鐵水聯(lián)運車站集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)研究

張佳楠 方亞非 李 瑞

(中鐵武漢勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430074)

1 概述

集裝箱多式聯(lián)運具有產(chǎn)業(yè)鏈長、高效快捷、集約經(jīng)濟、安全可靠等優(yōu)勢，是貨物運輸發(fā)展的重要方向。集裝箱聯(lián)運是以集裝箱為運輸單元，將不同的運輸方式有機組合在一起，成為連續(xù)的、綜合性的一體化貨物運輸。它包括江海聯(lián)運、水鐵聯(lián)運、公鐵聯(lián)運、海公聯(lián)運等多種形式，而集裝箱水路運輸運量大，價格低廉，其經(jīng)濟效率遠高于鐵路運輸和公路運輸。因此，集裝箱通過水路向內(nèi)陸中轉(zhuǎn)已成為運輸?shù)闹匾侄?。隨著鐵路集裝箱運輸量的增長，鐵路集裝箱列車中轉(zhuǎn)及編組工作量顯著增加。特別是集裝箱鐵水聯(lián)運項目，一個鐵路港前車站（港灣站）對應(yīng)多個港口碼頭鐵路集裝箱堆場（港區(qū)、貨區(qū)）時，到達的集裝箱列車車輛排列順序雜亂，無法滿足多處港口專用線（港區(qū)）分類依次快速送達的要求，需重新按港口專用線（港區(qū)、貨區(qū)）線別要求進行重新解體編組后分送到不同的港口專用線（港區(qū)）卸車，解編工作量十分繁重。

集裝箱動力平車中轉(zhuǎn)倒裝作業(yè)方式采用軌道動力平車進行裝卸作業(yè)，實現(xiàn)動箱不動車、集裝箱不落地中轉(zhuǎn)編組方式，顯著提高了作業(yè)效率。由于中轉(zhuǎn)編組作業(yè)集裝箱不落地堆碼，不需要集裝箱堆放場地，因此集裝箱編組場占地面積小，節(jié)省用地，站場布置靈活。這種作業(yè)方式是集裝箱作業(yè)的發(fā)展方向。

2 既有鐵路控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路控制系統(tǒng)主要分為控制站場道岔的車站聯(lián)鎖系統(tǒng)和區(qū)間閉塞控制列車的列車運行控制系統(tǒng)。它們針對的都是列車運行和車站調(diào)車作業(yè)的機車、車輛，沒有針對集裝箱的控制作業(yè)系統(tǒng)。

1） 車站聯(lián)鎖系統(tǒng)

鐵路站場的車站聯(lián)鎖系統(tǒng)一般采用計算機及通信技術(shù)，負責(zé)處理站場進路內(nèi)的道岔、信號機、軌道電路之間安全聯(lián)鎖關(guān)系，接受列車運行控制系統(tǒng)或者操作員的控制指令，向列車運行控制系統(tǒng)輸出聯(lián)鎖信息。向調(diào)車作業(yè)下達進路作業(yè)命令。

2） 列車運行控制系統(tǒng)

列車運行控制系統(tǒng)根據(jù)列車在鐵路線路上運行的客觀條件和實際情況，對列車運行速度及制動方式等狀態(tài)進行監(jiān)督、控制和調(diào)整的技術(shù)裝備。

3）鐵路無線調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)

鐵路無線調(diào)車監(jiān)控系統(tǒng)用于車站鐵路調(diào)車機車調(diào)車作業(yè)監(jiān)控和防護，是一個獨立封閉系統(tǒng)，不具備自動化控制能力。

3 既有信息系統(tǒng)

鐵路信息系統(tǒng)按照不同的作業(yè)流程設(shè)置有鐵路貨運站安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)、鐵路集裝箱貨場管理系統(tǒng)。

1） 鐵路貨運安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)

鐵路貨運站安全監(jiān)控與管理系統(tǒng)在車站層面應(yīng)用功能包括受理審核、生產(chǎn)組織、安全監(jiān)控、物流服務(wù)、基礎(chǔ)管理、經(jīng)營管理6 個功能模塊。為實現(xiàn)信息充分共享，盡量避免資源重復(fù)浪費，對鐵路貨車篷布管理等系統(tǒng)進行整合；對危險貨物運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)（車站級）進行部分功能整合；對確報、現(xiàn)車、貨票等系統(tǒng)進行功能對接。

2） 鐵路集裝箱貨場管理系統(tǒng)

鐵路集裝箱貨場管理系統(tǒng)是一個集生產(chǎn)管理、財務(wù)管理、經(jīng)營分析等功能為一體的實時系統(tǒng)，由計算機管理系統(tǒng)（包括商務(wù)、堆場、門檢、裝卸、計費、統(tǒng)計、無線通信、維護、觸摸屏等子系統(tǒng)）、無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。各子系統(tǒng)和作業(yè)點通過站內(nèi)局域網(wǎng)（有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)）相連接，以車站作業(yè)流程為基礎(chǔ)、覆蓋站內(nèi)集裝箱作業(yè)處理和運輸組織所有業(yè)務(wù)，形成完整的能夠獨立作業(yè)的站內(nèi)管理系統(tǒng)，又具備與海關(guān)、國檢、銀行等信息交換和物流業(yè)務(wù)需要的功能。

4 研究內(nèi)容

4.1 現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

1）雖然鐵路運輸具有信息化和自動化控制系統(tǒng)，但集裝箱裝卸、中轉(zhuǎn)作業(yè)本身仍然采用人工方式。人工體力勞動強度大，自動化、信息化水平較低，基本處于現(xiàn)場手工作業(yè)階段。

2）鐵路貨運信息系統(tǒng)與港區(qū)（貨區(qū)）信息系統(tǒng)之間沒有數(shù)據(jù)交換，所有數(shù)據(jù)仍采用現(xiàn)場采集，人工確認。缺乏集裝箱自動化作業(yè)所需的數(shù)據(jù)。

集裝箱貨場管理系統(tǒng)是一個車站貨場封閉區(qū)域的局域網(wǎng)作業(yè)系統(tǒng)，不具備自動化控制能力。

3）既有鐵路控制系統(tǒng)列車和集裝箱車輛定位主要采用軌道區(qū)段占用的方式，精度很低，達不到自動控制的要求。

4）現(xiàn)有鐵路控制系統(tǒng)自動化程度較高，已經(jīng)可以實現(xiàn)對列車自動控制。但其控制的主體是有動力的列車車頭，車頭之后無動力車輛則采用固定連接的方式，與車頭組成列車，一同運行。這種方式在旅客列車或者長距離貨車運行上，具有一定的優(yōu)勢。但作為作業(yè)模式較為復(fù)雜的集裝箱裝卸站，因為無動力車輛裝載的集裝箱目的地信息各不相同，所以需要大量的解編和編組作業(yè)。這些作業(yè)都需要通過駝峰溜放和調(diào)車作業(yè)進行完成。不但需要大面積的場地，作業(yè)效率提升也有限。

4.2 系統(tǒng)方案

為了解決傳統(tǒng)的鐵路集裝箱列車中轉(zhuǎn)、裝卸貨物編解列車工作量大，信息化、自動化程度較低，效率不高的問題，本方案在基于集裝箱動力平車中轉(zhuǎn)倒裝作業(yè)方式下提出了一種新型的鐵路集裝箱貨場控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合一個鐵路港灣站對應(yīng)多個集裝箱貨區(qū)（港區(qū)）情況下的集裝箱裝卸中轉(zhuǎn)作業(yè)。

4.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路港灣站集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)是鐵路集裝箱貨場管理系統(tǒng)的控制執(zhí)行系統(tǒng)，由進路控制系統(tǒng)、集裝箱軌道動力平車車載控制系統(tǒng)、港灣站自動化裝卸倒裝作業(yè)系統(tǒng)，貨區(qū)（港區(qū)）集裝箱堆場自動化裝卸系統(tǒng)。如圖1 所示。

圖1 集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of automatic control system for container yard

鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)方案利用信息化技術(shù)，采用先進的車號（箱號）識別、車輛定位、集裝箱管理、龍門吊自動控制、軌道動力平車自動控制、軌道聯(lián)鎖控制、無線通信技術(shù)來實現(xiàn)集裝箱列車自動裝卸作業(yè)。

集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)與集裝箱貨場管理系統(tǒng)、進路自動化控制系統(tǒng)、編組場（倒裝場）自動化集裝箱倒裝機具（自動化軌道龍門吊）、貨區(qū)（港區(qū)）堆場自動化裝卸機具（自動化軌道龍門吊）之間基于集裝箱軌道動力平車中轉(zhuǎn)作業(yè)的系統(tǒng)流程如下。

1) 港灣站至貨區(qū)（港區(qū)）集裝箱堆場卸車作業(yè)

鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)根據(jù)信息集裝箱中轉(zhuǎn)作業(yè)計劃信息、集裝箱信息，收取列車重車車車廂位置、軌道龍門吊位置、集裝箱軌道動力平車位置信息，下達集裝箱倒裝作業(yè)指令。

多臺集裝箱裝卸機具（軌道龍門吊）根據(jù)鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)指令，自動抓取待卸車輛上的集裝箱，讀取箱號，倒裝到相鄰的空軌道動力平車上。

軌道動力平車從系統(tǒng)獲得集裝箱箱號，實施軌道集卡車號ID 與集裝箱箱號的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)綁定，確定其位置坐標上傳至鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)。

鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)通信終端向軌道動力平車下達本軌道動力平車在同一股道中的排列順序位置、運行目的地、運行許可指令。

持續(xù)自動卸車作業(yè)，直至全部到達的集裝箱列車全部倒裝完畢。

2） 軌道動力平車運行至堆場

軌道動力平車運載集裝箱按照鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)提供的指令，軌道動力平車按排列順序逐車（同一貨區(qū)車組）上傳軌道動力平車位置及車號（ID），向鐵路進路控制（信號）系統(tǒng)申請集裝箱堆場位置進路的開通指令。

自動化控制系統(tǒng)開通進路，按順序向軌道動力平車（車組）下發(fā)運行許可指令（TA）。軌道動力平車按開通進路運行至貨區(qū)（港區(qū)）重車線確定的堆場貨位指定的位置。運行過程中不間斷的向鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)上報軌道動力平車位置、運行狀態(tài)、運行方向、車輛狀態(tài)（設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)）等數(shù)據(jù)。

3） 各堆場卸車作業(yè)

各堆場集裝箱裝卸機具（龍門吊）根據(jù)鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)指令，自動運行至卸車貨位抓取軌道動力平車上的集裝箱，讀取集裝箱箱號，按照指令放置在指定堆場貨位，并上傳作業(yè)進度和最終位置。同時軌道動力平車車號與集裝箱箱號解除關(guān)聯(lián)綁定。

4） 軌道動力平車返回

軌道動力平車卸車完畢，向鐵路集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)報告空車狀態(tài)和位置。按照系統(tǒng)運算策略和運行線路空閑情況，單車或集結(jié)成組向倒裝場回送。作業(yè)完成后，軌道動力平車將更新后的裝載狀態(tài)、編組狀態(tài)、運行模式狀態(tài)傳送給集裝箱貨場自動化系統(tǒng)，然后進入休眠模式，等待下次作業(yè)指令。

5） 龍門吊控制系統(tǒng)

龍門吊控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)自身定位及車號、箱號識別，并將位置及車號、箱號信息傳送給貨場自動化控制系統(tǒng)；同時接收系統(tǒng)命令進行裝卸作業(yè)。

4.3 軌道動力平車運行模式

軌道平車車載自動控制系統(tǒng)按照3 種運行模式控制軌道動力平車運行。

1）單車運行模式

單車運行模式時，軌道動力平車作為一個獨立運輸單元運行，采用自有的動力系統(tǒng)，控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)和通信系統(tǒng)運行；鐵路集裝箱管理系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)把軌道動力平車單車作為一個獨立單元控制運行。首車車號和尾車車號相同時作為控制系統(tǒng)單車運行標志。

2）重聯(lián)運行模式

重聯(lián)運行模式時，若干軌道動力平車相互連接組成車組，各車的車體通過自動車鉤連接，同時各車的車載網(wǎng)絡(luò)和電氣通道同時自動連接，各車的控制系統(tǒng)通過車載網(wǎng)絡(luò)連接。

重聯(lián)車組運行方向第一臺車（首車）自動設(shè)定為主控車；其他車自動定義為從控車，運行受主控車控制；車組換向運行時，尾車由變從控車自動變?yōu)橹骺剀?，原首車自動改為從控車；鐵路集裝箱管理系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)把重聯(lián)車組作為一個整體單元控制運行。車組首車車號和尾車車號不同作為控制系統(tǒng)重聯(lián)運行標志。

重聯(lián)車組各車的動力系統(tǒng)和制動系統(tǒng)受主控車控制；運行動力和制動動力由各車動力系統(tǒng)承擔。

3）列車運行模式

列車運行模式時，軌道動力平車首車與若干軌道動力平車相互連接組成列車，各車的車體通過自動車鉤連接，同時各車的車載網(wǎng)絡(luò)和電氣通道同時自動連接，各車的控制系統(tǒng)通過車載網(wǎng)絡(luò)連接。

列車運行方向軌道動力平車首車，連接后自動設(shè)定為主控車；其他軌道動力平車自動定義為從控車，運行受主控車牽引機車控制；列車換向運行時，改尾車為主控車；鐵路集裝箱管理系統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)把列車作為一個整體單元控制運行。

列車各車的運行系統(tǒng)和制動系統(tǒng)受主控車控制。

4）自動力模式和列車牽引模式切換

軌道動力平車控制系統(tǒng)根據(jù)運輸指令和工作狀態(tài)，3 種運行模式和2 種動力模式（自動力模式和列車牽引模式）自動轉(zhuǎn)換。相關(guān)的運行系統(tǒng)、防護系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)。

5 技術(shù)效果

鐵水聯(lián)運車站集裝箱貨場自動化控制系統(tǒng)涵蓋了車輛定位、車號（箱號）識別、車輛自動控制、道岔聯(lián)鎖系統(tǒng)等多項智能集控功能，并通過與鐵路貨運管理系統(tǒng)、港區(qū)集裝箱貨場管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了集裝箱的從到站、識別、裝卸、交付等過程的全自動化管理，大大提高了生產(chǎn)效率。