移动式集装箱装卸机械智能管理关键技术研究

徐 峰

(中国铁路上海局集团有限公司 金华货运中心，浙江 金华 321000)

0 引言

移动式集装箱装卸机械(正面吊、堆高机)具有机动灵活、投资费用少的优势[1]，在铁路集装箱货场装卸作业中的投入使用率逐年增加。目前，中国铁路上海局集团有限公司(以下简称“上海局集团公司”)金华货运中心下属各货运站总计拥有8台正面吊、2台堆高机。目前货场外勤货运员只能通过手工抄录、对讲机呼叫、定期清场核箱等原始落后的手段采集集装箱信息，再将收集的集装箱堆场数据手工录入至EXCEL表等存档，存在效率低下、工作量大，工作繁忙时容易抄错、录错，及时性不高等问题。集装箱作业信息的有效采集及管理，成为影响货场集装箱作业效率的主要问题。为此研究尝试利用物联网技术，实现对货场集装箱堆场信息化、智能化管理。其中，装卸器械定位、集装箱定位、作业集卡定位成为智能管理系统中需要解决的关键技术。

铁路大型集装箱货场，以义乌西为例，其堆场面积较大，集装箱堆叠层数较高(3层)，集装箱保有量较大，货场内空重集装箱总计大约3 000只；流转量较大，每日运输中欧(中亚)班列、海铁联运班列5～6列。由于集装箱分属不同的物流企业，致使无法采用在集装箱上安装传感器进行定位的方法。此外，集装箱作为全封闭的铁箱，在堆叠层数较高之后，会极大地衰减电磁波信号，采用类似Wi-Fi、UWB等无线定位技术将受到极大的干扰。堆场面积大的特征，则要求定位技术需要达到大范围的定位精度，可以选择的方案较少。

移动式集装箱装卸机械具有轨迹不确定、供电不连续等特征。轨迹不确定的特征使得采用激光测距的定位方式失效，供电不连续的特征使得定位技术必须具有低功耗或者恢复快的特征。

研究提出的解决方案是：采用北斗载波相位差分技术(Real-Time Kinematic，RTK)结合惯性定位，实现移动式装卸机械的高精度定位[2-4]；基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)倾角传感器[5]、调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)毫米波雷达测距[6]、自动控制技术、图像处理技术，实现集装箱的定位和识别；基于多级定位结果，结合无源射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术[7-9]，实现集卡车的定位和识别；基于太阳能供电、控制系统低功耗设计，实现间歇性供电的低功耗无障碍运行。研究结果表明，此方案不仅造价低、定位精度高，而且箱号识别精准，对实现移动式集装箱装卸机械的信息自动采集、智能化管理具有实际应用价值。

1 移动机械系统模型

1.1 移动式集装箱装卸机械定位模型

移动式集装箱装卸机械的定位不单是定位1个坐标点，还需要定位方向，移动式装卸机械示意图如图1所示，定位系统需要获得向量在整个系统中的坐标。系统需要同时获取装卸机械上A点、B点相对整个集装箱堆场的坐标，从而计算出装卸机械在堆场中的方向和位置，计为

图1 移动式装卸机械示意图Fig.1 Mobile handling machinery

1.2 集装箱定位和识别模型

由于集装箱的流转特性，使得集装箱的定位和识别成为难题，研究通过结合移动式装卸机械的坐标和作业行为，反向推断集装箱在堆场中的移动轨迹。通过装卸机械在作业时，集装箱相对装卸机械的位置相对固定，此时可以通过固定位置识别集装箱的箱号。但是，又由于移动式装卸机械的吊臂会伸缩，吊具位置会相对发生变化，使得移动式装卸机械在装卸集装箱时的坐标不能直接计算出集装箱的坐标。此时需要对吊臂的抬升和伸缩进行测量，测量出此时集装箱相对装卸机械的坐标，同时调整识别装载的参数、自动跟踪集装箱箱号的位置。集装箱定位和识别示意图如图2所示，集装箱的定位以装卸机械的定位作为参考，获得吊具在装卸机械上的坐标H(xh，yh)。

图2 集装箱定位和识别示意图Fig.2 Container positioning and identification

通过测量吊臂长L和测量吊臂的倾角θ，可以计算出H在垂直平面相对于A点的坐标H(Lcos(θ)，Lsin(θ))。在计算出H坐标后，进一步计算出识别相机的跟踪参数δ，用来调整相机的识别角度和焦距。

识别出集装箱箱号后，通过相对坐标H(Lcos(θ)，Lsin(θ))，结合装卸机械的坐标，可以获得集装箱在整个堆场中的坐标固定向量为

式中：M为参数，

1.3 集卡汽车定位和识别模型

集卡汽车的定位和识别主要是解决集装箱是否装错、是否是装到指定的集卡汽车上的问题。研究通过在集卡汽车车板上贴装无源的RFID标签，通过将标签的ID同集卡车号绑定，在装卸机械靠近该集卡汽车时，即可读取出当前集卡的车牌号是否为指令所指定的集卡车号。集卡汽车定位和识别示意图如图3所示，通过读取集卡上的无源标签，结合当前装卸机械的定位坐标向量可以获得集卡的当前坐标向量

图3 集卡汽车定位和识别示意图Fig.3 Positioning and identification of container truck

1.4 低功耗模型

由于移动装卸机械启动的不确定性，需要对模块采用低功耗设计。研究采取在不同的工作状态时，采用不同的工作模式。用电功耗分析如表1所示。通过不同的策略，控制系统的功耗，使得系统不会因为装卸机械的间歇性工作导致定位中断。

表1 用电功耗分析Tab.1 Power consumption analysis

2 移动机械系统设计

系统的关键设计共4项，主要包括移动式装卸机械的定位模块设计、集装箱的定位模块识别设计、集卡汽车车板的识别模块设计和供电管理模块设计。

移动式装卸机械移动范围广，参考基站作用范围有限，定位模块需要动态切换参考站点，实现装卸机械的跨区域定位；实时计算装卸机械全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)坐标、吊具定位坐标；实时监测参考点的信号强度，优先选取信号良好的参考点。设计采用“一级拓扑定位+惯性定位”+“二级定位”的方式。多级定位示意图如图4所示。

图4 多级定位示意图Fig.4 Multi-stage positioning

系统同步计算多个参考点的输出结果及惯性定位的输出结果，合并为一级定位结果系统同步测量装卸机械吊臂的伸缩长度L和抬升倾角θ，计算出二级定位结果。通过一级定位和二级定位，合并计算出装卸机械吊具的最终坐标通过各个独立模块处理之后，系统中的所有集装箱存量坐标集合S为

系统定位采用GNSS-RTK定位技术，覆盖范围2 km。当覆盖范围超过2 km时采用组网的形式，自动切换定位参考基站的方式。RTK定位基站自动切换示意图如图5所示。考虑到北斗信号丢失、失锁等异常情况的发生，采用与惯性定位技术相结合的方式，保证定位的完整性。

图5 RTK定位基站自动切换示意图Fig.5 Automatic handover of RTK positioning base station

2.1 移动式装卸机械定位模块

由于移动式装卸机械体积大，不能单纯地作为一个点进行处理，需要进行方向判别。由于作业轨迹是随机的，导致方向的随机性。系统采用双RTK定位，联合电子罗盘及地磁传感器，综合判定装卸机械的精确方向，解决装卸机械在作业过程中的方向判别问题。移动式装卸机械定位模块主要包含2个部分，一部分是RTK参考基站，另一部分是RTK移动基站。RTK参考基站一般作用范围有限，在2 km左右，对于大型堆场则需要采用多个参考基站的覆盖才能满足作业要求。

参考基站设计核心包含北斗GNSS模块、无线数传模块和RTK解算模块。参考基站中解算模块采集北斗GNSS模块数据，将计算结果通过数传模块广播至附近的移动基站。定位参考基站设计如图6所示

图6 定位参考基站设计Fig.6 Design of reference positioning base station

移动基站核心包含二路北斗模块，一路数传、一路惯性传感器和RTK解算模块。移动基站中解算模块采集二路北斗信号，通过无线数传接收RTK参考基站信号，并在本地进行解算，最后通过网络输出最终的定位结果。其中，惯性传感器在卫星信号丢失严重的情况下，采用惯性导航弥补间歇性的卫星中断情况。定位移动基站设计如图7所示。

图7 定位移动基站设计Fig.7 Design of mobile positioning station

2.2 集装箱定位和识别模块

通过毫米波雷达传感器测量吊臂长L，通过倾角传感器测量吊臂倾角θ，将数据传输至定位处理器进行计算，可以得到H的坐标(Lcos(θ)，Lsin(θ))。通过状态采集器，采集装卸机械的装卸状态，触发箱顶相机和箱侧面相机抓拍照片，将结果推送至图像处理进行识别，完成集装箱箱号的识别。集装箱定位和识别模块设计如图8所示。

图8 集装箱定位和识别模块设计Fig.8 Design of container positioning and identification modules

实际中由于通信带宽的限制，设计采用本地集装箱箱号识别的方式。在装卸机械吊具上采用箱侧识别、箱顶识别来进行双重识别纠错，提高箱号识别的正确率。此外，由于移动式装卸机械的电子信息系统匮乏，主要采用机械控制，需要对每一种情况进行电子信息采集。例如，采集开锁、闭锁、20 ft集装箱、40 ft集装箱等状态信息，设计采用超声波测距采集开锁、闭锁信号。

2.3 集卡汽车定位模块

设计采用无源射频RFID标签，将标签贴至集卡车板的侧面，在装卸机械的前侧安装RFID标签读卡设备，读取标签中的信息，同系统中的集卡车牌相关联。设计核心包含RFID模块、数据处理模块和网络通信模块。集卡汽车定位设计如图9所示。

图9 集卡汽车定位设计Fig.9 Design of container truck positioning

2.4 供电管理模块

由于移动式装卸机械是间歇性工作的，无法长期供电，但指令的下发是随时的，因而需要对系统进行低功耗处理[10-11]。系统通过采集装卸机械的工作状态、太阳能供电状态、电池电量剩余容量，动态控制相关模块的电源，降低功耗，以保障在装卸机械长期没有启动的情况下，系统仍然能正常地传输指令。电源设计采用统一管理、智能分配的形式，分别给各个模块供电，控制各个模块的电源和功耗，及时采集各个模块电源的供电情况，动态供给各个模块的电源。电源设计如图10所示。

图10 电源设计Fig.10 Power supply design

3 业务流程

通过对装卸机械的定位、集装箱的定位和识别，管理系统可以有效地对相关作业指令进行下发和指挥。

（1）装集卡车作业。装卸机械收到管理系统下发的装集卡车吊单后，自动查找集装箱所在位置，并通过终端显示屏指引司机开往指定的地方提箱，在装集卡车过程中，由集卡车定位识别模块获取车板识别模块数据，判别当前汽车是否为所装汽车，如果为非计划汽车则进行语音提示并报警，如果为计划汽车则上报平台，平台可以自动生成出站单。

（2）卸集卡车作业。装卸机械收到管理系统下发的卸集卡车吊单之后，通过获取车板识别模块数据，查询管理系统中的卸集卡车吊单，待装卸机械靠近集装箱时，系统自动判定吊单数据情况。抓取集装箱号，模块通过匹配成功的吊单进行语音指引，并在终端显示屏进行显示指引。

（3）翻箱作业。装卸机械自动记录装卸机械装载集装箱的作业结果，并将数据及时同步管理系统，实时更新堆场集装箱数据。

（4）铁路装车作业。装卸机械通过识别到的集装箱号自动匹配最新的吊单，如果装卸作业类型为装车作业时，通知并指引司机装往指定的货物列车上，如果结果发生改变，司机可以通过终端手动调整目标货车车号，及时更新吊单执行结果。

（5）铁路卸车作业。装卸机械通过识别当前作业位置来判断当前的作业为卸货物列车时，通过集装箱箱号自动匹配吊单，成功匹配后，通知并指引司机将集装箱卸往指定的位置，如果卸载的位置为非吊单所指定的位置，则系统进行声音报警，并上传至平台，通知平台操作人员进行处理。

通过以上5种作业流程可以看出，通过获取集装箱装卸机械的作业数据，实现集装箱信息的自动采集，可以及时地掌握堆场堆放情况，通过对集装箱堆场的装卸作业信息化指挥，实现现场作业信息完整采集和反馈，能够便捷、通畅地以多种方式通信，提高工作效率。其中，定位识别技术在整个作业中起到关键性的作用。

4 结束语

基于物联网技术，信息化管理集装箱堆场装卸机械，从而实现铁路货场集装箱堆场的信息化、智能化管理。有效利用数据资源，有助于避免重复劳动，降低人力资源成本。通过该系统可以减少每个堆场区域的相关管理岗位，义乌西目前有2个空箱堆场，通过该系统可以统一管理，对装卸机具统一调度，合并岗位、减少相关岗位1/2的人员。该系统节省了大量的找寻集装箱时间，大大提高了空箱流转率，堆场的日常容量可以从现有的日均卸3列空箱增至卸4列空箱，集装箱装车量从日均3～4列提高到日均6列、最高8列的水平，有效地提高了运输效率，实现经济效益的大幅提升。