場站集裝箱箱位智能化管理的研究與應(yīng)用

童鵬程 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司貨運(yùn)部

1 引言

長期以來，由于受制于基礎(chǔ)設(shè)備、設(shè)施，鐵路集裝箱場站缺乏對箱號(hào)、位置信息自動(dòng)采集的手段，造成場站精準(zhǔn)化、智能化管理水平不高，制約了場站規(guī)模化、集約化。

本文主要對鐵路集裝箱管理現(xiàn)狀，提出采用新技術(shù)，解決集裝箱號(hào)識(shí)別和定位，將業(yè)務(wù)規(guī)則策略，融入系統(tǒng)研發(fā)，并結(jié)合義烏西全面應(yīng)用和部分功能介紹，并展望未來，提出了一些個(gè)人觀點(diǎn)。

2 鐵路集裝箱管理現(xiàn)狀

2.1 集裝箱運(yùn)輸發(fā)展分析

近年來，鐵路集裝箱發(fā)送量年均增長30%左右，而集裝箱運(yùn)量僅占鐵路貨運(yùn)總量的5.4%，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家鐵路30%～40%水平。2018年，上海局管內(nèi)海鐵聯(lián)運(yùn)運(yùn)量在集、疏、運(yùn)體系中僅占1.6%，低于國內(nèi)平均水平，集裝化運(yùn)輸優(yōu)勢未得到有效發(fā)揮。

2.2 鐵路場站管理現(xiàn)狀

國內(nèi)部分港口已實(shí)現(xiàn)集裝箱作業(yè)自動(dòng)化、智能化，滿足了大吞吐量、高效作業(yè)的需要。鐵路集裝箱場站管理及裝備信息化水平落后的現(xiàn)狀，制約了管理與作業(yè)效率，主要表現(xiàn)為：

（1）管理方式傳統(tǒng)?？渴止こ浵鋮^(qū)、箱位及作業(yè)動(dòng)態(tài)信息，再手工錄入集裝箱管理信息系統(tǒng)，耗時(shí)長，錯(cuò)誤率較高。

（2）起重設(shè)備作業(yè)效率低。沒有有效的智能化管理手段，導(dǎo)致不能對起重機(jī)械作業(yè)過程優(yōu)化，難以使效能最大化。

（3）作業(yè)管控能力弱。造成堆碼混亂，不能有效利用稱重計(jì)量、超偏載檢測裝置信息輔助配載，作業(yè)效率低下。

（4）資源協(xié)同能力弱。無法精準(zhǔn)掌握堆碼情況，不能結(jié)合裝卸設(shè)備當(dāng)前位置，智能引導(dǎo)車輛進(jìn)場落箱、取箱，導(dǎo)致不均衡作業(yè)多，多式聯(lián)運(yùn)銜接不順暢。

3 技術(shù)研究

通過運(yùn)用導(dǎo)航、定位、測控、數(shù)據(jù)集成等技術(shù)，研究科學(xué)算法模型，提出場站集裝箱定位、箱號(hào)識(shí)別的新方法，解決集裝箱動(dòng)態(tài)堆存信息化的難題。

3.1 UWB定位

UWB是一種無載波通信技術(shù)，是利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，UWB信號(hào)帶寬大，容易分離多徑信號(hào)，抗衰落性能好，比較適合復(fù)雜環(huán)境定位場景。

3.2 GNSS定位

GNSS系統(tǒng)是一個(gè)多模式的定位系統(tǒng)，包括GPS、Glonass及Galileo和北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，及用于區(qū)域的、增強(qiáng)的衛(wèi)星導(dǎo)航。

3.3 定位與測距

在場站內(nèi)基準(zhǔn)位置、定位目標(biāo)上設(shè)置定位標(biāo)簽；定位目標(biāo)帶標(biāo)簽行走，發(fā)射超寬帶信號(hào)，基準(zhǔn)標(biāo)簽接收信號(hào)并傳輸服務(wù)器，利用運(yùn)用定位算法進(jìn)行位置計(jì)算，以虛擬動(dòng)態(tài)、三維效果實(shí)時(shí)顯示定位目標(biāo)位置。

3.4 智能圖像處理

智能圖像處理過程包括：圖像采集，預(yù)處理，分割與目標(biāo)識(shí)別與分類，目標(biāo)定位與測量。攝像機(jī)采集連續(xù)的現(xiàn)場圖像，圖像預(yù)處理后，把圖像分成各具特征的區(qū)域，提取出目標(biāo)，進(jìn)行識(shí)別和分類，按照目標(biāo)和圖像之間的復(fù)雜映射關(guān)系進(jìn)行處理，得出字符、數(shù)字。

4 箱號(hào)識(shí)別與箱位智能管理

通過綜合運(yùn)用定位、視頻分析、科學(xué)算法、作業(yè)規(guī)則策略，提出集裝箱箱號(hào)識(shí)別、箱位智能管理解決方案。

4.1 箱號(hào)識(shí)別

（1）移動(dòng)起重設(shè)備安裝攝像機(jī)。在門吊走行、起落箱時(shí)采集到箱號(hào)圖像。攝像機(jī)可自動(dòng)控制攝像方向、伸縮鏡頭，直觀拍攝門吊行進(jìn)、起落，當(dāng)前吊鉤、小車及周邊的連續(xù)視頻場景；可采集箱體兩側(cè)或箱頂?shù)淖帜浮?shù)字圖像，采用智能視頻圖像處理技術(shù)，得到正確箱型、箱號(hào)信息。

（2）建立基礎(chǔ)信息庫。建立集裝箱箱型、箱號(hào)信息庫和圖像特征識(shí)別庫，用于對比，提高箱型箱號(hào)識(shí)別正確率。

（3）校驗(yàn)碼規(guī)則法。利用校驗(yàn)碼規(guī)則，正向校驗(yàn)和逆向計(jì)算，提高識(shí)別箱號(hào)的正確率。

4.2 集裝箱定位

定位系統(tǒng)包括三個(gè)組成部分：在軌道式起重機(jī)上安裝UWB和GNSS模塊定位標(biāo)簽，發(fā)射UWB信號(hào)來確定位置、確定場站內(nèi)區(qū)域；場站內(nèi)基準(zhǔn)標(biāo)簽，接受目標(biāo)標(biāo)簽發(fā)送過來的信號(hào)；軟件平臺(tái)獲取、分析、處理。GNSS主要解決多區(qū)域定位（如圖 1）。

圖1 定位識(shí)別場景示意圖

（1）基準(zhǔn)定位標(biāo)簽：定位標(biāo)簽是一種精密測量儀器，可以通過檢測移動(dòng)定位標(biāo)簽發(fā)出的UWB信號(hào)，來計(jì)算該標(biāo)簽的三維位置。獨(dú)立測定UWB信號(hào)的方向角和仰角；而到達(dá)時(shí)間差信息則必須由一對時(shí)間同步的基準(zhǔn)標(biāo)簽來測定；信號(hào)到達(dá)時(shí)間差和信號(hào)到達(dá)角度相結(jié)合的測量技術(shù)，構(gòu)建靈活強(qiáng)大的定位系統(tǒng)。

（2）移動(dòng)設(shè)備定位標(biāo)簽：通過基準(zhǔn)位置標(biāo)簽，接收移動(dòng)起重機(jī)上定位標(biāo)簽信號(hào)，后臺(tái)計(jì)算出移動(dòng)起重機(jī)設(shè)備的三維位置信息，精度可穩(wěn)定至3 cm～10 cm；移動(dòng)起重機(jī)設(shè)備上的UWB標(biāo)簽提供達(dá)每秒20次以上的動(dòng)態(tài)位置數(shù)據(jù)。

4.3 定位策略算法

計(jì)算移動(dòng)標(biāo)簽信號(hào)到達(dá)基準(zhǔn)標(biāo)簽的時(shí)間差、角度，運(yùn)用信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TODA）和信號(hào)到達(dá)時(shí)間角度（AOA）及雙向測距算法TW-TOF混合定位算法，計(jì)算出門吊、起落箱的位置（如圖 2）。

圖2 定位測距示意圖

設(shè)傳感器得到的到達(dá)時(shí)間差Δt，到達(dá)角度α1和α2，c表示光速度，移動(dòng)點(diǎn)MS（x0，y0），基準(zhǔn)點(diǎn)BS1（x1，y1）和BS2（X1，Y1），那么以下公式計(jì)算可以得到移動(dòng)點(diǎn)MS的坐標(biāo)（如圖3）。

4.4 業(yè)務(wù)規(guī)則策略

根據(jù)功能區(qū)和堆碼規(guī)則，堆碼和作業(yè)優(yōu)化策略，資源協(xié)同控制等要素，綜合考慮箱型、箱類、屬主、發(fā)到、去向、裝卸順序、箱位、堆存情況、空箱規(guī)則等，生成調(diào)箱指令，降低調(diào)箱次數(shù)。

圖3 定位計(jì)算

如系統(tǒng)自動(dòng)生成吊箱指令，后臺(tái)自動(dòng)結(jié)合汽車衡、超偏載設(shè)備等稱重、測量信息，生成滿足起重能力的吊箱指令；堆碼順序、層數(shù)要兼顧起重機(jī)械走行距離；堆碼規(guī)則符合業(yè)務(wù)規(guī)范，不允許空重混放、懸空、重壓空箱、混堆；根據(jù)劃分好功能區(qū)，分配箱位，做好車流銜接；空箱區(qū)先進(jìn)先出，減少翻箱作業(yè)，壓縮堆存停留時(shí)間；根據(jù)預(yù)約提箱次序，匹配堆碼層位，減少翻箱作業(yè)；根據(jù)堆存情況，結(jié)合起重設(shè)備當(dāng)前位置，進(jìn)門箱的空、重，為集卡車分配停靠區(qū)域，提高直裝直卸比例等。

5 系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用

綜合箱號(hào)識(shí)別、定位管理、業(yè)務(wù)規(guī)則策略，運(yùn)用結(jié)合圖形化、主數(shù)據(jù)同步等技術(shù)，研發(fā)信息系統(tǒng)，在義烏西站全面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)箱區(qū)、箱位的智能管理和場站集中調(diào)度指揮。

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采用B/S的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計(jì)，前端界面主要使用Metronic模板，基于 Bootstrap，jQuery；后端采用 Spring4.2+Spring MVC+MyBatis3.2+Apache Shiro，數(shù)據(jù)庫連接池組件為Alibaba Druid，數(shù)據(jù)庫采用 Oracle11g。

5.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能有：綜合平臺(tái)管理，出入口管理、集裝箱定位管理、裝卸車管理、作業(yè)信息反寫集裝箱管理系統(tǒng)等。

（1）綜合平臺(tái)：綜合運(yùn)用現(xiàn)有貨運(yùn)系統(tǒng)信息，采集安全檢測設(shè)備、起重設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)信息，智能生成和輔助產(chǎn)生調(diào)箱指令，通過平臺(tái)向各子系統(tǒng)、外部系統(tǒng)推送、交換作業(yè)信息。

（2）出入口管理：對進(jìn)出門閘口進(jìn)行信息化管理，實(shí)現(xiàn)公路汽車車牌、箱號(hào)自動(dòng)識(shí)別，對進(jìn)站箱按場站內(nèi)堆存分布情況，結(jié)合效率算法，合理安排起落箱區(qū)域，貨場門口屏幕顯示、自助打印門檢指示單，引導(dǎo)集卡進(jìn)場，根據(jù)有關(guān)作業(yè)情況信息，為出門集卡起桿自動(dòng)放行。

（3）集裝箱智能管理：綜合運(yùn)用起重設(shè)備走行軌跡、起落箱時(shí)采集到的圖像，運(yùn)用箱號(hào)識(shí)別、測距技術(shù)和算法模型，識(shí)別與定位箱號(hào)、箱區(qū)、箱位，實(shí)現(xiàn)場站電子化。

（4）裝卸車管理：構(gòu)建良好人機(jī)交互關(guān)系的圖形化場站，按實(shí)際情況，在系統(tǒng)中設(shè)置重箱區(qū)、空箱區(qū)、內(nèi)貿(mào)箱區(qū)、出口箱區(qū)、發(fā)送和到達(dá)區(qū)等。人工輔助或自動(dòng)生成調(diào)箱指令，通過平臺(tái)將作業(yè)指令傳遞到貨運(yùn)員手持機(jī)、門吊司機(jī)室終端，返回作業(yè)指令執(zhí)行結(jié)果和變更、異常處理情況。

（5）作業(yè)信息反寫。按照規(guī)范格式，將采集得到的作業(yè)信息，通過平臺(tái)信息反寫給集裝箱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)信息自動(dòng)采集、傳遞和復(fù)用。

5.3 調(diào)箱作業(yè)部分場景

（1）生成卸鐵路貨車吊箱單。箱調(diào)度進(jìn)入卸鐵路貨車的頁面，可自動(dòng)生成吊箱單，也可選擇集裝箱所在貨車位置，可批量拖、拽集裝箱模擬標(biāo)識(shí)，到堆場的目標(biāo)位置，點(diǎn)擊“生成吊箱單”，點(diǎn)擊“確認(rèn)并推送”按鈕，生成吊箱單，信息發(fā)送至由門吊司機(jī)和外勤人員，完成吊箱指令生成和分發(fā)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤可進(jìn)行回退操作（如圖4）。

圖4 卸貨車模擬圖

（2）門吊司機(jī)端。接收到調(diào)箱的吊箱指令，頁面會(huì)顯示吊箱指令內(nèi)容，包括：作業(yè)類型及編號(hào)、任務(wù)序號(hào)、數(shù)量、已完成任務(wù)、完成標(biāo)識(shí)、當(dāng)前任務(wù)、后續(xù)待執(zhí)行任務(wù)（如圖5）。

圖5 門吊司機(jī)終端界面圖

（3）外勤貨運(yùn)員端。外勤收到吊箱單任務(wù)，可根據(jù)作業(yè)執(zhí)行情況，分別點(diǎn)擊“完成、有調(diào)整和后退”按鈕，進(jìn)行作業(yè)確認(rèn)或作業(yè)調(diào)整（如圖6）。

圖6 外勤手持機(jī)標(biāo)記任務(wù)狀態(tài)圖

6 展望與思考

定位、視頻分析技術(shù)研究與生產(chǎn)應(yīng)用，是鐵路場站智能化管理的有益探索，是推進(jìn)“智能貨運(yùn)”大膽實(shí)踐，研究與實(shí)踐表明，還需要加強(qiáng)與深化運(yùn)用。

6.1 要實(shí)現(xiàn)更優(yōu)策略的業(yè)務(wù)管理

通過不斷的制定策略與回顧，改進(jìn)與完善場站管理，如最優(yōu)策略堆存、裝卸機(jī)械最優(yōu)綜合移動(dòng)算法、卡車進(jìn)場錯(cuò)峰避免擁堵策略等，建立多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，促進(jìn)提升場站作業(yè)效率。

6.2 研發(fā)集卡APP，促進(jìn)作業(yè)協(xié)同

根據(jù)義烏西情況，發(fā)現(xiàn)貨場作業(yè)不均衡、場內(nèi)擁堵現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致管理成本無謂增加。研發(fā)APP應(yīng)用，讓場外司機(jī)自行獲知鐵路貨場作業(yè)指令，提前預(yù)知作業(yè)繁忙、空閑時(shí)段，預(yù)約進(jìn)場，可以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

6.3 推廣智能管理系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全路發(fā)送量前20的集裝箱辦理站運(yùn)量，占集裝箱總運(yùn)量的95%。以上海局為例，2018年，發(fā)送量前20的集裝箱辦理站運(yùn)量，占全局集裝箱運(yùn)量的78%，發(fā)送量前40的集裝箱辦理站運(yùn)量，占全局集裝箱總運(yùn)量的94.8%，因此，可以優(yōu)先在大型辦理站推廣應(yīng)用智能化管理系統(tǒng)，促進(jìn)增量、上量，提高效益。

6.4 裝卸機(jī)械自動(dòng)化作業(yè)控制

在確保安全的前提下，未來在試點(diǎn)車站，研究智能化系統(tǒng)的作業(yè)指令與裝卸機(jī)械控制系統(tǒng)自動(dòng)對接，人機(jī)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)械遠(yuǎn)程操控、自動(dòng)化作業(yè)。