铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统设计研究

张彦庆

(中国铁路北京局集团有限公司 货运部，北京 100045)

随着国家“一带一路”倡议深入实施，中欧集装箱班列数量不断增加，国内集装箱吞吐量增幅持续增长，对铁路站场服务能力提出更高要求。目前我国铁路站场生产调度、装卸过程还是以人工操作模式为主，存在效率低、成本高、安全性不高的问题，为提升铁路集装箱站场装卸作业效率及管理水平，开展铁路集装箱站场装卸自动化的开发研究是铁路集装箱站场发展的必然趋势[1]。

1 铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统框架设计

铁路集装箱站场装卸自动化着眼于现代铁路集装箱站场装卸作业发展方向[2]，采用自动化堆场技术，对铁路集装箱站场装卸作业自动控制中的箱管系统、远程控制、精确定位、防摇减摆、网络通讯、视频传输、智能识别、安全系统等技术进行研究，将控制系统集成设计，构建一个完整有效的远程智能自动化控制系统，实现站场自动化远程智能控制，提升铁路集装箱站场装卸作业的技术和管理水平。

1.1 系统框架设计

铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统包括智能化装卸作业系统和自动化装卸控制系统2部分，采用先进的智能调度技术、数控技术、传感检测技术、精确定位技术、网络通信技术、智能识别技术，将两大系统深度融合，实现信息世界和物理世界的有机结合，达到对站场起重机安全、可靠、高效、实时、准确的感知和控制。通过网络实现室内操作台对本地或异地的集装箱装卸远程自动化控制，达到作业现场 “无人化”的目标。铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统框架设计如图1所示。

1.2 智能化装卸作业系统

智能化装卸作业系统通过读取铁路电商平台、铁路箱管系统、铁路运输系统等得到外部数据信息，并与铁路车厢位置检测系统、集装箱箱号识别系统、智能化装卸设备系统、集卡停靠位置检测系统、铁路车号识系统等检测识别系统及自动化装卸控制系统进行数据信息交互，针对具体作业任务类型，按照装卸作业原则自动生成作业计划，输出作业指令至自动化装卸控制系统，自动完成装卸作业任务[3]。装卸作业任务生成后，按装卸作业任务优先等级排队执行，任务等级相同时，自动化装卸设备准备就绪后申请装卸作业指令，装卸作业指令按堆码原则、路径优化和设备使用均衡原则生成。自动化装卸设备完成一次装卸作业指令后，向装卸作业系统反馈信息，系统将根据装卸作业原则刷新作业指令重新排队。装卸作业原则如下。

（1）作业排队原则。按装卸作业任务优先等级排队，系统根据装卸作业任务类型和等待时间长短，自动提升作业任务优先等级；考虑到特殊情况，设置紧急作业，其优先等级为最高级。

图1 铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统框架设计Fig.1 Framework of the automatic remote intelligent control system for loading and unloading operation at railway container stations and yards

（2）路径优化及设备使用均衡原则。在装卸作业优先等级相同情况下，按照自动化装卸设备当前位置到下一作业的起始位置最短距离进行排队，即前一作业的终点位置到后一作业的起始位置距离。若无前作业，则选择自动化装卸设备当前位置。当有多台起重机，则将作业区域均分，每台设备负责其作业区域内的装卸任务；或保持其各自相对位置不变，每台设备可处理其走行范围内的所有任务；或设备走行方向为单向(自左向右或者自右向左)，每台设备依次处理其走行路径上的作业任务。

（3）堆码原则。按先进先出、重箱不能压空箱、尽量单层堆垛、重箱堆放由中间向两侧扩展、空箱由两侧向中间扩展、取送箱就近选取的堆码原则进行作业，达到均衡集装箱利用率、确保安全、提高堆场利用率、缩短起重机走行时间的目标。

1.3 自动化装卸控制系统

远程自动化控制系统是实现RMG远程自动控制的大脑和核心，通过远控中心、地面系统、机上系统与集装箱站场管理系统(TOS)信息交互实现RMG远程智能控制，RMG按照指令自动完成集装箱的装卸作业，操作人员在中控室即可完成现场所有工作[4]。

（1）远控中心。远控中心，又称“远程操控中心”，是保证整个堆场高效作业的关键，主要由控制系统软件、通讯系统、操作台、语音视频后端等构成。①控制系统软件。利用远程控制软件与TOS系统的交互，从TOS服务器得到箱位及任务信息，再由软件服务器发出指令，实现设备自动化运行，同时远程控制系统软件对操作台、视频、语音等系统进行管理。②通讯系统。以核心交换机为中心，将中控室操作台PLC、语音系统、视频系统、各服务器等设备连接起来，并通过光缆及波导管与起重机通讯。③操作台。司机通过操作台对起重机进行操作，下达作业任务指令，起重机执行自动化作业或人工干预操作，每个操作台可以监控并控制多台远程RMG，但每一台远程RMG在同一时间内，只能被一台操作台操控。④语音视频后端。通过语音系统与现场集卡司机的语音通信，引导集卡准确到位，同时利用视频系统对现场作业情况进行实时监控。

（2）地面系统。地面系统是远控中心与堆场之间实现联系的中介部分，远控中心的指令信息和堆场的数据信号通过地面系统传输。主要由地面通讯、车辆识别装置、大车定位校验等构成。①地面通讯。通过地面波导管及地面基站AP实现与起重机的信息传递，最终通过地面光纤实现堆场所有数据信息和控制中心指令信息的可靠传递。②大车定位校验。通过安装在大车行驶轨道内侧沿轨道与每个20 ft集装箱箱位和40 ft集装箱箱位中心位置平齐处安装的磁钉，对大车定位准确性进行校验。③车辆识别装置。通过安装在堆场列车入口的列车车号识别装置，对进场的列车车号识别及车厢位置进行识别记录；通过安装在装车道入口的集卡RFID识别装置，对集卡车辆信息进行识别采集。

（3）机上系统。机上系统实时采集RMG数据信息，通过地面系统即时传输回远控中心，是实现集装箱装卸自动化和安全的关键部分。主要由远控PLC、机上通讯、机构定位、安全检测系统、语音视频前端等构成。①远控PLC。通过远控PLC及输入输出模块，实现远程控制，同时提供远控传感器和检测设备的接入点。②机上通讯。机上所有信息采用PROFIBUS通讯和以太网通讯方式通过交换机，经光纤、机载AP与波导管，传至地面系统，最终远控中心对信息进行处理后生成指令，通过机上远控PLC及输入输出模块，实现远程控制。③机构定位。通过定位装置采集起重机大、小车及起升机构的定位数据信息，是实现起重机自动化的关键之一。④语音视频前端。语音系统前端通过对讲终端、功放、拾音器和扬声器，实现集卡司机和远控中心操作员的语音通信；视频系统前端通过摄像装置采集各部位的视频信息。⑤安全检测系统。由大车防撞系统、车辆防吊起系统、防摇系统、防打保龄系统等组成，为自动化作业提供保障。大车防撞系统检测大车行走时前进方向上与其他相邻起重机的距离信息，防止大车间碰撞；车辆防吊起系统利用扫描等技术防止作业中车辆随集装箱一同吊起；防摇系统采用专门算法对小车变频参数进行预判调节，实现吊具防摇控制；防打保龄系统通过激光扫描仪和控制系统，与PLC、小车定位系统、起升定位系统和控制开关等设备共同实现防碰箱控制[5]。

2 铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统功能设计

2.1 智能化装卸作业系统功能

铁路集装箱站场智能化装卸作业系统功能主要包含集卡提箱作业、集卡送箱作业功能、场内移箱作业功能、装车作业功能、卸车作业功能。

（1）集卡提箱作业功能。该功能把集装箱从堆场吊运到集卡上(含重箱和空箱)。操作人员编辑集卡提箱作业任务，智能化装卸作业系统读取数据信息库目标箱的位置信息及集卡的位置信息，自动生成作业计划，发出作业指令，起重机通过自动化远程智能控制系统接收指令，根据作业指令自动寻找目标箱，并自动将目标箱吊运至集卡上，集卡按规定路线驶出堆场，完成本次集卡提箱作业任务，起重机执行下一作业指令。

（2）集卡送箱作业功能。该功能把集装箱从集卡卸到堆场(含重箱和空箱)。操作人员编辑集卡送箱作业任务，智能化装卸作业系统读取数据信息库集卡的位置信息及目标箱将要堆放的位置信息，自动生成作业计划，发出作业指令，起重机通过自动化远程智能控制系统接收指令，根据作业指令自动到达集卡位置，并进行扫描精确定位，自动将集装箱吊运至堆场目标箱位，集卡按规定路线驶出堆场，完成本次集卡送作业任务，起重机执行下一作业指令。

（3）场内移箱作业功能。该功能把集装箱从堆场中某一箱位吊运到另一箱位。根据堆场需要，对集装箱位置进行调整时，操作人员编辑移箱作业任务，智能化装卸作业系统读取数据信息库目标箱的位置信息及目标箱将要移放的位置信息，自动生成作业计划，发出作业指令，起重机通过自动化远程智能控制系统接收指令，根据作业指令自动到达目标箱位置，自动将集装箱吊运至堆场目标箱位，同时将集装箱的新位置数据传回智能化装卸作业系统数据信息库，完成本次移箱作业任务，起重机执行下一作业指令。

（4）装车作业功能。该功能把发送集装箱从堆场吊运到列车车辆上；列车车辆进入堆场时，铁路车厢位置检测系统采集每个车辆的定位信息传回智能化装卸作业系统在数据信息库。当装车作业时，操作人员编辑装车作业任务，智能化装卸作业系统读取数据信息库目标箱位置信息及将要装目标箱车辆的位置信息，自动生成作业计划，发出作业指令，起重机通过自动化远程智能控制系统接收指令，根据作业指令自动到达目标箱位置，自动将集装箱吊运至目标车辆上，完成本次装车作业任务，起重机执行下一作业指令。

（5）卸车作业功能。该功能把到达集装箱从列车车辆上卸到堆场或掏箱区。列车车辆进入堆场时，铁路车厢位置检测系统采集每个车辆的定位信息传回智能化装卸作业系统的数据信息库，当卸车作业时，操作人员编辑卸车作业任务，智能化装卸作业系统读取数据信息库目标车辆位置信息及将要堆放集装箱的位置信息，自动生成作业计划，发出作业指令，起重机通过自动化远程智能控制系统接收指令，根据作业指令自动到达目标车辆位置，并进行扫描对集装箱精确定位，自动将集装箱吊运至堆场或掏箱区目标箱位，完成本次卸车作业任务，起重机执行下一作业指令。

2.2 自动化装卸控制系统功能

自动化装卸控制系统功能包括集卡识别及引导、机构定位及校验、安全保障等功能，为实现装卸控制自动化提供信息支持，同时为自动化装卸控制提供安全保障。

（1）集卡识别及引导功能。集卡识别功能是当集卡通过入口时，检测装置识别其将进入的堆场及贝位信息，并将其反馈给远控系统，判断该集卡车辆已经进入相应的装车道，以便激活任务指令，自动运行大车和小车到目标箱位作业；集卡引导功能是集卡通过进闸口时，闸口明确告知其将进入的堆场及贝位信息，集卡到达指定箱贝位后，起重机激光扫描仪对准集装箱顶面进行扫描测距、计算和分析，判定集装箱的位置，并利用发光二极管显示屏，提醒司机调整到准确位置。

（2）机构定位及校验功能。定位及校验功能是通过准确而可靠的定位检测方案，对起重机的大、小车及起升机构位置准确定位，是整个远控系统成功的关键。大车定位利用安装在大车自由轮上的多圈绝对值编码器对大车位置进行定位，采用磁钉定位方案对大车位置进行校验；小车定位采用激光测距方式对小车进行定位，选用光电传感器作为校验检测方案；起升定位采用绝对值编码器进行定位，绝对值编码器安装在起升机构的凸轮限位处，通过计算转换为起升的高度值，利用激光扫描传感器测量吊具相对于小车平台的高度进行校验。

（3）安全保障功能。安全是自动化作业的前提和基础，自动化装卸控制系统具备的安全保障功能如下。①起重机防撞功能。一线有多台起重机时，采用激光测距方式防止相撞，激光信号接入起重机的PLC系统，当两机相距小于设定值时自动减速停车。②车辆防吊起功能。集卡防吊起采用激光扫描方式进行防吊起检测，当起升到500 mm时，起升机构自动停车，激光扫描传感器扫描集装箱下方的区间，检测是否完全分离；列车防挂锁功能采用图像扫描、视频监控、称重、自动旋转等多种方式，防止挂锁现象发生[5]。③防摇功能。采用电子防摇系统将集装箱最大摆动幅度控制在±100 mm以内，并趋于静止。④防打保龄功能。采用激光扫描技术，融合PLC控制信息，系统实时获取堆场集装箱堆码信息以及小车和吊具的位置与运动状态，避免吊具或者吊具下集装箱与场内码放的集装箱发生碰撞[6]。

2.3 关键技术

铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统的关键技术主要有智能调度、精确定位、电子防摇、智能识别、车辆防吊起等技术[7]。

（1）智能调度技术。采用多约束条件下起重机的任务分配与智能调度算法，优化翻箱作业顺序、堆场储存策略和起重机大、小车的移动路径以提高起重机作业效率，并生成最优装卸车作业计划；优化起重机、集卡和列车三者协同作业资源，按照堆码原则、路径优化原则、作业排队原则和设备使用均衡原则等，合理地调度集装箱起重机进行装卸作业，减少集卡和列车在站场中的等待时间、装卸车作业与集装箱卡车的提箱、落箱作业的重叠和不均衡作业、装卸设备空跑等现象，提高场内直装直卸、“门到门”重去重回的比例，以提高整个站场运营效率。

（2）智能防摇技术。采用电子防摇技术，通过自主控制方式模仿司机操作时的“跟钩”动作，通过采集吊重摆角、摆角角速度或角加速度以及小车和大车运动状态信息，反馈控制小车和大车的速度和加速度，主动防止吊重的摇摆并尽快衰减吊重的摆幅[8]。

（3）精确定位技术。铁路集装箱站场定位技术主要是指起重机位置信息的获取，即对起重机的起升、小车运行和大车运行机构绝对值位置信息的检测。起升机构采用编码器检测技术进行定位；小车运行机构采用激光测距技术进行定位，采用光电传感器检测作为定位校验；大车运行机构采用绝对值编码器进行定位检测，加装磁钉作为定位校验。

（4）智能识别技术。铁路集装箱站场识别技术主要是指堆场集装箱、集卡及其上集装箱、铁路车辆及其上集装箱的位置信息获取。堆场集装箱通过场地划区确定位置，每个集装箱的位置信息由远控系统实时反馈并更新，同时对箱号进行机器视觉智能识别；集卡通过激光扫描仪进行测距，并通过显示屏引导司机停位；列车车辆通过进站道口摄像机和地面识别设备进行车辆编组和编号识别，根据获得的车辆信息自动计算出整列列车车辆编组情况，然后通过激光扫描目标车辆，利用车辆换长数据进行计算确定车辆位置。

（5）车辆防吊起技术。一是采用基于机器双目视觉的集装箱吊具智能定位控制装置，用图像处理系统软件确保吊具中心与所要吊装的集装箱中心高度重合，起吊作业时先提升20～50 mm，然后逆时针旋转一定角度后提升100 mm，判断分离后再平稳起吊；二是通过不断地实验操作，模仿学习司机的操作经验，在控制软件中形成一套自动化装卸的标准化规范作业程序；三是利用重量传感器将箱货重量与系统录入值进行比对，智能判断车辆是否被吊起；四是在车辆高度水平方向(门吊支腿上或装卸线旁)安设激光或图像扫描装置，智能判断集装箱和车辆是否正常分离[9]。

（6）智能控制技术。铁路集装箱站场远程控制系统具有采集与处理、控制、监督及管理等功能，实现自动控制，远程控制系统采用多对多远程控制策略与控制权切换机制，远程操作台可以监控并控制任意一台起重机，实现多对多远程控制，同一时刻一个操作台只能控制一台起重机。

3 结束语

铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统的建设实施，能够实现门式起重机装卸作业的远程智能控制自动化，是智慧铁路站场发展的必要条件，承载着中国铁路集装箱站场向自动化站场演化的期望[10]。铁路集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统的应用，有助于提高铁路站场自动化、作业效率及安全管理水平，减轻作业人员劳动强度，缓解人力不足，降低作业成本，提升安全保障。随着科学技术高速发展，集装箱站场装卸自动化远程智能控制系统将结合实际需求，不断完善、成熟，推动装卸自动化作业方式发展成为铁路常态化装卸作业方式。