铁路集装箱吊装设备安全防护装置的设计与实现

唐 昕

(中国铁路哈尔滨局集团有限公司 绥化车务段，黑龙江 绥化 152001)

我国铁路集装箱运量逐年递增，近3年集装箱发送量年均增长超过30%，2020全年集装箱日均装车突破了3万车，2021年集装箱发送量同比增加了23.5%。随着运量的激增，铁路集装箱装卸作业量大幅上升。铁路集装箱装卸作业，多使用集装箱正面起重机(以下简称“正面吊”)和门式起重机(以下简称“龙门吊”)。铁路集装箱运输车辆，则多使用带有新型集装箱鹰头锁(F-TR锁)的集装箱专用平车或敞车。在实际装卸作业过程中，带有F-TR锁的集装箱专用平车，会出现起吊过程中F-TR锁未脱钩[1]问题；同时，由于集装箱内货物的偏载、偏重情况未被及时发现，装车后易引起整列运输车的偏载、偏重问题；20 ft集装箱装车空重错装时，一辆货车有2个转向架，一个转向架承载重箱，另一个转向架承载空箱，导致车辆严重偏重。上述情况给行车安全带来极大威胁，有的会造成车辆损坏或脱轨，严重的甚至会造成列车的脱线、颠覆等事故。铁路集装箱装卸作业存在较大安全风险，目前管控手段多为人防，即吊车司机和辅助作业人员自控互控[2]。近年来，中国国家铁路集团有限公司货运系统不断强化安全综合防控手段，“人防、物防、技防”三位一体安全保障体系全面完善，本着问题导向和源头从严的原则，结合作业流程优化再造，完善货运安全设备布局，织密货运安全网络，充分发挥设备物防、技防的安全保障作用，研发铁路集装箱吊装设备安全防护装置势在必行。

1 集装箱吊装设备安全防护装置现状及主要问题

目前，很多铁路局集团公司和货运站段，对吊装设备安全装置进行研发和现场应用实践，这些安全装置技术路线不尽相同，设备成本投入差异较大，安全防护效果也参差不齐。通过对既往文献及现场实际应用的装置的研究，发现集装箱吊装设备安全防护装置主要存在以下问题。

（1）无法同时适用于龙门吊和正面吊。现有装置大多在设计环节仅针对某一种车型考虑，并且大多是针对龙门吊设计，不能同时适用于龙门吊和正面吊。例如，邵玉华等[3]研究的系统，其在龙门吊大梁和门腿处设置激光测距仪来检测F-TR锁未脱钩问题，并不适用于正面吊设备。

（2）不能同时实现主要的安全防护功能。如果要同时满足F-TR锁未脱锁检测控制、空重箱识别、超载、偏载、偏重检测等功能，需要同时安装多款装置。例如，铁路集装箱F-TR锁脱钩安全监控系统[3]仅针对龙门吊实现了F-TR锁脱钩检测；如刘庆渔[4]所研究的装置，并不具有空重箱识别功能，同时使用角度传感器的方式与减摇门吊的设计逻辑相冲突[5]。

（3）实现方式并不适合作业现场环境。作业现场环境往往并不理想，有些集装箱装卸场所扬尘情况比较严重，仅仅依靠激光测距仪或摄像头等对光线和传感器清洁度要求较高的方式，无法在作业现场达到理想效果，且由于需要经常清洁测距仪和摄像头的镜头部分，实际维护成本较高。

（4）有线数据传输方式存在一定弊端。部分装置将重量传感器采集到的数据通过有线方式传输，存在鲁棒性问题。龙门吊若使用有线方式传输往往与动力电缆同时使用电缆筐走线[6]，不仅存在电磁干扰问题，同时线缆容易磨损，导致故障。正面吊在坦克链中走线也存在同样的问题。

（5）自动化程度不足。由于现行没有对吊装设备的自动化等级分类，参照汽车自动驾驶的分级标准，在安全功能的实现上，现有的各类吊装设备安全装置仅能达到L0级别的自动化，只是提供监测、警告提示以及瞬时辅助功能(F-TR锁未脱钩控制)[7]，不具备过程控制功能。

由上述问题可知，引入技术手段提升铁路集装箱吊装设备自动化等级，使吊装设备可以智能识别空重箱、判断F-TR锁是否脱钩、超载、偏载、偏重，用以实现全面的安全防护，减少作业人员工作量，降低人员作业风险，提高工作效率，显得尤为必要。

2 集装箱吊装设备安全防护装置系统架构

2.1 需求分析

通过长时间对吊装作业的现场调研，充分与一线作业人员沟通交流，结合上述现状及主要问题原因，分析需要做以下改进。①空重箱智能识别，防止因司机误操作而引发严重铁路货车偏重安全问题。②F-TR锁脱钩判断，防止因司机违章作业引发铁路平车脱轨事故。③集装箱超载控制，防止因重载集装箱(35 t箱)超载造成铁路货车超载。④偏载预警提示，防止因集装箱偏载造成铁路货车偏载。⑤视频辅助驾驶，减少司机俯身观察次数，提高作业效率，降低腰颈椎疾病发病率；减少辅助作业人员，提高劳动生产率。⑥数据的无线传输，重量传感器得到的数据通过加密的无线传输方式传递给主机，以避免数据线缆与动力线缆在走线时容易出现的干扰问题，由于数据量小，无线传输完全能够满足。视频传输方面，采用无线网桥将距离相对较远的几处摄像头数据传输到同一交换机上并与硬盘录像机( NVR)相连接，可有效解决信号干扰和维护便捷性问题。

2.2 系统架构

通过对上述功能需求分析得出以下系统硬件架构设计要求。①该系统须通过传感器采集到的集装箱重量、重心等数据与设定数据对比判断后，实现空重箱识别、F-TR锁是否与集装箱脱开判断、超载控制、偏载预警等功能。②系统需要能够对起升和下降动作做出控制，以便实现限制危险操作的功能。③系统日志及集装箱信息需要存储到系统配备的存储装置中，如安全数码卡(SD卡)或其他存储介质。④系统需具备显示器，用来显示作业信息，同时可在屏幕上对传感器参数做标定操作，针对不同设备对各功能所需要的参数阈值做设定。司机需使用屏幕完成集装箱信息的打印操作。⑤系统具有与打印机等外部设备通信的接口，以便实现集装箱信息打印功能。⑥系统能够适应宽电压，且能保证稳定性。

因此，铁路集装箱吊装设备安全防护装置由多功能显示单元、中央处理器单元、信号采集单元、存储单元、外围接口单元、输出控制单元组成[8]。系统架构如图1所示。

图1 系统架构图Fig.1 System architecture

（1）中央处理器单元。中央处理器单元应采用工业级主频较高的微处理器芯片，以保证作业过程中不会因为等待系统计算、判定等过程影响作业效率，芯片抗干扰能力强，以适应吊车动作过程中突发大电流引起的电磁场影响。

（2）信号采集单元。信号采集单元用于准确快速地采集集装箱的重量和重心信息，其应位于吊具上，若使用通信线缆与主机连接，则通信线缆需要与吊具动力电缆一同布置在吊具电缆筐之中，存在电磁干扰、施工难度大、施工周期长等问题。鉴于无线通信技术已较为成熟，可以使用2.4 GHz无线信道与位于驾驶室内的主机通信。使用无线通信对设备线缆改动较少，费用低，工期短，对原设备影响较小。无线通信部分结构如图2所示。

图2 无线通信部分结构图Fig.2 Structure of wireless communication

（3）输出控制单元。输出控制单元用以将主机的控制信号输出至操控单元，应保证不改变原设备可编程逻辑控制器(PLC)或电子控制单元(ECU)程序，不改变原车动作逻辑。最大程度保证设备运行的稳定性，同时实现对危险作业的限制。

（4）存储单元。存储单元应使用带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)存储设置数据，以保证掉电后数据不丢失。应使用SD卡对历史工作信息进行存储记录。

（5）多功能显示单元。多功能显示单元采用高分辨率彩色触摸屏，便于司机在作业过程中操作。人机界面的设计应考虑司机操作的便捷性，尽量减少界面切换，尽可能使司机在主界面完成数据的观察和基本的操作，以保证司机的注意力主要用在操作装卸设备上，而不会被复杂的操作所干扰。

（6）外围接口单元。打印集装箱信息可选用热敏打印机来实现，集成在主机内的热敏打印机多采用串行通信，因而设计外围接口单元也实现RS-232技术标准串行通信，以便主机芯片与位于主机内的热敏打印机进行串行通信。

（7）供电单元。供电单元需要采用宽电压开关电源，以适应不同电压等级的设备，必须具有良好的输出波形，必须具有过载和过流保护功能，可选用带有自恢复保险的电源。

2.3 系统主要功能

通过对上述需求分析后，得出以下系统功能如图3所示。

图3 系统功能图Fig.3 System functions

（1）参数设置。设备需要具有参数设置功能，设置界面中可对各功能的安全参数、阈值进行设置，同时还应具有传感器标定和信号检查的功能，该功能仅允许管理员使用，司机等其他人员禁止使用，可选用密码或指纹的方式进行鉴权。

（2）安全防护。空重箱智能识别、F-TR锁脱钩判断、集装箱超载控制、偏载预警提示功能均需要以集装箱重量和重心信息的采集为基础建立力学计算模型。

经过对现场设备的调研分析，设计将高精度测力传感器置于吊具锁头受力处，并尽量保持测力传感器的应变金属受力方向与集装箱吊装时锁具受力方向一致，以减少误差，传感器实时获取4个锁头的受力大小，通过分析这4点受力大小与集装箱的重量和重心横向纵向偏移量之间的关系便可满足上述需求，由此建立数学计算模型，集装箱测力传感器力学计算模型如图4所示。

图4 集装箱测力传感器力学计算模型Fig.4 Mechanical calculation model of container load cells

集装箱重量可通过求合力得出，即

式中：G为集装箱的实际重量，N；F1，F2，F3，F4为集装箱分别作用于吊具4个锁头上的力，N。

据力矩平衡定理求出力矩和[9]，可得

式中：ΔL为重心纵向偏移量，m；H为集装箱宽，m。

式中：ΔH为重心横向偏移量，m；L为集装箱长，m。

系统的重量信号来自集装箱4个转角处的4个电阻应变式称重传感器，当集装箱被垂直吊起脱离地面稳定停止在空中时，4个称重传感器精确地将集装箱四角的受力情况转化为模拟量电信号，信号为电压信号，其电压信号极小，只有几毫伏，经过信号放大后，将电压信号的值放大到大于参考电压的3/4但不超过参考电压，放大器输出端连接到AD数模转换器，经数模转换后转换成数字信号，数字信号经处理后，通过2.4 GHz无线信道传输到位于司机室的系统主机之中。

信号采集单元获取到的集装箱锁头四角受力值经由上述数学模型的计算后可得到集装箱的重量G、重心纵向偏移量ΔH和重心横向偏移量ΔL。将G，ΔH和ΔL作为基础数据，与设定的各安全防护功能参数进行比较计算后，便可实现上述各安全防护功能，具体实现方式如下。

①空重箱的智能识别。在安全参数设定中分别对标准箱、海运箱、重载箱和特种箱的空箱重量参数进行设定。作业前，主机可根据吊具状态判断即将吊装的箱型并默认将判断出来的箱型作为基础数据，同时司机可在触控屏中修改即将作业的集装箱的箱型和空重箱类型，随后，司机起吊此集装箱。此时装置获取到所吊集装箱重量值G，装置将G与对应箱型的重量参数比较；当G小于等于所设定参数值时，装置判断所吊集装箱为空箱；当G大于所设限定参数值时，则装置判断所吊集装箱为重箱。判断所得空重箱类型与司机所选类型对比，若不相同，则输出控制、禁止起升，并报警提醒司机空重错装。

②F-TR锁脱钩的判断。在安全参数设定中，对脱箱阈值进行设定。司机在进行带有F-TR锁的平车卸车作业前，打开F-TR锁脱钩判断功能，起升过程中若所吊集装箱重量值G大于等于脱箱阈值，则输出控制、禁止起升，并报警提醒司机F-TR锁未脱钩。

③集装箱超载的控制。在安全参数设定中分别对标准箱、海运箱、重载箱和特种箱的超载阈值进行设定。作业前，主机可根据吊具状态判断即将吊装的箱型并默认将判断出来的箱型作为基础数据，同时，司机可在触控屏中修改即将装车的集装箱的箱型和空重箱类型。随后，司机起吊此集装箱，此时装置获取到所吊集装箱重量值G，装置将G与对应箱型的超载阈值进行比较，当G大于等于阈值时，输出控制、禁止起升，并报警提醒司机此集装箱超载。

④偏载偏重预警的提示。在安全参数设定中分别设定横向预警值和纵向预警值。司机在吊箱过程中，装置获得所吊集装箱的重心纵向偏移量ΔH和重心横向偏移量ΔL，ΔH和ΔL分别与纵向和横向预警值比较，若大于等于该值，则报警提醒司机偏载偏重，按规章规定办理。

在现场实际应用过程中发现，吊装作业过程中往往需要对超载等系统设计中禁止起升的集装箱进行起升、搬运等处理，针对这种情况，考虑在上述功能的设计过程中均增加了身份鉴权后的强制起升功能，司机可通过点击强制解锁(LIM)按钮并经过身份鉴权后操作强制起升。

安全参数应结合铁路系统相关规定进行调校，以确保系统的显示结果与输出控制符合《铁路货物装载加固规则》等铁路系统相关规定对铁路货运装卸环节的要求。

装置应使用全触摸高分辨率彩色显示器作为多功能显示单元的输出设备，用户可使用触摸屏幕对系统进行箱型选择、参数调整等操作。显示器上应实时显示集装箱重量以及超载偏载等信息，方便用户查阅参考。铁路集装箱吊装设备安全防护装置主界面如图5所示。

图5 铁路集装箱吊装设备安全防护装置主界面Fig.5 Main interface of the safety protection device for hoisting equipment of railway containers

（3）视频辅助驾驶。根据不同设备特点，应该在司机盲区处安装摄像头并提供视频监控界面，以便司机通过视频监控界面看到原本盲区看不到的位置，保证作业安全。

（4）集装箱信息打印并存储。设备可以在司机需要打印箱号等信息时，点击打印按钮即可打印信息，同时，主机应将信息存储至SD卡中，方便以后备查。

3 结束语

铁路集装箱吊装设备安全防护装置在多台龙门吊设备上的实际应用情况表明，其可以有效提高装卸作业效率，杜绝集装箱空重错装、F-TR锁未脱钩导致车辆脱轨、超载等安全问题发生，有效预警防范货车偏载、偏重情况。该系统不改变原有吊装设备PLC或ECU内程序，仅通过控制操作手柄的输出信号的方式，安全有效地实现了对设备的控制，提高了吊装设备的自动化水平。该系统的应用，进一步提升了铁路货运系统装卸作业的安全水平，同时可以精简辅助作业人员，提高了集装箱装卸作业的劳动生产率，并极大地改善了作业人员的生产条件，有效地降低了司机腰颈椎等疾病的发病率。