鐵路集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

唐 昕

(中國鐵路哈爾濱局集團有限公司 綏化車務(wù)段，黑龍江 綏化 152001)

我國鐵路集裝箱運量逐年遞增，近3年集裝箱發(fā)送量年均增長超過30%，2020全年集裝箱日均裝車突破了3萬車，2021年集裝箱發(fā)送量同比增加了23.5%。隨著運量的激增，鐵路集裝箱裝卸作業(yè)量大幅上升。鐵路集裝箱裝卸作業(yè)，多使用集裝箱正面起重機(以下簡稱“正面吊”)和門式起重機(以下簡稱“龍門吊”)。鐵路集裝箱運輸車輛，則多使用帶有新型集裝箱鷹頭鎖(F-TR鎖)的集裝箱專用平車或敞車。在實際裝卸作業(yè)過程中，帶有F-TR鎖的集裝箱專用平車，會出現(xiàn)起吊過程中F-TR鎖未脫鉤[1]問題；同時，由于集裝箱內(nèi)貨物的偏載、偏重情況未被及時發(fā)現(xiàn)，裝車后易引起整列運輸車的偏載、偏重問題；20 ft集裝箱裝車空重錯裝時，一輛貨車有2個轉(zhuǎn)向架，一個轉(zhuǎn)向架承載重箱，另一個轉(zhuǎn)向架承載空箱，導致車輛嚴重偏重。上述情況給行車安全帶來極大威脅，有的會造成車輛損壞或脫軌，嚴重的甚至會造成列車的脫線、顛覆等事故。鐵路集裝箱裝卸作業(yè)存在較大安全風險，目前管控手段多為人防，即吊車司機和輔助作業(yè)人員自控互控[2]。近年來，中國國家鐵路集團有限公司貨運系統(tǒng)不斷強化安全綜合防控手段，“人防、物防、技防”三位一體安全保障體系全面完善，本著問題導向和源頭從嚴的原則，結(jié)合作業(yè)流程優(yōu)化再造，完善貨運安全設(shè)備布局，織密貨運安全網(wǎng)絡(luò)，充分發(fā)揮設(shè)備物防、技防的安全保障作用，研發(fā)鐵路集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置勢在必行。

1 集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置現(xiàn)狀及主要問題

目前，很多鐵路局集團公司和貨運站段，對吊裝設(shè)備安全裝置進行研發(fā)和現(xiàn)場應(yīng)用實踐，這些安全裝置技術(shù)路線不盡相同，設(shè)備成本投入差異較大，安全防護效果也參差不齊。通過對既往文獻及現(xiàn)場實際應(yīng)用的裝置的研究，發(fā)現(xiàn)集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置主要存在以下問題。

（1）無法同時適用于龍門吊和正面吊?，F(xiàn)有裝置大多在設(shè)計環(huán)節(jié)僅針對某一種車型考慮，并且大多是針對龍門吊設(shè)計，不能同時適用于龍門吊和正面吊。例如，邵玉華等[3]研究的系統(tǒng)，其在龍門吊大梁和門腿處設(shè)置激光測距儀來檢測F-TR鎖未脫鉤問題，并不適用于正面吊設(shè)備。

（2）不能同時實現(xiàn)主要的安全防護功能。如果要同時滿足F-TR鎖未脫鎖檢測控制、空重箱識別、超載、偏載、偏重檢測等功能，需要同時安裝多款裝置。例如，鐵路集裝箱F-TR鎖脫鉤安全監(jiān)控系統(tǒng)[3]僅針對龍門吊實現(xiàn)了F-TR鎖脫鉤檢測；如劉慶漁[4]所研究的裝置，并不具有空重箱識別功能，同時使用角度傳感器的方式與減搖門吊的設(shè)計邏輯相沖突[5]。

（3）實現(xiàn)方式并不適合作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境往往并不理想，有些集裝箱裝卸場所揚塵情況比較嚴重，僅僅依靠激光測距儀或攝像頭等對光線和傳感器清潔度要求較高的方式，無法在作業(yè)現(xiàn)場達到理想效果，且由于需要經(jīng)常清潔測距儀和攝像頭的鏡頭部分，實際維護成本較高。

（4）有線數(shù)據(jù)傳輸方式存在一定弊端。部分裝置將重量傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過有線方式傳輸，存在魯棒性問題。龍門吊若使用有線方式傳輸往往與動力電纜同時使用電纜筐走線[6]，不僅存在電磁干擾問題，同時線纜容易磨損，導致故障。正面吊在坦克鏈中走線也存在同樣的問題。

（5）自動化程度不足。由于現(xiàn)行沒有對吊裝設(shè)備的自動化等級分類，參照汽車自動駕駛的分級標準，在安全功能的實現(xiàn)上，現(xiàn)有的各類吊裝設(shè)備安全裝置僅能達到L0級別的自動化，只是提供監(jiān)測、警告提示以及瞬時輔助功能(F-TR鎖未脫鉤控制)[7]，不具備過程控制功能。

由上述問題可知，引入技術(shù)手段提升鐵路集裝箱吊裝設(shè)備自動化等級，使吊裝設(shè)備可以智能識別空重箱、判斷F-TR鎖是否脫鉤、超載、偏載、偏重，用以實現(xiàn)全面的安全防護，減少作業(yè)人員工作量，降低人員作業(yè)風險，提高工作效率，顯得尤為必要。

2 集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 需求分析

通過長時間對吊裝作業(yè)的現(xiàn)場調(diào)研，充分與一線作業(yè)人員溝通交流，結(jié)合上述現(xiàn)狀及主要問題原因，分析需要做以下改進。①空重箱智能識別，防止因司機誤操作而引發(fā)嚴重鐵路貨車偏重安全問題。②F-TR鎖脫鉤判斷，防止因司機違章作業(yè)引發(fā)鐵路平車脫軌事故。③集裝箱超載控制，防止因重載集裝箱(35 t箱)超載造成鐵路貨車超載。④偏載預警提示，防止因集裝箱偏載造成鐵路貨車偏載。⑤視頻輔助駕駛，減少司機俯身觀察次數(shù)，提高作業(yè)效率，降低腰頸椎疾病發(fā)病率；減少輔助作業(yè)人員，提高勞動生產(chǎn)率。⑥數(shù)據(jù)的無線傳輸，重量傳感器得到的數(shù)據(jù)通過加密的無線傳輸方式傳遞給主機，以避免數(shù)據(jù)線纜與動力線纜在走線時容易出現(xiàn)的干擾問題，由于數(shù)據(jù)量小，無線傳輸完全能夠滿足。視頻傳輸方面，采用無線網(wǎng)橋?qū)⒕嚯x相對較遠的幾處攝像頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵唤粨Q機上并與硬盤錄像機( NVR)相連接，可有效解決信號干擾和維護便捷性問題。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

通過對上述功能需求分析得出以下系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計要求。①該系統(tǒng)須通過傳感器采集到的集裝箱重量、重心等數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)對比判斷后，實現(xiàn)空重箱識別、F-TR鎖是否與集裝箱脫開判斷、超載控制、偏載預警等功能。②系統(tǒng)需要能夠?qū)ζ鹕拖陆祫幼髯龀隹刂?，以便實現(xiàn)限制危險操作的功能。③系統(tǒng)日志及集裝箱信息需要存儲到系統(tǒng)配備的存儲裝置中，如安全數(shù)碼卡(SD卡)或其他存儲介質(zhì)。④系統(tǒng)需具備顯示器，用來顯示作業(yè)信息，同時可在屏幕上對傳感器參數(shù)做標定操作，針對不同設(shè)備對各功能所需要的參數(shù)閾值做設(shè)定。司機需使用屏幕完成集裝箱信息的打印操作。⑤系統(tǒng)具有與打印機等外部設(shè)備通信的接口，以便實現(xiàn)集裝箱信息打印功能。⑥系統(tǒng)能夠適應(yīng)寬電壓，且能保證穩(wěn)定性。

因此，鐵路集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置由多功能顯示單元、中央處理器單元、信號采集單元、存儲單元、外圍接口單元、輸出控制單元組成[8]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1?系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 System architecture

（1）中央處理器單元。中央處理器單元應(yīng)采用工業(yè)級主頻較高的微處理器芯片，以保證作業(yè)過程中不會因為等待系統(tǒng)計算、判定等過程影響作業(yè)效率，芯片抗干擾能力強，以適應(yīng)吊車動作過程中突發(fā)大電流引起的電磁場影響。

（2）信號采集單元。信號采集單元用于準確快速地采集集裝箱的重量和重心信息，其應(yīng)位于吊具上，若使用通信線纜與主機連接，則通信線纜需要與吊具動力電纜一同布置在吊具電纜筐之中，存在電磁干擾、施工難度大、施工周期長等問題。鑒于無線通信技術(shù)已較為成熟，可以使用2.4 GHz無線信道與位于駕駛室內(nèi)的主機通信。使用無線通信對設(shè)備線纜改動較少，費用低，工期短，對原設(shè)備影響較小。無線通信部分結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2?無線通信部分結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of wireless communication

（3）輸出控制單元。輸出控制單元用以將主機的控制信號輸出至操控單元，應(yīng)保證不改變原設(shè)備可編程邏輯控制器(PLC)或電子控制單元(ECU)程序，不改變原車動作邏輯。最大程度保證設(shè)備運行的穩(wěn)定性，同時實現(xiàn)對危險作業(yè)的限制。

（4）存儲單元。存儲單元應(yīng)使用帶電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)存儲設(shè)置數(shù)據(jù)，以保證掉電后數(shù)據(jù)不丟失。應(yīng)使用SD卡對歷史工作信息進行存儲記錄。

（5）多功能顯示單元。多功能顯示單元采用高分辨率彩色觸摸屏，便于司機在作業(yè)過程中操作。人機界面的設(shè)計應(yīng)考慮司機操作的便捷性，盡量減少界面切換，盡可能使司機在主界面完成數(shù)據(jù)的觀察和基本的操作，以保證司機的注意力主要用在操作裝卸設(shè)備上，而不會被復雜的操作所干擾。

（6）外圍接口單元。打印集裝箱信息可選用熱敏打印機來實現(xiàn)，集成在主機內(nèi)的熱敏打印機多采用串行通信，因而設(shè)計外圍接口單元也實現(xiàn)RS-232技術(shù)標準串行通信，以便主機芯片與位于主機內(nèi)的熱敏打印機進行串行通信。

（7）供電單元。供電單元需要采用寬電壓開關(guān)電源，以適應(yīng)不同電壓等級的設(shè)備，必須具有良好的輸出波形，必須具有過載和過流保護功能，可選用帶有自恢復保險的電源。

2.3 系統(tǒng)主要功能

通過對上述需求分析后，得出以下系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3?系統(tǒng)功能圖Fig.3 System functions

（1）參數(shù)設(shè)置。設(shè)備需要具有參數(shù)設(shè)置功能，設(shè)置界面中可對各功能的安全參數(shù)、閾值進行設(shè)置，同時還應(yīng)具有傳感器標定和信號檢查的功能，該功能僅允許管理員使用，司機等其他人員禁止使用，可選用密碼或指紋的方式進行鑒權(quán)。

（2）安全防護?？罩叵渲悄茏R別、F-TR鎖脫鉤判斷、集裝箱超載控制、偏載預警提示功能均需要以集裝箱重量和重心信息的采集為基礎(chǔ)建立力學計算模型。

經(jīng)過對現(xiàn)場設(shè)備的調(diào)研分析，設(shè)計將高精度測力傳感器置于吊具鎖頭受力處，并盡量保持測力傳感器的應(yīng)變金屬受力方向與集裝箱吊裝時鎖具受力方向一致，以減少誤差，傳感器實時獲取4個鎖頭的受力大小，通過分析這4點受力大小與集裝箱的重量和重心橫向縱向偏移量之間的關(guān)系便可滿足上述需求，由此建立數(shù)學計算模型，集裝箱測力傳感器力學計算模型如圖4所示。

圖4?集裝箱測力傳感器力學計算模型Fig.4 Mechanical calculation model of container load cells

集裝箱重量可通過求合力得出，即

式中：G為集裝箱的實際重量，N；F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4為集裝箱分別作用于吊具4個鎖頭上的力，N。

據(jù)力矩平衡定理求出力矩和[9]，可得

式中：ΔL為重心縱向偏移量，m；H為集裝箱寬，m。

式中：ΔH為重心橫向偏移量，m；L為集裝箱長，m。

系統(tǒng)的重量信號來自集裝箱4個轉(zhuǎn)角處的4個電阻應(yīng)變式稱重傳感器，當集裝箱被垂直吊起脫離地面穩(wěn)定停止在空中時，4個稱重傳感器精確地將集裝箱四角的受力情況轉(zhuǎn)化為模擬量電信號，信號為電壓信號，其電壓信號極小，只有幾毫伏，經(jīng)過信號放大后，將電壓信號的值放大到大于參考電壓的3/4但不超過參考電壓，放大器輸出端連接到AD數(shù)模轉(zhuǎn)換器，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)處理后，通過2.4 GHz無線信道傳輸?shù)轿挥谒緳C室的系統(tǒng)主機之中。

信號采集單元獲取到的集裝箱鎖頭四角受力值經(jīng)由上述數(shù)學模型的計算后可得到集裝箱的重量G、重心縱向偏移量ΔH和重心橫向偏移量ΔL。將G，ΔH和ΔL作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與設(shè)定的各安全防護功能參數(shù)進行比較計算后，便可實現(xiàn)上述各安全防護功能，具體實現(xiàn)方式如下。

①空重箱的智能識別。在安全參數(shù)設(shè)定中分別對標準箱、海運箱、重載箱和特種箱的空箱重量參數(shù)進行設(shè)定。作業(yè)前，主機可根據(jù)吊具狀態(tài)判斷即將吊裝的箱型并默認將判斷出來的箱型作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時司機可在觸控屏中修改即將作業(yè)的集裝箱的箱型和空重箱類型，隨后，司機起吊此集裝箱。此時裝置獲取到所吊集裝箱重量值G，裝置將G與對應(yīng)箱型的重量參數(shù)比較；當G小于等于所設(shè)定參數(shù)值時，裝置判斷所吊集裝箱為空箱；當G大于所設(shè)限定參數(shù)值時，則裝置判斷所吊集裝箱為重箱。判斷所得空重箱類型與司機所選類型對比，若不相同，則輸出控制、禁止起升，并報警提醒司機空重錯裝。

②F-TR鎖脫鉤的判斷。在安全參數(shù)設(shè)定中，對脫箱閾值進行設(shè)定。司機在進行帶有F-TR鎖的平車卸車作業(yè)前，打開F-TR鎖脫鉤判斷功能，起升過程中若所吊集裝箱重量值G大于等于脫箱閾值，則輸出控制、禁止起升，并報警提醒司機F-TR鎖未脫鉤。

③集裝箱超載的控制。在安全參數(shù)設(shè)定中分別對標準箱、海運箱、重載箱和特種箱的超載閾值進行設(shè)定。作業(yè)前，主機可根據(jù)吊具狀態(tài)判斷即將吊裝的箱型并默認將判斷出來的箱型作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時，司機可在觸控屏中修改即將裝車的集裝箱的箱型和空重箱類型。隨后，司機起吊此集裝箱，此時裝置獲取到所吊集裝箱重量值G，裝置將G與對應(yīng)箱型的超載閾值進行比較，當G大于等于閾值時，輸出控制、禁止起升，并報警提醒司機此集裝箱超載。

④偏載偏重預警的提示。在安全參數(shù)設(shè)定中分別設(shè)定橫向預警值和縱向預警值。司機在吊箱過程中，裝置獲得所吊集裝箱的重心縱向偏移量ΔH和重心橫向偏移量ΔL，ΔH和ΔL分別與縱向和橫向預警值比較，若大于等于該值，則報警提醒司機偏載偏重，按規(guī)章規(guī)定辦理。

在現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，吊裝作業(yè)過程中往往需要對超載等系統(tǒng)設(shè)計中禁止起升的集裝箱進行起升、搬運等處理，針對這種情況，考慮在上述功能的設(shè)計過程中均增加了身份鑒權(quán)后的強制起升功能，司機可通過點擊強制解鎖(LIM)按鈕并經(jīng)過身份鑒權(quán)后操作強制起升。

安全參數(shù)應(yīng)結(jié)合鐵路系統(tǒng)相關(guān)規(guī)定進行調(diào)校，以確保系統(tǒng)的顯示結(jié)果與輸出控制符合《鐵路貨物裝載加固規(guī)則》等鐵路系統(tǒng)相關(guān)規(guī)定對鐵路貨運裝卸環(huán)節(jié)的要求。

裝置應(yīng)使用全觸摸高分辨率彩色顯示器作為多功能顯示單元的輸出設(shè)備，用戶可使用觸摸屏幕對系統(tǒng)進行箱型選擇、參數(shù)調(diào)整等操作。顯示器上應(yīng)實時顯示集裝箱重量以及超載偏載等信息，方便用戶查閱參考。鐵路集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置主界面如圖5所示。

圖5?鐵路集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置主界面Fig.5 Main interface of the safety protection device for hoisting equipment of railway containers

（3）視頻輔助駕駛。根據(jù)不同設(shè)備特點，應(yīng)該在司機盲區(qū)處安裝攝像頭并提供視頻監(jiān)控界面，以便司機通過視頻監(jiān)控界面看到原本盲區(qū)看不到的位置，保證作業(yè)安全。

（4）集裝箱信息打印并存儲。設(shè)備可以在司機需要打印箱號等信息時，點擊打印按鈕即可打印信息，同時，主機應(yīng)將信息存儲至SD卡中，方便以后備查。

3 結(jié)束語

鐵路集裝箱吊裝設(shè)備安全防護裝置在多臺龍門吊設(shè)備上的實際應(yīng)用情況表明，其可以有效提高裝卸作業(yè)效率，杜絕集裝箱空重錯裝、F-TR鎖未脫鉤導致車輛脫軌、超載等安全問題發(fā)生，有效預警防范貨車偏載、偏重情況。該系統(tǒng)不改變原有吊裝設(shè)備PLC或ECU內(nèi)程序，僅通過控制操作手柄的輸出信號的方式，安全有效地實現(xiàn)了對設(shè)備的控制，提高了吊裝設(shè)備的自動化水平。該系統(tǒng)的應(yīng)用，進一步提升了鐵路貨運系統(tǒng)裝卸作業(yè)的安全水平，同時可以精簡輔助作業(yè)人員，提高了集裝箱裝卸作業(yè)的勞動生產(chǎn)率，并極大地改善了作業(yè)人員的生產(chǎn)條件，有效地降低了司機腰頸椎等疾病的發(fā)病率。