jìn)而不斷完善大型車輛鐵路裝載智能化引導(dǎo)系統(tǒng)。