場站集裝箱箱位智能化管理的研究與應用

童鵬程 中國鐵路上海局集團有限公司貨運部

1 引言

長期以來，由于受制于基礎設備、設施，鐵路集裝箱場站缺乏對箱號、位置信息自動采集的手段，造成場站精準化、智能化管理水平不高，制約了場站規模化、集約化。

本文主要對鐵路集裝箱管理現狀，提出采用新技術，解決集裝箱號識別和定位，將業務規則策略，融入系統研發，并結合義烏西全面應用和部分功能介紹，并展望未來，提出了一些個人觀點。

2 鐵路集裝箱管理現狀

2.1 集裝箱運輸發展分析

近年來，鐵路集裝箱發送量年均增長30%左右，而集裝箱運量僅占鐵路貨運總量的5.4%，遠低于發達國家鐵路30%～40%水平。2018年，上海局管內海鐵聯運運量在集、疏、運體系中僅占1.6%，低于國內平均水平，集裝化運輸優勢未得到有效發揮。

2.2 鐵路場站管理現狀

國內部分港口已實現集裝箱作業自動化、智能化，滿足了大吞吐量、高效作業的需要。鐵路集裝箱場站管理及裝備信息化水平落后的現狀，制約了管理與作業效率，主要表現為：

（1）管理方式傳統。靠手工抄錄箱區、箱位及作業動態信息，再手工錄入集裝箱管理信息系統，耗時長，錯誤率較高。

（2）起重設備作業效率低。沒有有效的智能化管理手段，導致不能對起重機械作業過程優化，難以使效能最大化。

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

（4）資源協同能力弱。無法精準掌握堆碼情況，不能結合裝卸設備當前位置，智能引導車輛進場落箱、取箱，導致不均衡作業多，多式聯運銜接不順暢。

3 技術研究

通過運用導航、定位、測控、數據集成等技術，研究科學算法模型，提出場站集裝箱定位、箱號識別的新方法，解決集裝箱動態堆存信息化的難題。

3.1 UWB定位

UWB是一種無載波通信技術，是利用納秒至微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，UWB信號帶寬大，容易分離多徑信號，抗衰落性能好，比較適合復雜環境定位場景。

3.2 GNSS定位

GNSS系統是一個多模式的定位系統，包括GPS、Glonass及Galileo和北斗衛星系統，及用于區域的、增強的衛星導航。

3.3 定位與測距

在場站內基準位置、定位目標上設置定位標簽；定位目標帶標簽行走，發射超寬帶信號，基準標簽接收信號并傳輸服務器，利用運用定位算法進行位置計算，以虛擬動態、三維效果實時顯示定位目標位置。

3.4 智能圖像處理

智能圖像處理過程包括：圖像采集，預處理，分割與目標識別與分類，目標定位與測量。攝像機采集連續的現場圖像，圖像預處理后，把圖像分成各具特征的區域，提取出目標，進行識別和分類，按照目標和圖像之間的復雜映射關系進行處理，得出字符、數字。

4 箱號識別與箱位智能管理

通過綜合運用定位、視頻分析、科學算法、作業規則策略，提出集裝箱箱號識別、箱位智能管理解決方案。

4.1 箱號識別

（1）移動起重設備安裝攝像機。在門吊走行、起落箱時采集到箱號圖像。攝像機可自動控制攝像方向、伸縮鏡頭，直觀拍攝門吊行進、起落，當前吊鉤、小車及周邊的連續視頻場景；可采集箱體兩側或箱頂的字母、數字圖像，采用智能視頻圖像處理技術，得到正確箱型、箱號信息。

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

（3）校驗碼規則法。利用校驗碼規則，正向校驗和逆向計算，提高識別箱號的正確率。

4.2 集裝箱定位

定位系統包括三個組成部分：在軌道式起重機上安裝UWB和GNSS模塊定位標簽，發射UWB信號來確定位置、確定場站內區域；場站內基準標簽，接受目標標簽發送過來的信號；軟件平臺獲取、分析、處理。GNSS主要解決多區域定位（如圖 1）。

圖1 定位識別場景示意圖

（1）基準定位標簽：定位標簽是一種精密測量儀器，可以通過檢測移動定位標簽發出的UWB信號，來計算該標簽的三維位置。獨立測定UWB信號的方向角和仰角；而到達時間差信息則必須由一對時間同步的基準標簽來測定；信號到達時間差和信號到達角度相結合的測量技術，構建靈活強大的定位系統。

（2）移動設備定位標簽：通過基準位置標簽，接收移動起重機上定位標簽信號，后臺計算出移動起重機設備的三維位置信息，精度可穩定至3 cm～10 cm；移動起重機設備上的UWB標簽提供達每秒20次以上的動態位置數據。

4.3 定位策略算法

計算移動標簽信號到達基準標簽的時間差、角度，運用信號到達時間差（TODA）和信號到達時間角度（AOA）及雙向測距算法TW-TOF混合定位算法，計算出門吊、起落箱的位置（如圖 2）。

圖2 定位測距示意圖

設傳感器得到的到達時間差Δt，到達角度α1和α2，c表示光速度，移動點MS（x0，y0），基準點BS1（x1，y1）和BS2（X1，Y1），那么以下公式計算可以得到移動點MS的坐標（如圖3）。

4.4 業務規則策略

根據功能區和堆碼規則，堆碼和作業優化策略，資源協同控制等要素，綜合考慮箱型、箱類、屬主、發到、去向、裝卸順序、箱位、堆存情況、空箱規則等，生成調箱指令，降低調箱次數。

圖3 定位計算

如系統自動生成吊箱指令，后臺自動結合汽車衡、超偏載設備等稱重、測量信息，生成滿足起重能力的吊箱指令；堆碼順序、層數要兼顧起重機械走行距離；堆碼規則符合業務規范，不允許空重混放、懸空、重壓空箱、混堆；根據劃分好功能區，分配箱位，做好車流銜接；空箱區先進先出，減少翻箱作業，壓縮堆存停留時間；根據預約提箱次序，匹配堆碼層位，減少翻箱作業；根據堆存情況，結合起重設備當前位置，進門箱的空、重，為集卡車分配停靠區域，提高直裝直卸比例等。

5 系統研發與應用

綜合箱號識別、定位管理、業務規則策略，運用結合圖形化、主數據同步等技術，研發信息系統，在義烏西站全面應用，實現箱區、箱位的智能管理和場站集中調度指揮。

5.1 系統架構

采用B/S的網絡構架設計，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，數據庫連接池組件為Alibaba Druid，數據庫采用 Oracle11g。

5.2 系統功能

系統主要功能有：綜合平臺管理，出入口管理、集裝箱定位管理、裝卸車管理、作業信息反寫集裝箱管理系統等。

（1）綜合平臺：綜合運用現有貨運系統信息，采集安全檢測設備、起重設備生產作業信息，智能生成和輔助產生調箱指令，通過平臺向各子系統、外部系統推送、交換作業信息。

（2）出入口管理：對進出門閘口進行信息化管理，實現公路汽車車牌、箱號自動識別，對進站箱按場站內堆存分布情況，結合效率算法，合理安排起落箱區域，貨場門口屏幕顯示、自助打印門檢指示單，引導集卡進場，根據有關作業情況信息，為出門集卡起桿自動放行。

（3）集裝箱智能管理：綜合運用起重設備走行軌跡、起落箱時采集到的圖像，運用箱號識別、測距技術和算法模型，識別與定位箱號、箱區、箱位，實現場站電子化。

（4）裝卸車管理：構建良好人機交互關系的圖形化場站，按實際情況，在系統中設置重箱區、空箱區、內貿箱區、出口箱區、發送和到達區等。人工輔助或自動生成調箱指令，通過平臺將作業指令傳遞到貨運員手持機、門吊司機室終端，返回作業指令執行結果和變更、異常處理情況。

（5）作業信息反寫。按照規范格式，將采集得到的作業信息，通過平臺信息反寫給集裝箱管理系統，實現作業信息自動采集、傳遞和復用。

5.3 調箱作業部分場景

（1）生成卸鐵路貨車吊箱單。箱調度進入卸鐵路貨車的頁面，可自動生成吊箱單，也可選擇集裝箱所在貨車位置，可批量拖、拽集裝箱模擬標識，到堆場的目標位置，點擊“生成吊箱單”，點擊“確認并推送”按鈕，生成吊箱單，信息發送至由門吊司機和外勤人員，完成吊箱指令生成和分發，發現錯誤可進行回退操作（如圖4）。

圖4 卸貨車模擬圖

（2）門吊司機端。接收到調箱的吊箱指令，頁面會顯示吊箱指令內容，包括：作業類型及編號、任務序號、數量、已完成任務、完成標識、當前任務、后續待執行任務（如圖5）。

圖5 門吊司機終端界面圖

（3）外勤貨運員端。外勤收到吊箱單任務，可根據作業執行情況，分別點擊“完成、有調整和后退”按鈕，進行作業確認或作業調整（如圖6）。

圖6 外勤手持機標記任務狀態圖

6 展望與思考

定位、視頻分析技術研究與生產應用，是鐵路場站智能化管理的有益探索，是推進“智能貨運”大膽實踐，研究與實踐表明，還需要加強與深化運用。

6.1 要實現更優策略的業務管理

通過不斷的制定策略與回顧，改進與完善場站管理，如最優策略堆存、裝卸機械最優綜合移動算法、卡車進場錯峰避免擁堵策略等，建立多目標優化數學模型，進一步優化系統，促進提升場站作業效率。

6.2 研發集卡APP，促進作業協同

根據義烏西情況，發現貨場作業不均衡、場內擁堵現象時有發生，導致管理成本無謂增加。研發APP應用，讓場外司機自行獲知鐵路貨場作業指令，提前預知作業繁忙、空閑時段，預約進場，可以進一步提高生產效率。

6.3 推廣智能管理系統

據統計，全路發送量前20的集裝箱辦理站運量，占集裝箱總運量的95%。以上海局為例，2018年，發送量前20的集裝箱辦理站運量，占全局集裝箱運量的78%，發送量前40的集裝箱辦理站運量，占全局集裝箱總運量的94.8%，因此，可以優先在大型辦理站推廣應用智能化管理系統，促進增量、上量，提高效益。

6.4 裝卸機械自動化作業控制

在確保安全的前提下，未來在試點車站，研究智能化系統的作業指令與裝卸機械控制系統自動對接，人機協同，實現裝卸機械遠程操控、自動化作業。