铁水联运车站集装箱货场自动化控制系统研究

张佳楠 方亚非 李 瑞

(中铁武汉勘察设计研究院有限公司，武汉 430074)

1 概述

集装箱多式联运具有产业链长、高效快捷、集约经济、安全可靠等优势，是货物运输发展的重要方向。集装箱联运是以集装箱为运输单元，将不同的运输方式有机组合在一起，成为连续的、综合性的一体化货物运输。它包括江海联运、水铁联运、公铁联运、海公联运等多种形式，而集装箱水路运输运量大，价格低廉，其经济效率远高于铁路运输和公路运输。因此，集装箱通过水路向内陆中转已成为运输的重要手段。随着铁路集装箱运输量的增长，铁路集装箱列车中转及编组工作量显著增加。特别是集装箱铁水联运项目，一个铁路港前车站（港湾站）对应多个港口码头铁路集装箱堆场（港区、货区）时，到达的集装箱列车车辆排列顺序杂乱，无法满足多处港口专用线（港区）分类依次快速送达的要求，需重新按港口专用线（港区、货区）线别要求进行重新解体编组后分送到不同的港口专用线（港区）卸车，解编工作量十分繁重。

集装箱动力平车中转倒装作业方式采用轨道动力平车进行装卸作业，实现动箱不动车、集装箱不落地中转编组方式，显著提高了作业效率。由于中转编组作业集装箱不落地堆码，不需要集装箱堆放场地，因此集装箱编组场占地面积小，节省用地，站场布置灵活。这种作业方式是集装箱作业的发展方向。

2 既有铁路控制系统现状

铁路控制系统主要分为控制站场道岔的车站联锁系统和区间闭塞控制列车的列车运行控制系统。它们针对的都是列车运行和车站调车作业的机车、车辆，没有针对集装箱的控制作业系统。

1） 车站联锁系统

铁路站场的车站联锁系统一般采用计算机及通信技术，负责处理站场进路内的道岔、信号机、轨道电路之间安全联锁关系，接受列车运行控制系统或者操作员的控制指令，向列车运行控制系统输出联锁信息。向调车作业下达进路作业命令。

2） 列车运行控制系统

列车运行控制系统根据列车在铁路线路上运行的客观条件和实际情况，对列车运行速度及制动方式等状态进行监督、控制和调整的技术装备。

3）铁路无线调车监控系统

铁路无线调车监控系统用于车站铁路调车机车调车作业监控和防护，是一个独立封闭系统，不具备自动化控制能力。

3 既有信息系统

铁路信息系统按照不同的作业流程设置有铁路货运站安全监控与管理系统、铁路集装箱货场管理系统。

1） 铁路货运安全监控与管理系统

铁路货运站安全监控与管理系统在车站层面应用功能包括受理审核、生产组织、安全监控、物流服务、基础管理、经营管理6 个功能模块。为实现信息充分共享，尽量避免资源重复浪费，对铁路货车篷布管理等系统进行整合；对危险货物运输安全监控系统（车站级）进行部分功能整合；对确报、现车、货票等系统进行功能对接。

2） 铁路集装箱货场管理系统

铁路集装箱货场管理系统是一个集生产管理、财务管理、经营分析等功能为一体的实时系统，由计算机管理系统（包括商务、堆场、门检、装卸、计费、统计、无线通信、维护、触摸屏等子系统）、无线数据通讯系统、视频监控系统等组成。各子系统和作业点通过站内局域网（有线网络和无线网络）相连接，以车站作业流程为基础、覆盖站内集装箱作业处理和运输组织所有业务，形成完整的能够独立作业的站内管理系统，又具备与海关、国检、银行等信息交换和物流业务需要的功能。

4 研究内容

4.1 现有技术存在的问题

1）虽然铁路运输具有信息化和自动化控制系统，但集装箱装卸、中转作业本身仍然采用人工方式。人工体力劳动强度大，自动化、信息化水平较低，基本处于现场手工作业阶段。

2）铁路货运信息系统与港区（货区）信息系统之间没有数据交换，所有数据仍采用现场采集，人工确认。缺乏集装箱自动化作业所需的数据。

集装箱货场管理系统是一个车站货场封闭区域的局域网作业系统，不具备自动化控制能力。

3）既有铁路控制系统列车和集装箱车辆定位主要采用轨道区段占用的方式，精度很低，达不到自动控制的要求。

4）现有铁路控制系统自动化程度较高，已经可以实现对列车自动控制。但其控制的主体是有动力的列车车头，车头之后无动力车辆则采用固定连接的方式，与车头组成列车，一同运行。这种方式在旅客列车或者长距离货车运行上，具有一定的优势。但作为作业模式较为复杂的集装箱装卸站，因为无动力车辆装载的集装箱目的地信息各不相同，所以需要大量的解编和编组作业。这些作业都需要通过驼峰溜放和调车作业进行完成。不但需要大面积的场地，作业效率提升也有限。

4.2 系统方案

为了解决传统的铁路集装箱列车中转、装卸货物编解列车工作量大，信息化、自动化程度较低，效率不高的问题，本方案在基于集装箱动力平车中转倒装作业方式下提出了一种新型的铁路集装箱货场控制系统，该系统适合一个铁路港湾站对应多个集装箱货区（港区）情况下的集装箱装卸中转作业。

4.2.1 系统结构

铁路港湾站集装箱货场自动化控制系统是铁路集装箱货场管理系统的控制执行系统，由进路控制系统、集装箱轨道动力平车车载控制系统、港湾站自动化装卸倒装作业系统，货区（港区）集装箱堆场自动化装卸系统。如图1 所示。

图1 集装箱货场自动化控制系统结构图Fig.1 Structure of automatic control system for container yard

铁路集装箱货场自动化控制系统方案利用信息化技术，采用先进的车号（箱号）识别、车辆定位、集装箱管理、龙门吊自动控制、轨道动力平车自动控制、轨道联锁控制、无线通信技术来实现集装箱列车自动装卸作业。

集装箱货场自动化控制系统与集装箱货场管理系统、进路自动化控制系统、编组场（倒装场）自动化集装箱倒装机具（自动化轨道龙门吊）、货区（港区）堆场自动化装卸机具（自动化轨道龙门吊）之间基于集装箱轨道动力平车中转作业的系统流程如下。

1) 港湾站至货区（港区）集装箱堆场卸车作业

铁路集装箱货场自动化控制系统根据信息集装箱中转作业计划信息、集装箱信息，收取列车重车车车厢位置、轨道龙门吊位置、集装箱轨道动力平车位置信息，下达集装箱倒装作业指令。

多台集装箱装卸机具（轨道龙门吊）根据铁路集装箱货场自动化控制系统指令，自动抓取待卸车辆上的集装箱，读取箱号，倒装到相邻的空轨道动力平车上。

轨道动力平车从系统获得集装箱箱号，实施轨道集卡车号ID 与集装箱箱号的数据关联绑定，确定其位置坐标上传至铁路集装箱货场自动化控制系统。

铁路集装箱货场自动化控制系统通过无线数据通信终端向轨道动力平车下达本轨道动力平车在同一股道中的排列顺序位置、运行目的地、运行许可指令。

持续自动卸车作业，直至全部到达的集装箱列车全部倒装完毕。

2） 轨道动力平车运行至堆场

轨道动力平车运载集装箱按照铁路集装箱货场自动化控制系统提供的指令，轨道动力平车按排列顺序逐车（同一货区车组）上传轨道动力平车位置及车号（ID），向铁路进路控制（信号）系统申请集装箱堆场位置进路的开通指令。

自动化控制系统开通进路，按顺序向轨道动力平车（车组）下发运行许可指令（TA）。轨道动力平车按开通进路运行至货区（港区）重车线确定的堆场货位指定的位置。运行过程中不间断的向铁路集装箱货场自动化控制系统上报轨道动力平车位置、运行状态、运行方向、车辆状态（设备监控数据）等数据。

3） 各堆场卸车作业

各堆场集装箱装卸机具（龙门吊）根据铁路集装箱货场自动化控制系统指令，自动运行至卸车货位抓取轨道动力平车上的集装箱，读取集装箱箱号，按照指令放置在指定堆场货位，并上传作业进度和最终位置。同时轨道动力平车车号与集装箱箱号解除关联绑定。

4） 轨道动力平车返回

轨道动力平车卸车完毕，向铁路集装箱货场自动化控制系统报告空车状态和位置。按照系统运算策略和运行线路空闲情况，单车或集结成组向倒装场回送。作业完成后，轨道动力平车将更新后的装载状态、编组状态、运行模式状态传送给集装箱货场自动化系统，然后进入休眠模式，等待下次作业指令。

5） 龙门吊控制系统

龙门吊控制系统可以实现自身定位及车号、箱号识别，并将位置及车号、箱号信息传送给货场自动化控制系统；同时接收系统命令进行装卸作业。

4.3 轨道动力平车运行模式

轨道平车车载自动控制系统按照3 种运行模式控制轨道动力平车运行。

1）单车运行模式

单车运行模式时，轨道动力平车作为一个独立运输单元运行，采用自有的动力系统，控制系统、定位系统和通信系统运行；铁路集装箱管理系统的自动化控制系统把轨道动力平车单车作为一个独立单元控制运行。首车车号和尾车车号相同时作为控制系统单车运行标志。

2）重联运行模式

重联运行模式时，若干轨道动力平车相互连接组成车组，各车的车体通过自动车钩连接，同时各车的车载网络和电气通道同时自动连接，各车的控制系统通过车载网络连接。

重联车组运行方向第一台车（首车）自动设定为主控车；其他车自动定义为从控车，运行受主控车控制；车组换向运行时，尾车由变从控车自动变为主控车，原首车自动改为从控车；铁路集装箱管理系统的自动化控制系统把重联车组作为一个整体单元控制运行。车组首车车号和尾车车号不同作为控制系统重联运行标志。

重联车组各车的动力系统和制动系统受主控车控制；运行动力和制动动力由各车动力系统承担。

3）列车运行模式

列车运行模式时，轨道动力平车首车与若干轨道动力平车相互连接组成列车，各车的车体通过自动车钩连接，同时各车的车载网络和电气通道同时自动连接，各车的控制系统通过车载网络连接。

列车运行方向轨道动力平车首车，连接后自动设定为主控车；其他轨道动力平车自动定义为从控车，运行受主控车牵引机车控制；列车换向运行时，改尾车为主控车；铁路集装箱管理系统的自动化控制系统把列车作为一个整体单元控制运行。

列车各车的运行系统和制动系统受主控车控制。

4）自动力模式和列车牵引模式切换

轨道动力平车控制系统根据运输指令和工作状态，3 种运行模式和2 种动力模式（自动力模式和列车牵引模式）自动转换。相关的运行系统、防护系统、定位系统、通信系统自动转换工作状态。

5 技术效果

铁水联运车站集装箱货场自动化控制系统涵盖了车辆定位、车号（箱号）识别、车辆自动控制、道岔联锁系统等多项智能集控功能，并通过与铁路货运管理系统、港区集装箱货场管理系统进行数据交换，实现了集装箱的从到站、识别、装卸、交付等过程的全自动化管理，大大提高了生产效率。