铁路门式起重机集装箱偏载监控的实践

刘庆渔

(北京铁路局 北京装卸管理部，北京 100045)

铁路门式起重机集装箱偏载监控的实践

刘庆渔

(北京铁路局 北京装卸管理部，北京 100045)

为确保集装箱运输安全，对集装箱实施超偏载检测。通过对铁路门式起重机普通集装箱吊具吊运集装箱作业过程中的集装箱偏斜角度等状态数据进行实时采集和分析，将数据通过无线传输至监测预警中心，对造成集装箱倾斜的原因进行智能识别，分级判定集装箱倾斜状态并做出相应预警及联动处理，可以实现对吊装作业的集装箱偏载量、F-TR 锁脱钩情况的实时监测，将防范关口前移，保证运输安全。

门式起重机；集装箱；偏载；检测技术；监控方法

集装箱运输具有货物运输安全、简化货物包装、提高作业效率、便于多式联运、易实现“门到门”运输等优点，方便实现现代化管理，在铁路运输中占有越来越大的比重[1]。但是，集装箱运输中的超载、偏载现象会给运输安全带来一定影响。一旦集装箱出现超偏载，当其装上列车后，负重车辆重心在横向或纵向偏移超限，形成安全隐患，易引发列车脱轨或翻车的严重事故。为确保安全运输，必须在源头实施控制，即对集装箱进行超偏载检测。

1 集装箱偏载监控现状

目前，国内尚无关于铁路门式起重机采用无动力集装箱吊具装卸集装箱作业监测及控制集装箱偏载的完整、高效、可行的解决方案，无可借鉴和效仿的资源和案例。此外，动态测量及补偿技术、状态传感器设计技术、数字无砝码标定、嵌入式系统开发技术及移动无线技术在监控集装箱偏载系统上的集成应用，也属于国内外的前沿技术领域。随着铁路货运向现代物流的转型发展，集装箱运输成为铁路货运增量的一个突破点[2]，同时各种安全和效率的瓶颈给集装箱作业带来挑战，特别是在繁忙的集装箱运输作业点，对设备和流程进行改进的需求非常突出。

（1）集装箱偏载的安全隐患问题。目前集装箱装卸作业中的偏载情况一般通过地面设备进行测量，存在二次搬捣，作业繁琐，费时、费力，影响作业效率。

（2）铁路集装箱专用平板锁闭装置 (F-TR 锁) 的安全问题。近年来，F-TR 锁作业的安全问题时有发生，虽然通过加强作业过程控制等人为条件，可以降

低问题发生概率，但随着作业繁忙和人工作业的不可控，安全隐患依然存在。通过改造门吊，采用传感器测量数据来判断是否发生 F-TR 锁挂住，并且采取报警、停机等手段可以有效实现安全控制关口的前沿，避免安全隐患的发生。

基于以上原因，为了在吊运装卸集装箱的同时可以检测集装箱的偏载情况，铁路门式起重机集装箱作业偏载监测及控制系统研究成为现场亟需解决的一项研发课题。

2 新型集装箱偏载监控方法

“门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统”是一种新型监控集装箱偏载的方法。该系统主要对正在进行吊装作业的集装箱状态数据进行实时采集和分析，将数据通过无线传输至监测预警中心，对造成集装箱倾斜的原因进行智能识别，分级判定集装箱倾斜状态并且做出相应预警及联动处理，可以实现对吊装作业的集装箱偏载量、F-TR 锁脱钩情况的实时监测，将防范关口前移，提高铁路运输的安全性。

2.1 功能需求

通过对门式起重机装卸集装箱的管理现状进行充分调研，门式起重机集装箱偏载监测及F-TR锁作业智能预警系统可以实现以下功能。

（1）状态测量。连续不断地测量吊装中的集装箱超偏载状态和F-TR锁有没有脱钩，有效保证采集数据的准确性和实时性。

（2）重心换算。智能识别集装箱吊装作业状态，采用集装箱重心计算模型，使集装箱重心位置的计算更加快速精确。重心换算方法如图 1 所示。

图1 重心换算方法示意图

当吊架仅由顶部吊钩受力吊装集装箱时，只能提供在吊钩处竖直向上的拉力 F。根据力的相互作用原理，系统重力 G 必然和 F 在同一直线上且方向相反。G 的作用点即重心，L 即为偏心。只要测量出吊架与吊钩之间距离 h 和吊架与水平的倾角 α，即可计算出偏心 L = h · tan α。

（3）三维动态显示。以三维动画的形式将集装箱实时状态及重心位置展示在软件界面上，更加直观地体现了集装箱的工作状态，三维动态显示效果如图2 所示。在图 2 中，x 代表集装箱装载横向偏斜1.2°，偏离理论中心位置 -15 mm；y 代表集装箱装载纵向偏斜 1.9°，偏离理论中心位置 20 mm。图中绿色方形按钮表示 86% 电池剩余量，圆形按钮 20 尺表示 20 英尺集装箱。

图2 三维动态显示效果图

（4）及时分类报警。高分贝声光报警单元在接收到报警信号时，根据不同报警信号发出不同的醒目报警色及容易分辨的报警音，确保司机可以在第一时间得知报警确切内容。

（5）电气联控。报警的同时与起重机进行电气联控[3]，通过可编程控制器 (Рrogrammable Logic

Controller，РLC) 控制起重机上升动作的交流接触器，使起重机停止吊架上升作业，在 F-TR 锁安全隐患排除后继续正常作业，保证装卸作业安全。

（6）低功耗设计。系统供电采用独立的低功耗智能电源管理单元，在不需要供电时停止供电，从而延长整个系统的工作时间；分析蓄电池的电量及工作状态，当电量不足或电池状态较差时及时返回信息；提供充电接口，方便进行充电或更换电池操作。

（7）报警记录查询。对报警数据全程记录，包含集装箱尺寸、倾斜角度、偏心、报警时间等数据[4]，用户通过登录报警记录查询管理页面即可查阅。

2.2 系统架构

门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统主要包括数据采集模块、数据处理模块 2 个部分，分别安装在吊架和司机操作室中，通过无线通讯方式进行数据传输，门式起重机集装箱偏载监测及F-TR 锁作业智能预警系统组成如图 3 所示。

（1）数据采集模块。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统的数据采集模块的主要功能是实时采集集装箱的状态数据，内部包含 1 块装有 ARM 内核微控制器的集成控制电路板，整体采用工业一体化设计[5]，达到 IР65 防水防尘标准，可以根据现场吊架情况选择适当的位置进行安装。

（2）数据处理模块。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统数据处理模块的主要功能是对采集到的数据进行智能分析、判断和处理[6]，所有设备都安装在司机操作室中，方便司机在进行作业的同时观察集装箱及 F-TR 锁所处状态。

图3 门式起重机集装箱偏载监测及F-TR锁作业智能预警系统组成

2.3 系统特点

（1）符合性。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR锁作业智能预警系统按照模块化设计，思路清晰，设计巧妙，极大地方便了用户使用和后期维护。同时，提供的软件系统界面友好，使用方便，效果明晰。

（2）可靠性。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR锁作业智能预警系统在设计的时候充分考虑了铁路货运环境的复杂性。产品严格按照中国铁路总公司的相关标准设计，系统结构清晰，各个模块部署合理，从硬件、软件和机械结构设计方面都充分考虑铁路货物运输的特性，保证了系统的稳定性和可靠性[7]。

（3）先进性。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR锁作业智能预警系统性能可靠、操作简单，只需要起重机司机在吊装时完成操作，既提高工作效率，又满足现场需求。该系统的应用不需要专门的场地，也不需要增加额外的作业成本，在吊装集装箱的同时完成了检测，省时省力，方便快捷，将集装箱超偏载隐患消灭在装车源头，为运输安全提供了保证，在利用铁路门式起重机监控集装箱偏载领域具备一定的技术先进性。

（4）便利性。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统在系统设计的时候充分考虑了作业人员使用的便利性。测量无需人工干预，自动执行，状态自动标注。在设计之初尽可能考虑软件的易用性，从设计上尽可能减轻作业人员的劳动强度，软件系统界面友好、使用简单、易于维护[8]，并且无论在硬件还是软件方面都大大降低了后期的维护成本。

2.4 应用效果

目前，北京铁路局已经对既有 20 台通用门式起重机的 20 英尺、40 英尺集装箱吊具进行改造。门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统的数据采集模块安装在门式起重机集装箱吊具上，将数据处理模块安装在起重机司机室中，二者之间通过Wi-Fi 方式进行数据通信，确保现场作业人员在吊运装卸集装箱的同时可以检测集装箱的偏载情况，从而实现在装车之前对偏载量超标的集装箱进行处理。数据采集模块在门式起重机吊架安装实物如图 4所示，数据处理模块在门式起重机司机室安装实物如图 5 所示。

图4 数据采集模块在门式起重机吊架安装实物图

图5 数据处理模块在门式起重机司机室安装实物图

3 结束语

门式起重机集装箱偏载监测及 F-TR 锁作业智能预警系统是一种新型监控集装箱偏载的方法。该系统是在原集装箱吊具的基础上，经过提升与发展，开发出来的一种创新型产品，可以提高装卸作业劳动生产率，减轻职工劳动强度，改善职工劳动条件，有效防止事故的发生，保证生产安全，促进集装化运输发展。该系统通过计算机设备解决依靠人力无法达到的效果，以专业化、自动化、智能化、信息化为方向，提升铁路运输装卸技术与装备水平，增强装卸技术持续创新能力，为确保铁路货物运输安全提供技术支撑与基础保障。

[1] 王德占.关于集装箱铁路国际联运发展策略的思考[J].铁道运输与经济，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] 杨 浩，何世伟.铁路运输组织学[M].2 版.北京：中国铁道出版社，2006.

[3] 梅丽凤，王艳秋，汪毓铎，等.单片机原理及接口技术[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 刘鼎铭.国际集装箱及其标准化[M].北京：人民交通出版社，1998.

[5] 蒋正雄，刘鼎铭.集装箱运输学[M].北京：人民交通出版社，1997.

[6] 王 冬，庄勇博.基于 RTK 的敞车装载集装箱中心定位方案[J].铁道货运，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] 李建华.JР-18 型集装箱偏载仪的设计[J].铁道技术监督，2012，40(5)：19-20，27.

[8] 陈士谦，冯其波.铁路列车超载偏载检测技术[J].北方交通大学学报，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.

（责任编辑 吴文娟）

中欧班列(乌兰察布—阿拉木图)首发

2016 年 11 月 20 日上午，中欧班列 (乌兰察布—阿拉木图) 稳稳驶出内蒙古自治区乌兰察布市七苏木站，之后将沿京包、包兰、临哈、兰新铁路，横贯我国华北、西北地区，经由阿拉山口出境，全程运行 4 532 km，最终抵达哈萨克斯坦阿拉木图。这是内蒙古境内除中蒙国际铁路通道外的又一条直通亚欧市场的铁路货运通道。

中欧班列 (乌兰察布—阿拉木图) 由乌兰察布市政府、呼和浩特铁路局和中铁集装箱运输有限责任公司联合打造，首趟班列货源主要是来自内蒙古当地企业及长三角地区、京津冀地区和山东等地的生产设备、建筑石材等数十种产品。

乌兰察布市政府相关人员介绍，在该中欧班列的带动下，当地的优质农畜产品及石墨烯等中高端工业产品可远销国际市场，为吸引以亚欧为核心市场的外向型产业向乌兰察布聚集创造了良好条件。不仅如此，中欧班列 (乌兰察布—阿拉木图) 的开行还将逐步催生一批大型综合物流企业和物流基地，形成公铁、海铁国际多式联运、无缝衔接的物流体系，为乌兰察布市融入国家“一带一路”战略发挥重要作用。

负责此次班列运营的呼和浩特铁路局对外经济技术集团公司相关负责人介绍，中欧班列 (乌兰察布—阿拉木图) 依托乌兰察布市在亚欧铁路通道的重要节点优势，构建起全新的国际物流大通道，有效促使京津冀、中原腹地和华中、华东等区域的商品在此集结分装转运，进而通过集二、京包、包兰等铁路运送至俄罗斯、哈萨克斯坦、德国等国家，为“中国制造”打开了一扇新的对外大门。

（摘自《人民铁道》报）

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

刘庆渔(1964—)，男，天津人，大学本科。

北京铁路局科技研究开发计划课题(2016AY06)