鐵路門式起重機集裝箱偏載監控的實踐

劉慶漁

(北京鐵路局 北京裝卸管理部，北京 100045)

鐵路門式起重機集裝箱偏載監控的實踐

劉慶漁

(北京鐵路局 北京裝卸管理部，北京 100045)

為確保集裝箱運輸安全，對集裝箱實施超偏載檢測。通過對鐵路門式起重機普通集裝箱吊具吊運集裝箱作業過程中的集裝箱偏斜角度等狀態數據進行實時采集和分析，將數據通過無線傳輸至監測預警中心，對造成集裝箱傾斜的原因進行智能識別，分級判定集裝箱傾斜狀態并做出相應預警及聯動處理，可以實現對吊裝作業的集裝箱偏載量、F-TR 鎖脫鉤情況的實時監測，將防范關口前移，保證運輸安全。

門式起重機；集裝箱；偏載；檢測技術；監控方法

集裝箱運輸具有貨物運輸安全、簡化貨物包裝、提高作業效率、便于多式聯運、易實現“門到門”運輸等優點，方便實現現代化管理，在鐵路運輸中占有越來越大的比重[1]。但是，集裝箱運輸中的超載、偏載現象會給運輸安全帶來一定影響。一旦集裝箱出現超偏載，當其裝上列車后，負重車輛重心在橫向或縱向偏移超限，形成安全隱患，易引發列車脫軌或翻車的嚴重事故。為確保安全運輸，必須在源頭實施控制，即對集裝箱進行超偏載檢測。

1 集裝箱偏載監控現狀

目前，國內尚無關于鐵路門式起重機采用無動力集裝箱吊具裝卸集裝箱作業監測及控制集裝箱偏載的完整、高效、可行的解決方案，無可借鑒和效仿的資源和案例。此外，動態測量及補償技術、狀態傳感器設計技術、數字無砝碼標定、嵌入式系統開發技術及移動無線技術在監控集裝箱偏載系統上的集成應用，也屬于國內外的前沿技術領域。隨著鐵路貨運向現代物流的轉型發展，集裝箱運輸成為鐵路貨運增量的一個突破點[2]，同時各種安全和效率的瓶頸給集裝箱作業帶來挑戰，特別是在繁忙的集裝箱運輸作業點，對設備和流程進行改進的需求非常突出。

（1）集裝箱偏載的安全隱患問題。目前集裝箱裝卸作業中的偏載情況一般通過地面設備進行測量，存在二次搬搗，作業繁瑣，費時、費力，影響作業效率。

（2）鐵路集裝箱專用平板鎖閉裝置 (F-TR 鎖) 的安全問題。近年來，F-TR 鎖作業的安全問題時有發生，雖然通過加強作業過程控制等人為條件，可以降

低問題發生概率，但隨著作業繁忙和人工作業的不可控，安全隱患依然存在。通過改造門吊，采用傳感器測量數據來判斷是否發生 F-TR 鎖掛住，并且采取報警、停機等手段可以有效實現安全控制關口的前沿，避免安全隱患的發生。

基于以上原因，為了在吊運裝卸集裝箱的同時可以檢測集裝箱的偏載情況，鐵路門式起重機集裝箱作業偏載監測及控制系統研究成為現場亟需解決的一項研發課題。

2 新型集裝箱偏載監控方法

“門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統”是一種新型監控集裝箱偏載的方法。該系統主要對正在進行吊裝作業的集裝箱狀態數據進行實時采集和分析，將數據通過無線傳輸至監測預警中心，對造成集裝箱傾斜的原因進行智能識別，分級判定集裝箱傾斜狀態并且做出相應預警及聯動處理，可以實現對吊裝作業的集裝箱偏載量、F-TR 鎖脫鉤情況的實時監測，將防范關口前移，提高鐵路運輸的安全性。

2.1 功能需求

通過對門式起重機裝卸集裝箱的管理現狀進行充分調研，門式起重機集裝箱偏載監測及F-TR鎖作業智能預警系統可以實現以下功能。

（1）狀態測量。連續不斷地測量吊裝中的集裝箱超偏載狀態和F-TR鎖有沒有脫鉤，有效保證采集數據的準確性和實時性。

（2）重心換算。智能識別集裝箱吊裝作業狀態，采用集裝箱重心計算模型，使集裝箱重心位置的計算更加快速精確。重心換算方法如圖 1 所示。

圖1 重心換算方法示意圖

當吊架僅由頂部吊鉤受力吊裝集裝箱時，只能提供在吊鉤處豎直向上的拉力 F。根據力的相互作用原理，系統重力 G 必然和 F 在同一直線上且方向相反。G 的作用點即重心，L 即為偏心。只要測量出吊架與吊鉤之間距離 h 和吊架與水平的傾角 α，即可計算出偏心 L = h · tan α。

（3）三維動態顯示。以三維動畫的形式將集裝箱實時狀態及重心位置展示在軟件界面上，更加直觀地體現了集裝箱的工作狀態，三維動態顯示效果如圖2 所示。在圖 2 中，x 代表集裝箱裝載橫向偏斜1.2°，偏離理論中心位置 -15 mm；y 代表集裝箱裝載縱向偏斜 1.9°，偏離理論中心位置 20 mm。圖中綠色方形按鈕表示 86% 電池剩余量，圓形按鈕 20 尺表示 20 英尺集裝箱。

圖2 三維動態顯示效果圖

（4）及時分類報警。高分貝聲光報警單元在接收到報警信號時，根據不同報警信號發出不同的醒目報警色及容易分辨的報警音，確保司機可以在第一時間得知報警確切內容。

（5）電氣聯控。報警的同時與起重機進行電氣聯控[3]，通過可編程控制器 (Рrogrammable Logic

Controller，РLC) 控制起重機上升動作的交流接觸器，使起重機停止吊架上升作業，在 F-TR 鎖安全隱患排除后繼續正常作業，保證裝卸作業安全。

（6）低功耗設計。系統供電采用獨立的低功耗智能電源管理單元，在不需要供電時停止供電，從而延長整個系統的工作時間；分析蓄電池的電量及工作狀態，當電量不足或電池狀態較差時及時返回信息；提供充電接口，方便進行充電或更換電池操作。

（7）報警記錄查詢。對報警數據全程記錄，包含集裝箱尺寸、傾斜角度、偏心、報警時間等數據[4]，用戶通過登錄報警記錄查詢管理頁面即可查閱。

2.2 系統架構

門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統主要包括數據采集模塊、數據處理模塊 2 個部分，分別安裝在吊架和司機操作室中，通過無線通訊方式進行數據傳輸，門式起重機集裝箱偏載監測及F-TR 鎖作業智能預警系統組成如圖 3 所示。

（1）數據采集模塊。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統的數據采集模塊的主要功能是實時采集集裝箱的狀態數據，內部包含 1 塊裝有 ARM 內核微控制器的集成控制電路板，整體采用工業一體化設計[5]，達到 IР65 防水防塵標準，可以根據現場吊架情況選擇適當的位置進行安裝。

（2）數據處理模塊。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統數據處理模塊的主要功能是對采集到的數據進行智能分析、判斷和處理[6]，所有設備都安裝在司機操作室中，方便司機在進行作業的同時觀察集裝箱及 F-TR 鎖所處狀態。

圖3 門式起重機集裝箱偏載監測及F-TR鎖作業智能預警系統組成

2.3 系統特點

（1）符合性。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR鎖作業智能預警系統按照模塊化設計，思路清晰，設計巧妙，極大地方便了用戶使用和后期維護。同時，提供的軟件系統界面友好，使用方便，效果明晰。

（2）可靠性。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR鎖作業智能預警系統在設計的時候充分考慮了鐵路貨運環境的復雜性。產品嚴格按照中國鐵路總公司的相關標準設計，系統結構清晰，各個模塊部署合理，從硬件、軟件和機械結構設計方面都充分考慮鐵路貨物運輸的特性，保證了系統的穩定性和可靠性[7]。

（3）先進性。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR鎖作業智能預警系統性能可靠、操作簡單，只需要起重機司機在吊裝時完成操作，既提高工作效率，又滿足現場需求。該系統的應用不需要專門的場地，也不需要增加額外的作業成本，在吊裝集裝箱的同時完成了檢測，省時省力，方便快捷，將集裝箱超偏載隱患消滅在裝車源頭，為運輸安全提供了保證，在利用鐵路門式起重機監控集裝箱偏載領域具備一定的技術先進性。

（4）便利性。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統在系統設計的時候充分考慮了作業人員使用的便利性。測量無需人工干預，自動執行，狀態自動標注。在設計之初盡可能考慮軟件的易用性，從設計上盡可能減輕作業人員的勞動強度，軟件系統界面友好、使用簡單、易于維護[8]，并且無論在硬件還是軟件方面都大大降低了后期的維護成本。

2.4 應用效果

目前，北京鐵路局已經對既有 20 臺通用門式起重機的 20 英尺、40 英尺集裝箱吊具進行改造。門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統的數據采集模塊安裝在門式起重機集裝箱吊具上，將數據處理模塊安裝在起重機司機室中，二者之間通過Wi-Fi 方式進行數據通信，確保現場作業人員在吊運裝卸集裝箱的同時可以檢測集裝箱的偏載情況，從而實現在裝車之前對偏載量超標的集裝箱進行處理。數據采集模塊在門式起重機吊架安裝實物如圖 4所示，數據處理模塊在門式起重機司機室安裝實物如圖 5 所示。

圖4 數據采集模塊在門式起重機吊架安裝實物圖

圖5 數據處理模塊在門式起重機司機室安裝實物圖

3 結束語

門式起重機集裝箱偏載監測及 F-TR 鎖作業智能預警系統是一種新型監控集裝箱偏載的方法。該系統是在原集裝箱吊具的基礎上，經過提升與發展，開發出來的一種創新型產品，可以提高裝卸作業勞動生產率，減輕職工勞動強度，改善職工勞動條件，有效防止事故的發生，保證生產安全，促進集裝化運輸發展。該系統通過計算機設備解決依靠人力無法達到的效果，以專業化、自動化、智能化、信息化為方向，提升鐵路運輸裝卸技術與裝備水平，增強裝卸技術持續創新能力，為確保鐵路貨物運輸安全提供技術支撐與基礎保障。

[1] 王德占.關于集裝箱鐵路國際聯運發展策略的思考[J].鐵道運輸與經濟，2013，35(9)：9-17.WANG De-zhan.Thoughts on Development Strategies of Container Railway International Inter-model Transportation[J].Railway Transport and Еconomy，2013，35(9)：9-17.

[2] 楊 浩，何世偉.鐵路運輸組織學[M].2 版.北京：中國鐵道出版社，2006.

[3] 梅麗鳳，王艷秋，汪毓鐸，等.單片機原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4] 劉鼎銘.國際集裝箱及其標準化[M].北京：人民交通出版社，1998.

[5] 蔣正雄，劉鼎銘.集裝箱運輸學[M].北京：人民交通出版社，1997.

[6] 王 冬，莊勇博.基于 RTK 的敞車裝載集裝箱中心定位方案[J].鐵道貨運，2015，33(1)：58-60.WANG Dong，ZHUANG Yong-bo.Рositioning Рrogram of Оpen-car-loading Container Center based on RTK[J].Railway Freight Transport，2015，33(1)：58-60.

[7] 李建華.JР-18 型集裝箱偏載儀的設計[J].鐵道技術監督，2012，40(5)：19-20，27.

[8] 陳士謙，馮其波.鐵路列車超載偏載檢測技術[J].北方交通大學學報，2003，27(3)：63-66.CHЕN Shi-qian，FЕNG Qi-bo.A Survey of Monitoring Train Super Leaning Load Technique[J].Journal of Northern Jiaotong University，2003，27(3)：63-66.

（責任編輯 吳文娟）

中歐班列(烏蘭察布—阿拉木圖)首發

2016 年 11 月 20 日上午，中歐班列 (烏蘭察布—阿拉木圖) 穩穩駛出內蒙古自治區烏蘭察布市七蘇木站，之后將沿京包、包蘭、臨哈、蘭新鐵路，橫貫我國華北、西北地區，經由阿拉山口出境，全程運行 4 532 km，最終抵達哈薩克斯坦阿拉木圖。這是內蒙古境內除中蒙國際鐵路通道外的又一條直通亞歐市場的鐵路貨運通道。

中歐班列 (烏蘭察布—阿拉木圖) 由烏蘭察布市政府、呼和浩特鐵路局和中鐵集裝箱運輸有限責任公司聯合打造，首趟班列貨源主要是來自內蒙古當地企業及長三角地區、京津冀地區和山東等地的生產設備、建筑石材等數十種產品。

烏蘭察布市政府相關人員介紹，在該中歐班列的帶動下，當地的優質農畜產品及石墨烯等中高端工業產品可遠銷國際市場，為吸引以亞歐為核心市場的外向型產業向烏蘭察布聚集創造了良好條件。不僅如此，中歐班列 (烏蘭察布—阿拉木圖) 的開行還將逐步催生一批大型綜合物流企業和物流基地，形成公鐵、海鐵國際多式聯運、無縫銜接的物流體系，為烏蘭察布市融入國家“一帶一路”戰略發揮重要作用。

負責此次班列運營的呼和浩特鐵路局對外經濟技術集團公司相關負責人介紹，中歐班列 (烏蘭察布—阿拉木圖) 依托烏蘭察布市在亞歐鐵路通道的重要節點優勢，構建起全新的國際物流大通道，有效促使京津冀、中原腹地和華中、華東等區域的商品在此集結分裝轉運，進而通過集二、京包、包蘭等鐵路運送至俄羅斯、哈薩克斯坦、德國等國家，為“中國制造”打開了一扇新的對外大門。

（摘自《人民鐵道》報）

Practice on Supervisory Control of Container Unbalance Load for Railway Gantry Crane

LIU Qing-yu
(Вeijing Loading and Unloading Management Department, Вeijing Railway Administration, Вeijing 100045)

In order to ensure the safety of container transportation, the over-eccentric load detection of containers is carried out. The status data such as container skew angle are real-time collected and analyzed during container loading and unloading using ordinary container spreader of railway gantry crane. The collected data are sent to the monitoring and early warning center by wireless transmission, and the center can intelligently recognize the reasons for container skew, and make early warning measures according to the container skew status. Вy this way it realizes the real-time detecting of container unbalance load and F-TR unhooking status, embodies the idea “prevention first”, and thereby guarantees the transport safety.

Gantry Crane; Container; Unbalance Load; Detecting Technology; Supervisory Control Method

1004-2024(2016)11-0037-05

U294.3；TH213.5

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.11.09

2016-10-13

劉慶漁(1964—)，男，天津人，大學本科。

北京鐵路局科技研究開發計劃課題(2016AY06)