徐 峰

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司 金華貨運(yùn)中心，浙江 金華 321000)

0 引言

移動(dòng)式集裝箱裝卸機(jī)械(正面吊、堆高機(jī))具有機(jī)動(dòng)靈活、投資費(fèi)用少的優(yōu)勢(shì)[1]，在鐵路集裝箱貨場(chǎng)裝卸作業(yè)中的投入使用率逐年增加。目前，中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上海局集團(tuán)公司”)金華貨運(yùn)中心下屬各貨運(yùn)站總計(jì)擁有8臺(tái)正面吊、2臺(tái)堆高機(jī)。目前貨場(chǎng)外勤貨運(yùn)員只能通過(guò)手工抄錄、對(duì)講機(jī)呼叫、定期清場(chǎng)核箱等原始落后的手段采集集裝箱信息，再將收集的集裝箱堆場(chǎng)數(shù)據(jù)手工錄入至EXCEL表等存檔，存在效率低下、工作量大，工作繁忙時(shí)容易抄錯(cuò)、錄錯(cuò)，及時(shí)性不高等問(wèn)題。集裝箱作業(yè)信息的有效采集及管理，成為影響貨場(chǎng)集裝箱作業(yè)效率的主要問(wèn)題。為此研究嘗試?yán)梦锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貨場(chǎng)集裝箱堆場(chǎng)信息化、智能化管理。其中，裝卸器械定位、集裝箱定位、作業(yè)集卡定位成為智能管理系統(tǒng)中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

鐵路大型集裝箱貨場(chǎng)，以義烏西為例，其堆場(chǎng)面積較大，集裝箱堆疊層數(shù)較高(3層)，集裝箱保有量較大，貨場(chǎng)內(nèi)空重集裝箱總計(jì)大約3 000只；流轉(zhuǎn)量較大，每日運(yùn)輸中歐(中亞)班列、海鐵聯(lián)運(yùn)班列5～6列。由于集裝箱分屬不同的物流企業(yè)，致使無(wú)法采用在集裝箱上安裝傳感器進(jìn)行定位的方法。此外，集裝箱作為全封閉的鐵箱，在堆疊層數(shù)較高之后，會(huì)極大地衰減電磁波信號(hào)，采用類(lèi)似Wi-Fi、UWB等無(wú)線定位技術(shù)將受到極大的干擾。堆場(chǎng)面積大的特征，則要求定位技術(shù)需要達(dá)到大范圍的定位精度，可以選擇的方案較少。

移動(dòng)式集裝箱裝卸機(jī)械具有軌跡不確定、供電不連續(xù)等特征。軌跡不確定的特征使得采用激光測(cè)距的定位方式失效，供電不連續(xù)的特征使得定位技術(shù)必須具有低功耗或者恢復(fù)快的特征。

研究提出的解決方案是：采用北斗載波相位差分技術(shù)(Real-Time Kinematic，RTK)結(jié)合慣性定位，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式裝卸機(jī)械的高精度定位[2-4]；基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)傾角傳感器[5]、調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave，F(xiàn)MCW)毫米波雷達(dá)測(cè)距[6]、自動(dòng)控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集裝箱的定位和識(shí)別；基于多級(jí)定位結(jié)果，結(jié)合無(wú)源射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)技術(shù)[7-9]，實(shí)現(xiàn)集卡車(chē)的定位和識(shí)別；基于太陽(yáng)能供電、控制系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)間歇性供電的低功耗無(wú)障礙運(yùn)行。研究結(jié)果表明，此方案不僅造價(jià)低、定位精度高，而且箱號(hào)識(shí)別精準(zhǔn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式集裝箱裝卸機(jī)械的信息自動(dòng)采集、智能化管理具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 移動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)模型

1.1 移動(dòng)式集裝箱裝卸機(jī)械定位模型

移動(dòng)式集裝箱裝卸機(jī)械的定位不單是定位1個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，還需要定位方向，移動(dòng)式裝卸機(jī)械示意圖如圖1所示，定位系統(tǒng)需要獲得向量在整個(gè)系統(tǒng)中的坐標(biāo)。系統(tǒng)需要同時(shí)獲取裝卸機(jī)械上A點(diǎn)、B點(diǎn)相對(duì)整個(gè)集裝箱堆場(chǎng)的坐標(biāo)，從而計(jì)算出裝卸機(jī)械在堆場(chǎng)中的方向和位置，計(jì)為

圖1 移動(dòng)式裝卸機(jī)械示意圖Fig.1 Mobile handling machinery

1.2 集裝箱定位和識(shí)別模型

由于集裝箱的流轉(zhuǎn)特性，使得集裝箱的定位和識(shí)別成為難題，研究通過(guò)結(jié)合移動(dòng)式裝卸機(jī)械的坐標(biāo)和作業(yè)行為，反向推斷集裝箱在堆場(chǎng)中的移動(dòng)軌跡。通過(guò)裝卸機(jī)械在作業(yè)時(shí)，集裝箱相對(duì)裝卸機(jī)械的位置相對(duì)固定，此時(shí)可以通過(guò)固定位置識(shí)別集裝箱的箱號(hào)。但是，又由于移動(dòng)式裝卸機(jī)械的吊臂會(huì)伸縮，吊具位置會(huì)相對(duì)發(fā)生變化，使得移動(dòng)式裝卸機(jī)械在裝卸集裝箱時(shí)的坐標(biāo)不能直接計(jì)算出集裝箱的坐標(biāo)。此時(shí)需要對(duì)吊臂的抬升和伸縮進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出此時(shí)集裝箱相對(duì)裝卸機(jī)械的坐標(biāo)，同時(shí)調(diào)整識(shí)別裝載的參數(shù)、自動(dòng)跟蹤集裝箱箱號(hào)的位置。集裝箱定位和識(shí)別示意圖如圖2所示，集裝箱的定位以裝卸機(jī)械的定位作為參考，獲得吊具在裝卸機(jī)械上的坐標(biāo)H(xh，yh)。

圖2 集裝箱定位和識(shí)別示意圖Fig.2 Container positioning and identification

通過(guò)測(cè)量吊臂長(zhǎng)L和測(cè)量吊臂的傾角θ，可以計(jì)算出H在垂直平面相對(duì)于A點(diǎn)的坐標(biāo)H(Lcos(θ)，Lsin(θ))。在計(jì)算出H坐標(biāo)后，進(jìn)一步計(jì)算出識(shí)別相機(jī)的跟蹤參數(shù)δ，用來(lái)調(diào)整相機(jī)的識(shí)別角度和焦距。

識(shí)別出集裝箱箱號(hào)后，通過(guò)相對(duì)坐標(biāo)H(Lcos(θ)，Lsin(θ))，結(jié)合裝卸機(jī)械的坐標(biāo)，可以獲得集裝箱在整個(gè)堆場(chǎng)中的坐標(biāo)固定向量為

式中：M為參數(shù)，

1.3 集卡汽車(chē)定位和識(shí)別模型

集卡汽車(chē)的定位和識(shí)別主要是解決集裝箱是否裝錯(cuò)、是否是裝到指定的集卡汽車(chē)上的問(wèn)題。研究通過(guò)在集卡汽車(chē)車(chē)板上貼裝無(wú)源的RFID標(biāo)簽，通過(guò)將標(biāo)簽的ID同集卡車(chē)號(hào)綁定，在裝卸機(jī)械靠近該集卡汽車(chē)時(shí)，即可讀取出當(dāng)前集卡的車(chē)牌號(hào)是否為指令所指定的集卡車(chē)號(hào)。集卡汽車(chē)定位和識(shí)別示意圖如圖3所示，通過(guò)讀取集卡上的無(wú)源標(biāo)簽，結(jié)合當(dāng)前裝卸機(jī)械的定位坐標(biāo)向量可以獲得集卡的當(dāng)前坐標(biāo)向量

圖3 集卡汽車(chē)定位和識(shí)別示意圖Fig.3 Positioning and identification of container truck

1.4 低功耗模型

由于移動(dòng)裝卸機(jī)械啟動(dòng)的不確定性，需要對(duì)模塊采用低功耗設(shè)計(jì)。研究采取在不同的工作狀態(tài)時(shí)，采用不同的工作模式。用電功耗分析如表1所示。通過(guò)不同的策略，控制系統(tǒng)的功耗，使得系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)檠b卸機(jī)械的間歇性工作導(dǎo)致定位中斷。

表1 用電功耗分析Tab.1 Power consumption analysis

2 移動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)共4項(xiàng)，主要包括移動(dòng)式裝卸機(jī)械的定位模塊設(shè)計(jì)、集裝箱的定位模塊識(shí)別設(shè)計(jì)、集卡汽車(chē)車(chē)板的識(shí)別模塊設(shè)計(jì)和供電管理模塊設(shè)計(jì)。

移動(dòng)式裝卸機(jī)械移動(dòng)范圍廣，參考基站作用范圍有限，定位模塊需要?jiǎng)討B(tài)切換參考站點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)裝卸機(jī)械的跨區(qū)域定位；實(shí)時(shí)計(jì)算裝卸機(jī)械全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)坐標(biāo)、吊具定位坐標(biāo)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，優(yōu)先選取信號(hào)良好的參考點(diǎn)。設(shè)計(jì)采用“一級(jí)拓?fù)涠ㄎ?慣性定位”+“二級(jí)定位”的方式。多級(jí)定位示意圖如圖4所示。

圖4 多級(jí)定位示意圖Fig.4 Multi-stage positioning

系統(tǒng)同步計(jì)算多個(gè)參考點(diǎn)的輸出結(jié)果及慣性定位的輸出結(jié)果，合并為一級(jí)定位結(jié)果系統(tǒng)同步測(cè)量裝卸機(jī)械吊臂的伸縮長(zhǎng)度L和抬升傾角θ，計(jì)算出二級(jí)定位結(jié)果。通過(guò)一級(jí)定位和二級(jí)定位，合并計(jì)算出裝卸機(jī)械吊具的最終坐標(biāo)通過(guò)各個(gè)獨(dú)立模塊處理之后，系統(tǒng)中的所有集裝箱存量坐標(biāo)集合S為

系統(tǒng)定位采用GNSS-RTK定位技術(shù)，覆蓋范圍2 km。當(dāng)覆蓋范圍超過(guò)2 km時(shí)采用組網(wǎng)的形式，自動(dòng)切換定位參考基站的方式。RTK定位基站自動(dòng)切換示意圖如圖5所示?？紤]到北斗信號(hào)丟失、失鎖等異常情況的發(fā)生，采用與慣性定位技術(shù)相結(jié)合的方式，保證定位的完整性。

圖5 RTK定位基站自動(dòng)切換示意圖Fig.5 Automatic handover of RTK positioning base station

2.1 移動(dòng)式裝卸機(jī)械定位模塊

由于移動(dòng)式裝卸機(jī)械體積大，不能單純地作為一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行處理，需要進(jìn)行方向判別。由于作業(yè)軌跡是隨機(jī)的，導(dǎo)致方向的隨機(jī)性。系統(tǒng)采用雙RTK定位，聯(lián)合電子羅盤(pán)及地磁傳感器，綜合判定裝卸機(jī)械的精確方向，解決裝卸機(jī)械在作業(yè)過(guò)程中的方向判別問(wèn)題。移動(dòng)式裝卸機(jī)械定位模塊主要包含2個(gè)部分，一部分是RTK參考基站，另一部分是RTK移動(dòng)基站。RTK參考基站一般作用范圍有限，在2 km左右，對(duì)于大型堆場(chǎng)則需要采用多個(gè)參考基站的覆蓋才能滿足作業(yè)要求。

參考基站設(shè)計(jì)核心包含北斗GNSS模塊、無(wú)線數(shù)傳模塊和RTK解算模塊。參考基站中解算模塊采集北斗GNSS模塊數(shù)據(jù)，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)數(shù)傳模塊廣播至附近的移動(dòng)基站。定位參考基站設(shè)計(jì)如圖6所示

圖6 定位參考基站設(shè)計(jì)Fig.6 Design of reference positioning base station

移動(dòng)基站核心包含二路北斗模塊，一路數(shù)傳、一路慣性傳感器和RTK解算模塊。移動(dòng)基站中解算模塊采集二路北斗信號(hào)，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳接收RTK參考基站信號(hào)，并在本地進(jìn)行解算，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)輸出最終的定位結(jié)果。其中，慣性傳感器在衛(wèi)星信號(hào)丟失嚴(yán)重的情況下，采用慣性導(dǎo)航彌補(bǔ)間歇性的衛(wèi)星中斷情況。定位移動(dòng)基站設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 定位移動(dòng)基站設(shè)計(jì)Fig.7 Design of mobile positioning station

2.2 集裝箱定位和識(shí)別模塊

通過(guò)毫米波雷達(dá)傳感器測(cè)量吊臂長(zhǎng)L，通過(guò)傾角傳感器測(cè)量吊臂傾角θ，將數(shù)據(jù)傳輸至定位處理器進(jìn)行計(jì)算，可以得到H的坐標(biāo)(Lcos(θ)，Lsin(θ))。通過(guò)狀態(tài)采集器，采集裝卸機(jī)械的裝卸狀態(tài)，觸發(fā)箱頂相機(jī)和箱側(cè)面相機(jī)抓拍照片，將結(jié)果推送至圖像處理進(jìn)行識(shí)別，完成集裝箱箱號(hào)的識(shí)別。集裝箱定位和識(shí)別模塊設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 集裝箱定位和識(shí)別模塊設(shè)計(jì)Fig.8 Design of container positioning and identification modules

實(shí)際中由于通信帶寬的限制，設(shè)計(jì)采用本地集裝箱箱號(hào)識(shí)別的方式。在裝卸機(jī)械吊具上采用箱側(cè)識(shí)別、箱頂識(shí)別來(lái)進(jìn)行雙重識(shí)別糾錯(cuò)，提高箱號(hào)識(shí)別的正確率。此外，由于移動(dòng)式裝卸機(jī)械的電子信息系統(tǒng)匱乏，主要采用機(jī)械控制，需要對(duì)每一種情況進(jìn)行電子信息采集。例如，采集開(kāi)鎖、閉鎖、20 ft集裝箱、40 ft集裝箱等狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距采集開(kāi)鎖、閉鎖信號(hào)。

2.3 集卡汽車(chē)定位模塊

設(shè)計(jì)采用無(wú)源射頻RFID標(biāo)簽，將標(biāo)簽貼至集卡車(chē)板的側(cè)面，在裝卸機(jī)械的前側(cè)安裝RFID標(biāo)簽讀卡設(shè)備，讀取標(biāo)簽中的信息，同系統(tǒng)中的集卡車(chē)牌相關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)核心包含RFID模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊。集卡汽車(chē)定位設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 集卡汽車(chē)定位設(shè)計(jì)Fig.9 Design of container truck positioning

2.4 供電管理模塊

由于移動(dòng)式裝卸機(jī)械是間歇性工作的，無(wú)法長(zhǎng)期供電，但指令的下發(fā)是隨時(shí)的，因而需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行低功耗處理[10-11]。系統(tǒng)通過(guò)采集裝卸機(jī)械的工作狀態(tài)、太陽(yáng)能供電狀態(tài)、電池電量剩余容量，動(dòng)態(tài)控制相關(guān)模塊的電源，降低功耗，以保障在裝卸機(jī)械長(zhǎng)期沒(méi)有啟動(dòng)的情況下，系統(tǒng)仍然能正常地傳輸指令。電源設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一管理、智能分配的形式，分別給各個(gè)模塊供電，控制各個(gè)模塊的電源和功耗，及時(shí)采集各個(gè)模塊電源的供電情況，動(dòng)態(tài)供給各個(gè)模塊的電源。電源設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 電源設(shè)計(jì)Fig.10 Power supply design

3 業(yè)務(wù)流程

通過(guò)對(duì)裝卸機(jī)械的定位、集裝箱的定位和識(shí)別，管理系統(tǒng)可以有效地對(duì)相關(guān)作業(yè)指令進(jìn)行下發(fā)和指揮。

（1）裝集卡車(chē)作業(yè)。裝卸機(jī)械收到管理系統(tǒng)下發(fā)的裝集卡車(chē)吊單后，自動(dòng)查找集裝箱所在位置，并通過(guò)終端顯示屏指引司機(jī)開(kāi)往指定的地方提箱，在裝集卡車(chē)過(guò)程中，由集卡車(chē)定位識(shí)別模塊獲取車(chē)板識(shí)別模塊數(shù)據(jù)，判別當(dāng)前汽車(chē)是否為所裝汽車(chē)，如果為非計(jì)劃汽車(chē)則進(jìn)行語(yǔ)音提示并報(bào)警，如果為計(jì)劃汽車(chē)則上報(bào)平臺(tái)，平臺(tái)可以自動(dòng)生成出站單。

（2）卸集卡車(chē)作業(yè)。裝卸機(jī)械收到管理系統(tǒng)下發(fā)的卸集卡車(chē)吊單之后，通過(guò)獲取車(chē)板識(shí)別模塊數(shù)據(jù)，查詢(xún)管理系統(tǒng)中的卸集卡車(chē)吊單，待裝卸機(jī)械靠近集裝箱時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)判定吊單數(shù)據(jù)情況。抓取集裝箱號(hào)，模塊通過(guò)匹配成功的吊單進(jìn)行語(yǔ)音指引，并在終端顯示屏進(jìn)行顯示指引。

（3）翻箱作業(yè)。裝卸機(jī)械自動(dòng)記錄裝卸機(jī)械裝載集裝箱的作業(yè)結(jié)果，并將數(shù)據(jù)及時(shí)同步管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)更新堆場(chǎng)集裝箱數(shù)據(jù)。

（4）鐵路裝車(chē)作業(yè)。裝卸機(jī)械通過(guò)識(shí)別到的集裝箱號(hào)自動(dòng)匹配最新的吊單，如果裝卸作業(yè)類(lèi)型為裝車(chē)作業(yè)時(shí)，通知并指引司機(jī)裝往指定的貨物列車(chē)上，如果結(jié)果發(fā)生改變，司機(jī)可以通過(guò)終端手動(dòng)調(diào)整目標(biāo)貨車(chē)車(chē)號(hào)，及時(shí)更新吊單執(zhí)行結(jié)果。

（5）鐵路卸車(chē)作業(yè)。裝卸機(jī)械通過(guò)識(shí)別當(dāng)前作業(yè)位置來(lái)判斷當(dāng)前的作業(yè)為卸貨物列車(chē)時(shí)，通過(guò)集裝箱箱號(hào)自動(dòng)匹配吊單，成功匹配后，通知并指引司機(jī)將集裝箱卸往指定的位置，如果卸載的位置為非吊單所指定的位置，則系統(tǒng)進(jìn)行聲音報(bào)警，并上傳至平臺(tái)，通知平臺(tái)操作人員進(jìn)行處理。

通過(guò)以上5種作業(yè)流程可以看出，通過(guò)獲取集裝箱裝卸機(jī)械的作業(yè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)集裝箱信息的自動(dòng)采集，可以及時(shí)地掌握堆場(chǎng)堆放情況，通過(guò)對(duì)集裝箱堆場(chǎng)的裝卸作業(yè)信息化指揮，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息完整采集和反饋，能夠便捷、通暢地以多種方式通信，提高工作效率。其中，定位識(shí)別技術(shù)在整個(gè)作業(yè)中起到關(guān)鍵性的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，信息化管理集裝箱堆場(chǎng)裝卸機(jī)械，從而實(shí)現(xiàn)鐵路貨場(chǎng)集裝箱堆場(chǎng)的信息化、智能化管理。有效利用數(shù)據(jù)資源，有助于避免重復(fù)勞動(dòng)，降低人力資源成本。通過(guò)該系統(tǒng)可以減少每個(gè)堆場(chǎng)區(qū)域的相關(guān)管理崗位，義烏西目前有2個(gè)空箱堆場(chǎng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以統(tǒng)一管理，對(duì)裝卸機(jī)具統(tǒng)一調(diào)度，合并崗位、減少相關(guān)崗位1/2的人員。該系統(tǒng)節(jié)省了大量的找尋集裝箱時(shí)間，大大提高了空箱流轉(zhuǎn)率，堆場(chǎng)的日常容量可以從現(xiàn)有的日均卸3列空箱增至卸4列空箱，集裝箱裝車(chē)量從日均3～4列提高到日均6列、最高8列的水平，有效地提高了運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的大幅提升。