基于RTK的敞车装载集装箱中心定位方案

（青岛港国际股份有限公司 物流分公司，山东 青岛 266500）

1 问题概述

集装箱海铁联运具有运能大、成本低、污染少等突出优势。然而，近些年集装箱铁路货物的发送量在全国铁路货运量中所占的比例不到3%，远远低于发达国家30%～40% 的比例。目前我国铁路集装箱运输存在的基础设施薄弱、技术装备落后等问题[1]，严重制约着我国集装箱铁路运输的发展。

铁路敞车装载集装箱偏载问题是困扰港口集装箱装车一大难题，使用敞车装运集装箱时，由于敞车内部横向尺寸与集装箱宽度存在差值，造成集装箱在敞车内横向上有400mm 的自由移动空间。为了运输安全，铁路部门规定：货物重心在水平面上的投影应落在车底板纵、横中心线交点上，横向偏移不得超过50mm。铁路集装箱专用车、两用车带有集装箱专用锁头，运行中不存在集装箱位移现象。因此，铁路运输集装箱偏载问题只存在于敞车中。经统计，因集装箱箱内货物装载不均衡造成的铁路货车偏载约占总车数的5%，绝大多数集装箱货车偏载的原因系装车时不居中和运行时集装箱在敞车内发生位移所致[2]。

敞车集装箱装卸作业的港口机械有集装箱正面起重机 (以下简称正面吊) 或轮胎式集装箱龙门起重机(以下简称轮胎吊)。由于正面吊在作业时具有自由度更高、吊具更复杂、驾驶员视线受阻更严重和集装箱拖车配合更灵活等特点，研究正面吊的作业方案更具有普遍意义。目前，在使用正面吊进行敞车装载集装箱作业时，现场需要增加1名指挥人员，通过手势或喊话的方式指导正面吊驾驶员对集装箱进行前后方向的微调 (由于驾驶员对左右方向不存在视觉盲区，因而对于左右方向暂不予考虑)。为保障现场作业安全和效率，为驾驶员提供一个可视化的定位方案，协助其完成敞车装载集装箱的精准作业，是值得深入研究的重要内容。

2 研究现状

目前，对于该类问题的研究主要集中于轮胎吊，解决方案较多是借助激光扫描进行激光测距[3]，该技术的难点在于传感器的位置在吊具上不容易安装，这一问题在正面吊上显得更加突出。基于图像处理技术的方案[4]能够保证误差在40mm 以内，但在夜晚工作时其定位精度较差。实践表明，在正面吊上加装的摄像头或测距装置，极易在装卸过程中受损，而且在一定程度上会限制正面吊的其他作业用途。另外，集装箱体和敞车车壁凹凸不平、敞车车型 (高度和宽度)不统一会影响测距的效果和方案的制订。

因此，考虑运用全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System，GNSS) 解决敞车装载集装箱偏载问题。GNSS泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的。为了提高定位精度，引入实时动态载波相位差分 (Real-Time Kinematic，RTK) 技术，该技术有以下特点。

（1）监测精度高。定位精度：平面为±1×10-6cm，高程为±2×10-6cm。

（2）观测时间短。数据更新率为1～20 Hz (可选)；可以实时动态测量，极大提高装车作业效率。

（3）全天候作业。GNSS 观测可以全天候24h 作业，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等天气影响，适合港口作业。

3 RTK技术原理

RTK 由一个基准站、若干个流动站和无线电通信系统组成。RTK 的工作原理是将1台接收机置于基准站上，另一台接收机置于流动站 (又称载体) 上，基准站和流动站同时接收同一时间、同一 GPS 卫星发射的信号，基准站将所获得的观测值与已知位置信息进行比较，根据载波相对定位的原理得到 GPS 差分改正值。然后通过无线电数据链电台，及时将这个改正值传递给共视卫星的流动站，精化其 GPS 观测值，从而实时地计算出移动站的三维坐标和定位精度。

RTK 单位测量值的计算公式为

式中：φ为单位测量值，m；ρ为卫星至接收机的几何距离，m；c为光在真空中的传播速度，m/s；dT为接收机钟差，s；dt为卫星钟差，s；λ 为载波相位波长，m；N为整周未知数；dtrop为对流层折射影响，m；dion为电离层折射影响，m；dpreal为相对论效应，m； ε (φ)为观测噪声对单位测量值的干扰，m。

为了实现 RTK 系统高精度定位，移动站载波相位观测量通常要与基准站接收机同时测得的量进行双差处理，这时就要求来自基准站和移动站的数据在时间上相互匹配。

以 RTCMSC-104 信息格式传送 RTK系统数据为例，链路传输速率至少为2 400 bps，通常为9 600 bps，甚至达到19 200 bps。要传送如此高速的数据流，无线数据链路可以选用甚高频 (Very High Frequency，VHF) 或特高频 (Ultrahigh Frequency，UHF) 波段。

4 设计方案

运送集装箱的敞车停靠在固定、笔直的轨道上。显然轨道的中心线即为敞车的中心线。前期通过测绘轨道获取精确的敞车位置信息；通过测量吊具的参数可以精确计算集装箱在装卸过程中4个角的三维空间位置；在吊具上安装定位、定向 RTK 设备。运用无线网桥将吊具与敞车位置信息共享，敞车进入正面吊所在区域时，网络通过无线自动连接，从而确定敞车相对集装箱所在的三维位置。驾驶员借助显示终端能够看到集装箱与敞车的精确位置，据此再进行装卸作业及调整。

系统由基准站、车载定位、通信、电源、三维防碰撞5个子系统组成，系统结构与数据流向如图1所示。基准站和车载定位子系统记录敞车和吊具的静、动态位置和轨迹；通信子系统实现基准站与车载定位子系统间的数据差分解算，综合处理和存储信息；电源子系统实现系统长期供电；三维防碰撞子系统设置防碰撞报警阀值，装卸时集装箱放入敞车，系统自动进行敞车车厢和集装箱箱体的三维坐标比对，两者间距达到一定阀值即报警，并且显示报警位置，直至装卸安全完成。

图1 系统结构与数据流向

5 结束语

试验证明该方案的精度能达到30mm 以内，主要误差来源是吊具的抖动。误差范围在铁路部门规定的50mm 以内，有效地解决了敞车装载集装箱偏载问题，在一定程度上实现装车现场的人机分离。该方案的主要缺点是造价相对较高。另外，受卫星状况和数据链传输等因素的影响，在信号稳定性和测量精度方面，全站仪[5]可能更具有优势。

[1] 高晓莹.我国集装箱铁路运输的现状、问题及对策[J].中国铁路，2011(2)：48-51.

[2] 杜 庆.解决敞车装运集装箱偏载问题的探讨[J].铁道货运，2008(9)：31-33.

[3] 包起帆，陆明路，陆荣国.激光测距技术在桥吊下集装箱卡车定位的研究与实现[J].港口科技，2007(10)：5-8.

[4] 洪方年.基于图像处理技术的敞车装载集装箱定位系统的研究与实现[D].成都：西南交通大学，2009.

[5] 邹永涛.全站仪误差分析及其测量自动化的研究[D].北京：北京林业大学，2012.