鐵路集裝箱平車防誤吊系統的設計與實現

程付超

（成都大學，四川 成都 610106）

鐵路集裝箱平車防誤吊系統的設計與實現

程付超

（成都大學，四川 成都 610106）

針對鐵路集裝箱F-TR鎖應用中誤吊頻發的現狀，設計并實現了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統，綜合運用高精度傾角傳感器、無線通信、三維實時動畫等技術手段，實現了對集裝箱姿態的三維展示，對集裝箱與平車分離狀態的精確判斷，并對鎖頭未完全脫出的危險情況進行報警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業的安全進行。經測試，本文系統工作正常，能夠達到設計目的。

集裝箱；F-TR鎖；防誤吊

1 引言

隨著世界經濟總量的增長和國際貿易的發展，集裝箱運輸業快速發展，使用集裝箱進行貨物運輸，成為鐵路貨運的主要類型之一。集裝箱F-TR鎖，也叫作鷹頭鎖（如圖1），是我國自主研發的新型集裝箱平車鎖閉裝置。F-TR鎖利用其獨特的鷹頭結構，在鎖頭與集裝箱角件孔之間產生尺寸干涉，實現對集裝箱和平車的鎖閉，具有鎖閉牢固、落鎖解鎖效率高等優勢，目前已裝車過萬輛。但由于集裝箱裝卸作業具有一定的特殊性，當集裝箱內部裝貨量不均勻時，因集裝箱F-TR鎖頭未完全脫出，導致集裝箱連同平車一并吊起的事故時有發生，造成脫軌制動閥損壞、車輛脫線等嚴重事故。這類事故往往會造成集裝箱和平車的嚴重損壞，不但給鐵路公司帶來巨大的經濟損失，同時對吊裝現場的作業流程造成較大影響，造成車站集裝箱積壓，影響多條線路的貨運班列。

圖1 F-TR鎖外觀及安裝示意圖

針對鐵路集裝箱貨運中存在的這一問題，本文設計并實現了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統（簡稱防誤吊系統），綜合運用高精度傾角傳感器、無線通信、三維實時動畫等技術手段，實現對集裝箱姿態的三維展示，對集裝箱與平車分離狀態進行精確判斷，并對鎖頭未完全脫出的危險情況進行報警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業的安全進行。

2 工作原理

2.1 F-TR鎖卡鎖的原因分析

F-TR鎖是一種通過下落和上提力量自動解鎖的鎖閉裝置，安裝在平車的四個角落上，與集裝箱角件對應，其鎖閉原理是鎖芯頭部的偏心結構以及該鎖組裝后其鎖頭外寬大于集裝箱角件孔的外寬，從而產生尺寸干涉，并將集裝箱進出鎖頭的運動形式由垂直運動的單一形式轉變為“垂直運動＋水平轉動”的復合形式來鎖固集裝箱。在集裝箱水平姿態下，F-TR鎖的落鎖和脫鎖動作都能夠順利地自動完成。然而，當集裝箱內貨物重量分布不均時，可能引起集裝箱在吊起過程中姿態發生傾斜，如果傾斜角度過大，在一側先完成脫鎖的情況下，集裝箱受鎖面引導，會恢復脫鎖時轉動的水平角度，導致另一側無法完成脫鎖，形成鎖閉，從而出現一側脫鎖，一側卡鎖的情況。

2.2 F-TR鎖卡鎖的不同情況

根據集裝箱傾斜情況的不同，集裝箱卡鎖情況也可以分為三種：橫向卡鎖、縱向卡鎖和單角卡鎖。

（1）橫向卡鎖。發生在集裝箱橫向傾斜的時候，集裝箱左、右單側兩個鎖頭同時卡住，如圖2(a)所示。

（2）縱向卡鎖。發生在集裝箱縱向傾斜的時候，集裝箱前、后單側兩個鎖頭同時卡住，如圖2(b)所示。

（3）單角卡鎖。發生在集裝箱向單角傾斜的時候，集裝箱某個單角鎖頭卡住，如圖2(c)所示。

圖2 F-TR鎖卡鎖情況示意圖

2.3 鎖頭脫出狀態的判斷方法

根據前述分析，判斷集裝箱是否卡鎖，本質上就是判斷集裝箱的傾斜形態，而由于集裝箱傾斜形態歸根結底是在橫向傾斜和縱向傾斜的共同作用下形成的，所以只需要獲取到橫向傾斜角度和縱向傾斜角度，就可以計算集裝箱總體傾斜情況，從而判斷集裝箱是否會出現卡鎖情況。因此，可通過在起吊吊具上安裝高精度雙軸傾角傳感器，由于吊具在起吊過程中與集裝箱保持相同的傾角，就能獲取集裝箱吊起過程中在橫向和縱向的傾斜角度，從而計算集裝箱的傾斜形態，如圖3所示。

圖3 集裝箱傾斜角度獲取

然后，可以通過估算和實測得到橫向和縱向傾斜角度的閾值，當實測傾斜角度大于該值時，可認為存在較大風險會發生脫鎖不完全的險情，警報設備進行報警，警示工作人員進行人工處理。按照三種卡鎖情況，設橫向傾角閾值為XT，縱向傾角閾值為YT，實測的集裝箱橫向傾角為X，縱向傾角為Y，則：

（1）當|X|〉=XT且|Y|〈YT，可能發生橫向卡鎖；

（2）當|Y|〉=YT且|X|〈XT，可能發生縱向卡鎖；

（3）當|X|〉=XT且|Y|〉=YT，可能發生單角卡鎖。

2.4 卡鎖傾角閾值的估算

按照前述的卡鎖情況來進行逐一進行分析：

（1）橫向卡鎖傾角閾值。發生橫向卡鎖時，如圖4(a)所示，一側剛好脫出鎖頭，另一側卡鎖。設鎖頭高度為Hl，橫向兩鎖頭之間距離為Dlh，則橫向傾角閾值XT可通過式（1）進行計算。

（2）縱向卡鎖傾角閾值。發生縱向卡鎖時，如圖4(b)所示，集裝箱前側剛好脫出鎖頭，后側卡鎖。設鎖頭高度為Hl，縱向兩鎖頭之間距離為Dll，則縱向傾角閾值YT可通過式（2）進行計算。

圖4 卡鎖傾角閾值示意圖

3 系統設計與實現

3.1 組成結構

鐵路集裝箱平車防誤吊系統主要由集裝箱姿態感知前端、遠距離無線數據接收器和防誤吊報警終端三部分構成，如圖5。

（1）集裝箱姿態感知前端：由高精度集裝箱傾斜感應模塊、大容量鋰電池和無線數據發射模塊構成，能夠在吊起過程中對集裝箱傾斜狀態進行感應，并將角度數據通過無線方式發出。

（2）遠距離無線數據接收器：能夠遠距離接收感知前端發來的集裝箱姿態數據，并將數據轉給報警終端進行處理，設計工作在315 MHz或433 MHz頻率。

圖5 鐵路集裝箱平車防誤吊系統組成結構

（3）防誤吊報警終端：為了保證報警的及時性，設計了面向兩種不同平臺的報警終端設備：聲光報警終端和后臺監控報警平臺，未來還將針對移動終端設計專用的監控報警APP。

①聲光報警終端：是一個具備無線數據接收功能的聲光報警器，能夠接收感知前端發送的集裝箱姿態數據，判斷脫鎖情況，并進行報警。該終端適合于直接安裝在吊車操作間內，獲取單路集裝箱姿態數據，直接警示吊車操作人員，及時終止起吊作業。

②后臺監控報警平臺：是一個能夠通過三維動畫實時顯示集裝箱姿態，并根據前端發送的集裝箱姿態數據，判斷脫鎖情況進行報警的桌面軟件。該平臺能夠部署在貨站管理人員的電腦上，方便管理人員隨時監控集裝箱起吊情況。

3.2 集裝箱姿態感知前端設計

集裝箱姿態感知前端由高精度集裝箱傾斜感應模塊、大容量鋰電池和無線數據發射模塊三部分構成。

（1）高精度集裝箱姿態感應模塊：用于實現對集裝箱傾角的檢測，其核心是高精度雙軸傾角傳感器。設計采用雙軸傾角傳感器，具備兩路高精度數據輸出，角度精度達到0.001°。同時，由于感知前端使用時需要安裝在室外的吊具上，因此防水等級應至少達到IP 65，同時應具備較高的抗震性能。

（2）大容量鋰電池：用于實現對報警終端的持續性供電，采用18650電芯作為供電核心，為了保證使用時長，電池總體容量應不低于6000 mAh，并通過電池芯片實現對電放電過程的智能化控制，延長電池供電時間。

（3）無線數據發射模塊：用于將采集的角度數據發送給報警終端，采用315 MHz或433 MHz頻率進行無線數據傳輸，為了保證傳輸距離與速率，設備發射功率應不低于8dBm。

3.3 后臺監控報警平臺設計與實現

后臺監控報警平臺主要由兩部分構成：數據接收及計算后臺程序和三維圖形化顯示與報警界面，如圖6。

圖6 后臺監控報警平臺架構

（1）數據接收及計算后臺程序。用于連接無線接收器，在后臺接收前端傳感器發來的實時數據，根據實時數據計算集裝箱角度參數，并將相關參數發送給三維圖形化顯示與報警終端。采用C++語言編寫，結合傳感器編程接口進行程序設計，聚合了角度計算模塊，能夠根據實時數據計算集裝箱傾角、重心等參數。并通過Socket接口與三維圖形化終端進行通信，實現數據的雙向傳遞。

（2）三維圖形化顯示與報警界面。用于接收后臺服務發來的數據，顯示集裝箱傾斜形態，并根據實時形態進行視覺和聲音兩類報警。采用Unity框架進行三維圖形化顯示，編程語言為C#。以真三維方式對集裝箱形態進行顯示，通過多角度虛擬攝像頭進行圖像角度、距離等控制，從而構建較逼真的三維場景。通過Socket接口與后臺服務通信，以接收傳感器采集的數據。

后臺監控報警平臺實際運行效果如圖7所示。

圖7 后臺監控報警平臺實際運行效果

4 結論

本文針對鐵路集裝箱F-TR鎖應用中誤吊頻發的現狀，設計并實現了一種鐵路集裝箱平車防誤吊系統，實現了對集裝箱姿態的三維展示，對集裝箱與平車分離狀態的精確判斷，并對鎖頭未完全脫出的危險情況進行報警，為吊車操作人員和集裝箱裝卸作業管理人員提供操作輔助，保證集裝箱裝卸作業的安全進行。經測試，本文系統工作正常，能夠達到設計目的。同時，本文研發的防誤吊系統還具有以下特點：

（1）具有較強的針對性：針對鐵路集裝箱貨運中F-TR鎖的具體問題進行研制，從研制之初就瞄準解決鐵路貨運實際問題而來，項目提出人員收集并分析了鐵路集裝箱運輸，特別是F-TR鎖集裝箱使用中面臨的問題，并針對這些問題進行系統設計，這就保證了研制產品具有很強的針對性和實用性。

（2）具有較高的精確度：采用高精度雙軸傾角傳感器作為判斷集裝箱F-TR鎖和角件是否完全脫開的技術基礎，具有較高的判斷精度，避免出現誤判、漏判的情況。

（3）具有較好的易用性：報警終端具備了聲光報警功能，能夠及時提醒相關操作人員進行處理。

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Design and Implementation of Railway Container TrainAnti-Misoperation System

Cheng Fuchao
(Chengdu University,Chengdu 610106,Sichuan)

To reduce the frequency of misoperation in railway container unloading,a railway container train anti-misoperation system is designed and implemented.The system which uses a variety of techniques,such as high-precision angle sensor,wireless communications,real-time 3D animation,can provide 3D display of container posture and accurate judgement of separation status of container and train.The system can also provide a dangerous alarm function for the operators,to ensure the safety of container operations.In the test,the system works properly,achieving the target of designing.

container；F-TR lock；anti-misoperation

TP212；U294.3

A

1008-6609(2017)10-0058-05

程付超（1985-），男，四川瀘州人，博士，講師，研究方向為計算機軟件技術、機器學習。