基于集裝箱軌道動(dòng)力平車的精確定位系統(tǒng)及方法

黃澤星

(中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430074)

1 概述

目前，用于港口前沿碼頭與集裝箱堆場(chǎng)之間的集裝箱運(yùn)輸方式是傳統(tǒng)的港口集裝箱集卡車，一般是采用人工駕駛的內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力卡車，滿足自動(dòng)化裝卸作業(yè)的已經(jīng)采用自動(dòng)駕駛的港口集卡車或AGV集裝箱自動(dòng)運(yùn)行運(yùn)輸車（例如：曹妃甸港、青島港、洋山港和荷蘭鹿特丹港）。

集裝箱軌道動(dòng)力平車系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱軌道動(dòng)力平車或軌道集卡車）是一種運(yùn)用于集裝箱鐵水、海水聯(lián)運(yùn)駁接中轉(zhuǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)中自有動(dòng)力、自動(dòng)化運(yùn)行的軌道運(yùn)輸車輛總稱。它是集合鐵路動(dòng)車、鐵路集裝箱平車車輛、港口自動(dòng)駕駛集卡車、港口集裝箱AGV自動(dòng)運(yùn)輸車的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)新產(chǎn)生軌道運(yùn)輸工具。在鐵路與港口之間，建立一種基于自動(dòng)力運(yùn)行裝載集裝箱車輛，新的接駁作業(yè)系統(tǒng)、作業(yè)設(shè)備、作業(yè)方法、作業(yè)流程以及自動(dòng)化控制方法提高鐵水聯(lián)運(yùn)、江海聯(lián)運(yùn)集裝箱交換貨物的效率，減低成本，降低集裝箱聯(lián)運(yùn)中轉(zhuǎn)時(shí)間。

集裝箱軌道動(dòng)力平車本車與相鄰車輛、集裝箱裝卸機(jī)具和障礙物之間的相對(duì)距離和方位的相對(duì)距離需要定位；軌道動(dòng)力平車相對(duì)定位用于在裝車、卸車時(shí)與裝卸機(jī)具的同步；重聯(lián)時(shí)與相鄰軌道動(dòng)力集卡車間的調(diào)速、制動(dòng)和連接；解開(kāi)時(shí)與相鄰軌道動(dòng)力集卡車間保持安全距離。為了實(shí)現(xiàn)集裝箱軌道動(dòng)力平車的精確定位，本文在基于集裝箱自動(dòng)化裝卸作業(yè)方式下提出一種集裝箱軌道動(dòng)力平車定位系統(tǒng)和方法。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

集裝箱軌道動(dòng)力平車設(shè)定位系統(tǒng)，是軌道動(dòng)力平車車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)，用于作業(yè)和行駛中軌道動(dòng)力平車車輛自主定位和相對(duì)定位。定位系統(tǒng)由自主定位系統(tǒng)、相對(duì)定位系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)組成。自主定位系統(tǒng)主要由GPS/BD+差分校正系統(tǒng)、信標(biāo)+走行測(cè)距儀定位系統(tǒng)組成；相對(duì)定位系統(tǒng)主要由紅外、超聲或激光雷達(dá)測(cè)距儀系統(tǒng)組成。如圖1 所示。

圖1 鐵路車輛計(jì)算機(jī)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of railway vehicle computer positioning system

自主定位系統(tǒng)用于軌道動(dòng)力平車在自動(dòng)化裝卸作業(yè)中定位，自主定位可以采用全球衛(wèi)星定位技術(shù)及差分定位（GPS/BD+差分）、信標(biāo)+走行測(cè)距儀等滿足軌道動(dòng)力平車自動(dòng)化作業(yè)的精度要求的技術(shù)。差分定位用于常規(guī)運(yùn)行定位，信標(biāo)+走行測(cè)距儀用于遮蔽區(qū)域的精確定位，磁釘是信標(biāo)的一種。

相對(duì)定位系統(tǒng)測(cè)量本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對(duì)距離和方位的相對(duì)距離定位，用于軌道動(dòng)力平車重聯(lián)過(guò)程中與相鄰軌道動(dòng)力集卡車間的調(diào)速、制動(dòng)和連接；軌道動(dòng)力平車解開(kāi)過(guò)程時(shí)與相鄰軌道動(dòng)力集卡車間保持安全距離。滿足自動(dòng)化裝卸和運(yùn)輸作業(yè)的要求。

監(jiān)控系統(tǒng)用于自主定位系統(tǒng)、相對(duì)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總、整理和車輛位置換算，控制相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)信息交換，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互查詢功能和維護(hù)。監(jiān)控系統(tǒng)采集信號(hào)并運(yùn)算后的坐標(biāo)，傳輸給車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用于軌道動(dòng)力平車的控制。監(jiān)控系統(tǒng)采集信號(hào)并運(yùn)算后的坐標(biāo)，可以在鐵路線路里程和地理坐標(biāo)之間轉(zhuǎn)換，可以用于在不同運(yùn)用環(huán)境和不同系統(tǒng)之間交換定位信息。

3 系統(tǒng)定位方法

軌道動(dòng)力平車是一種典型的路基交通方式。它運(yùn)行在固定的軌道上，運(yùn)行環(huán)境絕大多數(shù)在常規(guī)線路中，部分路段在站場(chǎng)遮蔽區(qū)域，這就需要系統(tǒng)在作業(yè)范圍內(nèi)提供精確并且延遲較小的位置信息供給車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)作為控制依據(jù)。

3.1 自主定位系統(tǒng)及方法

軌道動(dòng)力平車自主定位系統(tǒng)采用“衛(wèi)星差分定位系統(tǒng)和信標(biāo)+走行測(cè)距儀定位系統(tǒng)”組合定位方式提高定位精度，滿足自動(dòng)化作業(yè)的精度要求。

軌道動(dòng)力平車在初始狀態(tài)和鐵路區(qū)間等空曠控制區(qū)域采用“GPS/BD+差分校正系統(tǒng)定位技術(shù)”，在有遮蔽的區(qū)域和需要與裝卸機(jī)具精確配合的裝卸作業(yè)區(qū)域采用“信標(biāo)+走行測(cè)距儀定位系統(tǒng)”。

“2GPS/BD+差分校正系統(tǒng)定位技術(shù)”是成熟技術(shù)，有成熟的產(chǎn)品。軌道動(dòng)力平車設(shè)置衛(wèi)星定位接收機(jī)，通信終端連接到軌道動(dòng)力平車車載控制系統(tǒng)，定位系統(tǒng)選用高精度的差分衛(wèi)星定位接收機(jī)作為參考系統(tǒng)，為了達(dá)到參考系統(tǒng)與被測(cè)系統(tǒng)測(cè)量位置一致的要求，用信號(hào)分配器將從衛(wèi)星信號(hào)接收天線接收到的信號(hào)分配給參考系統(tǒng)以及被測(cè)系統(tǒng)的GPS/BD 接收機(jī)。在有遮蔽的區(qū)域和需要與裝卸機(jī)具精確配合的裝卸作業(yè)區(qū)域采用“信標(biāo)+走行測(cè)距儀定位系統(tǒng)”。走行測(cè)距儀通過(guò)測(cè)量軌道動(dòng)力平車車輛車輪同軸的測(cè)速電機(jī)和旋轉(zhuǎn)光柵傳感器或輪速傳感器來(lái)給出信號(hào)計(jì)算出速度、方向和行駛距離。測(cè)速電機(jī)適用于中高速運(yùn)行速度的測(cè)速，低速運(yùn)行時(shí)誤差較大；而旋轉(zhuǎn)光柵傳感器或輪速傳感器適用于低速運(yùn)行車輛的測(cè)速，運(yùn)用于在高速運(yùn)行區(qū)段時(shí)對(duì)測(cè)速系統(tǒng)傳感器的反應(yīng)時(shí)間提出較高的要求。 走行測(cè)距儀傳統(tǒng)上被固定在傳動(dòng)軸上。軌道動(dòng)力平車車輛在車輪上安裝一個(gè)走行測(cè)距儀，也稱為輪速傳感器，用于防抱死剎車系統(tǒng)。走行測(cè)距儀安裝在傳動(dòng)軸上，每當(dāng)鋸齒穿過(guò)傳感器，磁通密度就會(huì)變化，測(cè)量它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖數(shù)與行駛距離成正比，通過(guò)差分可給出速度。

磁釘技術(shù)是信標(biāo)定位技術(shù)的一種，在鐵路車站到發(fā)線、編組線、裝卸線等線路鋼軌枕木上相隔一定距離裝設(shè)磁釘，磁釘定位的隱秘性好、美觀性強(qiáng)，磁釘抗干擾強(qiáng)，抗磨損性強(qiáng)，抗酸堿、油污等影響，磁釘預(yù)埋打孔填埋在枕木地面下，整個(gè)鐵路線路地面以上不需要其他定位輔助設(shè)備，不會(huì)影響軌道線路行車安全。每一個(gè)磁釘都記錄著其在鐵路線路上的鐵路里程坐標(biāo)。在集裝箱軌道動(dòng)力平車底盤(pán)的前端安裝檢測(cè)天線。當(dāng)軌道動(dòng)力平車在鐵路線路上行駛或作業(yè)時(shí)，設(shè)在軌道動(dòng)力平車兩端天線在覆蓋磁釘時(shí)可以測(cè)量磁釘相對(duì)于天線的位置，同時(shí)讀出磁釘在鐵路線路中的鐵路里程坐標(biāo)位置。

這樣，當(dāng)軌道動(dòng)力平車上天線檢測(cè)到磁釘時(shí)，就可以直接計(jì)算出軌道動(dòng)力平車在鐵路線路上的鐵路里程坐標(biāo)。天線在運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)出一個(gè)磁釘就知道定位，檢測(cè)到兩個(gè)磁釘就知道運(yùn)行方向，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)磁釘鐵路里程的大小變化判斷軌道動(dòng)力平車的運(yùn)行方向。軌道動(dòng)力平車在有遮蔽的區(qū)域和需要與裝卸機(jī)具精確配合的裝卸作業(yè)非道岔區(qū)段采用“磁釘定位+走行測(cè)距儀定位系統(tǒng)方式”。在道岔區(qū)段，由于道岔軌道線路復(fù)雜，磁釘無(wú)法有序安裝，采用走行測(cè)距儀定位系統(tǒng)，可以滿足定位要求，如圖2 所示。

圖2 軌道磁釘布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of railway magnetic nail layout

為提高軌道動(dòng)力平車在極低速度和高速運(yùn)行環(huán)境下都能夠滿足走行測(cè)距精度的要求，本方案走行測(cè)距儀采用測(cè)速電機(jī)與輪速傳感器或光柵傳感器組合測(cè)量方法，在兩種精度速度測(cè)量曲線交叉點(diǎn)選取傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。例如：設(shè)定30 km/h 為交叉點(diǎn)，30 km/h 以上采用測(cè)速電機(jī)測(cè)量的數(shù)據(jù)，30 km/h 以下采用測(cè)速輪速傳感器或光柵測(cè)速傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)。

安裝在軌道動(dòng)力平車列車車軸上的測(cè)速電機(jī)通過(guò)統(tǒng)計(jì)車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)和角度，然后用圈數(shù)乘以輪徑周長(zhǎng)來(lái)得到軌道動(dòng)力平車在此段內(nèi)的運(yùn)行距離。當(dāng)軌道動(dòng)力平車初始位置與隨后的運(yùn)行距離已知時(shí)，就可以計(jì)算出軌道動(dòng)力平車的當(dāng)前位置，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)軌道動(dòng)力平車定位。

軌道動(dòng)力平車車輪上加裝輪速傳感器或光柵傳感器組合，使用光電設(shè)備對(duì)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和角度進(jìn)行量測(cè)并計(jì)數(shù)，然后再乘以車輪周長(zhǎng)從而得到列車的位移。安裝在軌道動(dòng)力平車上的測(cè)速電機(jī)與輪速傳感器或光柵傳感器互為冗余，兩種設(shè)備都可以測(cè)出軌道動(dòng)力平車的走行距離與速度，再加上安裝在軌道線路上的磁釘定位系統(tǒng)，就可以得到軌道動(dòng)力平車的精確鐵路里程坐標(biāo)。監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)車站場(chǎng)電子地圖，站場(chǎng)電子地圖包含了車站的各種地物圖形數(shù)據(jù)（如通道、涵洞、橋梁、天橋等）、精確的鐵路里程坐標(biāo)（誤差為cm 級(jí)）、附屬設(shè)施以及股道、轉(zhuǎn)線道岔、信號(hào)機(jī)、絕緣節(jié)、警沖標(biāo)、車擋和站臺(tái)其他相關(guān)屬性數(shù)據(jù)以及測(cè)量點(diǎn)與參考坐標(biāo)點(diǎn)的距離等物理數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)軌道動(dòng)力平車在鐵路里程上的鐵路里程坐標(biāo)從而得到軌道動(dòng)力平車的在鐵路線路上精確位置。監(jiān)控系統(tǒng)得到軌道動(dòng)力平車車輛車號(hào)所對(duì)應(yīng)的精確位置坐標(biāo)定位，形成一組（車輛車號(hào)、精確位置坐標(biāo)）數(shù)據(jù)信息上傳至車載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

3.2 相對(duì)定位系統(tǒng)及方法

軌道動(dòng)力平車相對(duì)定位系統(tǒng)裝置主要采用超聲、紅外線或激光測(cè)距、雷達(dá)測(cè)距原理，在軌道動(dòng)力平車兩端分別設(shè)置紅外線或激光測(cè)距儀，采用紅外線激光光束掃描軌道動(dòng)力平車周圍環(huán)境，軌道動(dòng)力平車通過(guò)接收反射信號(hào)，判斷相鄰車輛和障礙物之間的相對(duì)距離，并按鐵路集裝箱作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需要，依據(jù)不同距離設(shè)定多級(jí)不同的報(bào)警區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)。當(dāng)相鄰軌道動(dòng)力平車車輛障礙物在不同報(bào)警區(qū)時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)或減速，當(dāng)相鄰物體在危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，軌道動(dòng)力平車定位系統(tǒng)將信息傳達(dá)給車載控制系統(tǒng)，軌道動(dòng)力平車車載控制系統(tǒng)控制軌道動(dòng)力平車動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)，軌道動(dòng)力平車可以立即減速停止下來(lái)。

相對(duì)定位系統(tǒng)測(cè)量本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對(duì)距離和方位的相對(duì)距離定位。相對(duì)定位用于在裝車、卸車時(shí)與裝卸機(jī)具的位置同步，重聯(lián)時(shí)與相鄰軌道動(dòng)力集卡車間連接時(shí)的調(diào)速、制動(dòng)；解開(kāi)時(shí)與相鄰軌道動(dòng)力集卡車間保持安全距離確認(rèn)，滿足自動(dòng)化裝卸和運(yùn)輸作業(yè)的要求。

鐵路集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)下達(dá)裝車作業(yè)裝車位置、數(shù)量指令，通過(guò)車載總線傳遞給軌道動(dòng)力平車車載控制系統(tǒng)，車載總線接受軌道動(dòng)力平車定位系統(tǒng)初始定位，車載控制系統(tǒng)控制軌道動(dòng)力平車向裝車線裝車位置運(yùn)行，軌道動(dòng)力平車運(yùn)行過(guò)程中，定位系統(tǒng)不斷將位置信息發(fā)送至車載控制系統(tǒng)，當(dāng)車載控制系統(tǒng)得到的鐵路里程坐標(biāo)與裝車線裝車位置一致時(shí)，車載控制系統(tǒng)控制軌道動(dòng)力平車減速停車。軌道動(dòng)力平車到達(dá)指定位置，通過(guò)車-車無(wú)線通信系統(tǒng)與集裝箱裝卸機(jī)具交換位置數(shù)據(jù)，與裝卸機(jī)具保持協(xié)同裝車距離并同步移動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在基于集裝箱自動(dòng)化裝卸作業(yè)方式下，為解決鐵路集裝箱裝卸作業(yè)車輛定位精度不高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)集裝箱軌道動(dòng)力平車本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對(duì)距離和方位的相對(duì)距離相對(duì)定位，提出了一種集裝箱軌道動(dòng)力平車自主與相對(duì)定位系統(tǒng)和方法。本方案是基于GPS/BD+差分、信標(biāo)+走行測(cè)距儀組合定位系統(tǒng)，集裝箱自動(dòng)化控制系統(tǒng)計(jì)算解決每一個(gè)集裝箱軌道動(dòng)力平車在鐵路線路中自主精確定位；基于激光測(cè)距儀或雷達(dá)測(cè)距儀定位方法解決集裝箱軌道動(dòng)力平車本車與相鄰車輛、障礙物之間的相對(duì)距離；軌道動(dòng)力平車車輛通過(guò)上述定位方法可以調(diào)控車輛運(yùn)行速度、運(yùn)行方向、停車位置，其定位精度滿足裝卸自動(dòng)化的軌道動(dòng)力平車作業(yè)定位精度要求。

該系統(tǒng)適合鐵路港灣站集裝箱裝卸中轉(zhuǎn)作業(yè)及運(yùn)行中集裝箱軌道動(dòng)力平車精確定位及相對(duì)定位，也適應(yīng)其他用途的運(yùn)動(dòng)或靜止鐵路有源車輛的精確定位。