童鹏程 中国铁路上海局集团有限公司货运部

1 引言

长期以来，由于受制于基础设备、设施，铁路集装箱场站缺乏对箱号、位置信息自动采集的手段，造成场站精准化、智能化管理水平不高，制约了场站规模化、集约化。

本文主要对铁路集装箱管理现状，提出采用新技术，解决集装箱号识别和定位，将业务规则策略，融入系统研发，并结合义乌西全面应用和部分功能介绍，并展望未来，提出了一些个人观点。

2 铁路集装箱管理现状

2.1 集装箱运输发展分析

近年来，铁路集装箱发送量年均增长30%左右，而集装箱运量仅占铁路货运总量的5.4%，远低于发达国家铁路30%～40%水平。2018年，上海局管内海铁联运运量在集、疏、运体系中仅占1.6%，低于国内平均水平，集装化运输优势未得到有效发挥。

2.2 铁路场站管理现状

国内部分港口已实现集装箱作业自动化、智能化，满足了大吞吐量、高效作业的需要。铁路集装箱场站管理及装备信息化水平落后的现状，制约了管理与作业效率，主要表现为：

（1）管理方式传统。靠手工抄录箱区、箱位及作业动态信息，再手工录入集装箱管理信息系统，耗时长，错误率较高。

（2）起重设备作业效率低。没有有效的智能化管理手段，导致不能对起重机械作业过程优化，难以使效能最大化。

（3）作业管控能力弱。造成堆码混乱，不能有效利用称重计量、超偏载检测装置信息辅助配载，作业效率低下。

（4）资源协同能力弱。无法精准掌握堆码情况，不能结合装卸设备当前位置，智能引导车辆进场落箱、取箱，导致不均衡作业多，多式联运衔接不顺畅。

3 技术研究

通过运用导航、定位、测控、数据集成等技术，研究科学算法模型，提出场站集装箱定位、箱号识别的新方法，解决集装箱动态堆存信息化的难题。

3.1 UWB定位

UWB是一种无载波通信技术，是利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，UWB信号带宽大，容易分离多径信号，抗衰落性能好，比较适合复杂环境定位场景。

3.2 GNSS定位

GNSS系统是一个多模式的定位系统，包括GPS、Glonass及Galileo和北斗卫星系统，及用于区域的、增强的卫星导航。

3.3 定位与测距

在场站内基准位置、定位目标上设置定位标签；定位目标带标签行走，发射超宽带信号，基准标签接收信号并传输服务器，利用运用定位算法进行位置计算，以虚拟动态、三维效果实时显示定位目标位置。

3.4 智能图像处理

智能图像处理过程包括：图像采集，预处理，分割与目标识别与分类，目标定位与测量。摄像机采集连续的现场图像，图像预处理后，把图像分成各具特征的区域，提取出目标，进行识别和分类，按照目标和图像之间的复杂映射关系进行处理，得出字符、数字。

4 箱号识别与箱位智能管理

通过综合运用定位、视频分析、科学算法、作业规则策略，提出集装箱箱号识别、箱位智能管理解决方案。

4.1 箱号识别

（1）移动起重设备安装摄像机。在门吊走行、起落箱时采集到箱号图像。摄像机可自动控制摄像方向、伸缩镜头，直观拍摄门吊行进、起落，当前吊钩、小车及周边的连续视频场景；可采集箱体两侧或箱顶的字母、数字图像，采用智能视频图像处理技术，得到正确箱型、箱号信息。

（2）建立基础信息库。建立集装箱箱型、箱号信息库和图像特征识别库，用于对比，提高箱型箱号识别正确率。

（3）校验码规则法。利用校验码规则，正向校验和逆向计算，提高识别箱号的正确率。

4.2 集装箱定位

定位系统包括三个组成部分：在轨道式起重机上安装UWB和GNSS模块定位标签，发射UWB信号来确定位置、确定场站内区域；场站内基准标签，接受目标标签发送过来的信号；软件平台获取、分析、处理。GNSS主要解决多区域定位（如图 1）。

图1 定位识别场景示意图

（1）基准定位标签：定位标签是一种精密测量仪器，可以通过检测移动定位标签发出的UWB信号，来计算该标签的三维位置。独立测定UWB信号的方向角和仰角；而到达时间差信息则必须由一对时间同步的基准标签来测定；信号到达时间差和信号到达角度相结合的测量技术，构建灵活强大的定位系统。

（2）移动设备定位标签：通过基准位置标签，接收移动起重机上定位标签信号，后台计算出移动起重机设备的三维位置信息，精度可稳定至3 cm～10 cm；移动起重机设备上的UWB标签提供达每秒20次以上的动态位置数据。

4.3 定位策略算法

计算移动标签信号到达基准标签的时间差、角度，运用信号到达时间差（TODA）和信号到达时间角度（AOA）及双向测距算法TW-TOF混合定位算法，计算出门吊、起落箱的位置（如图 2）。

图2 定位测距示意图

设传感器得到的到达时间差Δt，到达角度α1和α2，c表示光速度，移动点MS（x0，y0），基准点BS1（x1，y1）和BS2（X1，Y1），那么以下公式计算可以得到移动点MS的坐标（如图3）。

4.4 业务规则策略

根据功能区和堆码规则，堆码和作业优化策略，资源协同控制等要素，综合考虑箱型、箱类、属主、发到、去向、装卸顺序、箱位、堆存情况、空箱规则等，生成调箱指令，降低调箱次数。

图3 定位计算

如系统自动生成吊箱指令，后台自动结合汽车衡、超偏载设备等称重、测量信息，生成满足起重能力的吊箱指令；堆码顺序、层数要兼顾起重机械走行距离；堆码规则符合业务规范，不允许空重混放、悬空、重压空箱、混堆；根据划分好功能区，分配箱位，做好车流衔接；空箱区先进先出，减少翻箱作业，压缩堆存停留时间；根据预约提箱次序，匹配堆码层位，减少翻箱作业；根据堆存情况，结合起重设备当前位置，进门箱的空、重，为集卡车分配停靠区域，提高直装直卸比例等。

5 系统研发与应用

综合箱号识别、定位管理、业务规则策略，运用结合图形化、主数据同步等技术，研发信息系统，在义乌西站全面应用，实现箱区、箱位的智能管理和场站集中调度指挥。

5.1 系统架构

采用B/S的网络构架设计，前端界面主要使用Metronic模板，基于 Bootstrap，jQuery；后端采用 Spring4.2+Spring MVC+MyBatis3.2+Apache Shiro，数据库连接池组件为Alibaba Druid，数据库采用 Oracle11g。

5.2 系统功能

系统主要功能有：综合平台管理，出入口管理、集装箱定位管理、装卸车管理、作业信息反写集装箱管理系统等。

（1）综合平台：综合运用现有货运系统信息，采集安全检测设备、起重设备生产作业信息，智能生成和辅助产生调箱指令，通过平台向各子系统、外部系统推送、交换作业信息。

（2）出入口管理：对进出门闸口进行信息化管理，实现公路汽车车牌、箱号自动识别，对进站箱按场站内堆存分布情况，结合效率算法，合理安排起落箱区域，货场门口屏幕显示、自助打印门检指示单，引导集卡进场，根据有关作业情况信息，为出门集卡起杆自动放行。

（3）集装箱智能管理：综合运用起重设备走行轨迹、起落箱时采集到的图像，运用箱号识别、测距技术和算法模型，识别与定位箱号、箱区、箱位，实现场站电子化。

（4）装卸车管理：构建良好人机交互关系的图形化场站，按实际情况，在系统中设置重箱区、空箱区、内贸箱区、出口箱区、发送和到达区等。人工辅助或自动生成调箱指令，通过平台将作业指令传递到货运员手持机、门吊司机室终端，返回作业指令执行结果和变更、异常处理情况。

（5）作业信息反写。按照规范格式，将采集得到的作业信息，通过平台信息反写给集装箱管理系统，实现作业信息自动采集、传递和复用。

5.3 调箱作业部分场景

（1）生成卸铁路货车吊箱单。箱调度进入卸铁路货车的页面，可自动生成吊箱单，也可选择集装箱所在货车位置，可批量拖、拽集装箱模拟标识，到堆场的目标位置，点击“生成吊箱单”，点击“确认并推送”按钮，生成吊箱单，信息发送至由门吊司机和外勤人员，完成吊箱指令生成和分发，发现错误可进行回退操作（如图4）。

图4 卸货车模拟图

（2）门吊司机端。接收到调箱的吊箱指令，页面会显示吊箱指令内容，包括：作业类型及编号、任务序号、数量、已完成任务、完成标识、当前任务、后续待执行任务（如图5）。

图5 门吊司机终端界面图

（3）外勤货运员端。外勤收到吊箱单任务，可根据作业执行情况，分别点击“完成、有调整和后退”按钮，进行作业确认或作业调整（如图6）。

图6 外勤手持机标记任务状态图

6 展望与思考

定位、视频分析技术研究与生产应用，是铁路场站智能化管理的有益探索，是推进“智能货运”大胆实践，研究与实践表明，还需要加强与深化运用。

6.1 要实现更优策略的业务管理

通过不断的制定策略与回顾，改进与完善场站管理，如最优策略堆存、装卸机械最优综合移动算法、卡车进场错峰避免拥堵策略等，建立多目标优化数学模型，进一步优化系统，促进提升场站作业效率。

6.2 研发集卡APP，促进作业协同

根据义乌西情况，发现货场作业不均衡、场内拥堵现象时有发生，导致管理成本无谓增加。研发APP应用，让场外司机自行获知铁路货场作业指令，提前预知作业繁忙、空闲时段，预约进场，可以进一步提高生产效率。

6.3 推广智能管理系统

据统计，全路发送量前20的集装箱办理站运量，占集装箱总运量的95%。以上海局为例，2018年，发送量前20的集装箱办理站运量，占全局集装箱运量的78%，发送量前40的集装箱办理站运量，占全局集装箱总运量的94.8%，因此，可以优先在大型办理站推广应用智能化管理系统，促进增量、上量，提高效益。

6.4 装卸机械自动化作业控制

在确保安全的前提下，未来在试点车站，研究智能化系统的作业指令与装卸机械控制系统自动对接，人机协同，实现装卸机械远程操控、自动化作业。