铁路集装箱组合装车优化及偏载实时监控系统-交通科技大赛作品申报书.docx

序号：编码：第八届全国大学生交通科技大赛作品申报书作品名称：铁路集装箱组合装车优化及偏载实时监控系统学校全称：西南交通大学申报者姓名（集体名称）：余露虹 林义鹏 熊沙乐 陈嵩楠 黄寒冰说明1申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。2表内项目填写时一律用钢笔/水笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书复印有效。3序号、编码由第八届全国大学生交通科技大赛组委会填写。4学术论文、作品研究报告所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字以内（文章版面尺寸14.522cm）。5作品申报书须按要求由各校竞赛组织协调机构统一报送。6其他参赛事宜请向本校竞赛组织协调机构咨询。7.联系人：刘15210666487E-mail: 大赛网址：/报送地址：北京市朝阳区平乐园100号北京工业大学建筑工程学院邮政编码：100124A申报者情况（集体项目）说明：1. 必须由申报者本人按要求填写； 2. 申报者代表必须是在读本科学生； 3. 本表中的学籍管理部门签章视为对申报者情况的确认。申报者代表情况姓名余露虹性别女出生年月1991.10学校西南交通大学系别、专业、年级交通运输专业，本科2010级学历本科在读学制4入学时间2010年9月作品名称铁路集装箱组合装车优化及偏载实时监控系统通讯地址四川省成都市高新区西部园区西南交通大学邮政编码611756办公电住地通讯地址四川省成都市高新区西部园区西南交通大学邮政编码611756住宅电他作者情况姓名性别年龄学历所在单位林义鹏男22本科西南交通大学交通运输与物流学院陈嵩楠男22本科西南交通大学交通运输与物流学院熊沙乐男21本科西南交通大学信息科学与技术学院黄寒冰男21本科西南交通大学信息科学与技术学院资格认定学校学籍管理部门意见以上作者是否为2012年10月1日前正式注册在校的全日制非成人教育、非在职的高等学校大陆及港澳台地区中国籍本科学生。是否（部门签章）年月日院、系负责人意见本作品是否为2012第七届大学生交通科技大赛之后立项，2013年5月之前完成的课外学术科技或社会实践活动成果。是否负责人签名：年月日B申报作品情况（科技发明制作）说明：1. 必须由申报者本人填写； 2. 本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认； 3本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片）,也可附鉴定证书和应用证书； 4作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。作品全称铁路集装箱组合装车优化及偏载实时监控系统作品研究的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标研究目的随着我国物流行业的快速发展，集装箱运输在我国铁路货物运输中所占比重逐年上升，集装箱货物运输量与日俱增，集装箱运输发展前景巨大。而我国铁路装车运输中存在组织流程不合理、技术监控不完备、信息化程度低等问题，加之集装箱内货物状态无法有效监控，导致集装箱货运偏载事故频发。铁路敞车运输集装箱过程中出现的偏载问题一直是威胁铁路运输安全的一个重要问题之一，导致集装箱偏载问题主要出现在装车过程和列车运行途中两个环节。由于我国现有的集装箱运输偏载监控系统水平不能满足铁路集装箱运输的发展要求，导致运输事故频发，这也说明当前我国集装箱运输的安全监管仍存在诸多问题急需解决，寻求一种通用有效的系统成为本方案所研究的主要目标。本作品在现状的基础上，进一步地解决集装箱静态装车时的组合匹配与运行中偏载实时监控的问题。首先，本系统将从重心、及时、货物匹配度三个方面考虑，以重心匹配为基础，兼顾货物性质，优先配送加急快件，高效的获取集装箱的选配方案，提高集装箱装车时的精准性。另一方面为了避免在运行过程中因为线路、车辆起步制动等原因引起的偏载现象无法被及时发现，造成严重的安全隐患。通过集装箱偏载实时监控系统，全程监控集装箱运输生产过程，对集装箱偏载情况实时监控并划分偏载等级，根据不同危险等级自动报警，为列车运行决策提供辅助支持，切实有效地降低集装箱运输事故的发生率，减少集装箱运输事故给国家和人民带来的损失。基本思路本项目通过软硬结合方式设计了该系统实现了集装箱组合装车优化、集装箱运行实时监控两大功能。本项目通过集装箱运输车辆车载装置、驾驶室工作台、调度指挥平台三者间信息交互，以达到“预防偏载”和“偏载应急”的目标。本系统可以实现集装箱组合装车优化、集装箱偏载实时监控2个功能。在集装箱组合装车优化功能中，车载装置采集集装箱的信息，经处理后传输至驾驶室工作台。工作台软件完成信息处理，列出相应优化的组合装车方案；在偏载实时监控功能中，车载装置在运输中一旦检测出集装箱偏载，将信息反馈到工作台，并将报警信息同步传送到调度指挥中心，调度中心下达相应降速应急处理等指令。以此来降低偏载脱轨事故的发生率。在此之上，提出一个偏载重心自动调整的设想，简单的改造设计并制作了机械装置验证。本作品主要包括以下研究、开发、设计内容：（1）在装车时，利用单个集装箱的重心位置数据，计算两个集装箱的装载方案，利用龙门吊进行优化装车。运行过程中，根据线路所涉及的可能情况（如：弯道、最大坡度），建立不同的重心计算模型，对集装箱进行重心计算，并确定对应的重心可偏移范围。全面了解集装箱货运车辆在运输过程中可能遇到的其他不利因素，最终将这些计算方法、各项方案、集装箱装车位移图示等信息集成，设定偏载等级，并建立数据资料库。（2）利用压力传感器测量，将数据传递给高精度AD芯片进行量化处理，把模拟电压转换成数字信号输出到车载计算机。（3）为了保证有较好的移植性采用，使用Java完成软件的实际实现，利用语言提供的大量稳定的开发包，构建一个具有较好鲁棒性的分布式软件系统。同时使用计算机图形学中一些已经成熟的技术，实现计算结果和编程结果的可视化。（4）建立数据库管理系统。对集装箱货物的装载及运输过程中，集装箱的检测参数进行实时分析、处理并储存在系统数据库中，一方面确保事故发生责任到人，可用于事故后分析行车组织和运营管理操作是否恰当；另一方面随着系统使用，对于收集到的海量数据也可以通过数据挖掘等方式，进一步管理集装箱运输，从宏观的角度进一步完善集装箱的安全运输。创新点本作品通过软硬结合的方式，实现了运输车辆车载装置、驾驶室工作台、调度指挥中心三个子系统的有机结合，把集装箱运输的偏载等信息通过网络进行集成汇总，使该设计成为一个功能完善的辅助预警系统。主要表现在：（1）信息共享：实现运输车辆、行车调度中心、驾驶室工作台的信息共享，规避了监控过程中的信息上报不及时和沟通的死角（2）安全报警：该系统通过五级预警报警机制保证集装箱货物不会偏载，确保列车安全运行。同时，还采用了冗余算法确保该系统不会因为偶然的原因产生判断失误而报警。（3）实时理念：车载终端为集装箱运输安全所定制，可动态监测集装箱运输中的各类参数并实时同步给调度中心，同时实现双通道报警，保险性更高；（4）经济实用：最大限度地利用了现有成熟技术及设备，避免了大笔经济支出（5）技术创新：软件语言是基于 JAVA 平台，具良好的移植性，能适应各种操作系统（Windows，Linux，Unix）；存储动态监测到的各类参数信息的数据库，方便生成数据查询、数据分析支持未来的决策。技术关键（1）分布式系统：整个系统分布在多个运输环节，软件与硬件能够合理的分布并配合工作。（2）管道与多线程：软件部分大量的采用管道技术，并采用多线程的方式保证的整个系统的实时性，同时也保证了系统具有很好的移植性和可裁剪性。（3）Java平台：采用Java来构建整个分布式软件系统，一方面可以在不同的操作系统环境下运行该系统，同时Java也具有较好的安全性和稳定性。（4）数据库：对整个硬件和软件系统产生的所有数据均有记录。便于整体的集中管理，同时也为将来的做进一步的数据挖掘奠定一定的数据源基础。（5）计算机图形学模拟：对于一些关键信息一方面采用直接展示的方式，另一反面通过图形化显示，为该系统的用于提供更为简介的交互方式，同时也提供了直观的显示。（6）AT89S52型号单片机：该单片机具有较小的功耗，同时能够满足系统的性能要求，可以很好的配合外围的硬件系统。对于本系统的监测以及控制，使用该单片机操作简单，编程容易，可移植性强。（7）称重传感器：目前被大量使用与重力信息的测量，一方面称重传感器造价低廉，安装方便，通过温度补偿电路，该类传感器的性能稳定，并且线性度高，得到的模拟信号大小精确。另一方面，配合高精度的ADC芯片，可以得到高精确的重力量化数值。（8）无线传输：分布式系统间每一个组件均通过相对稳定可靠的无线传输信号传输，做到了即满足稳定性的要求，同时满足了设备移动的要求。功能实现1.运输车辆车载装置（1）车载硬件装置构成及模块联合调试：车载硬件装置由量程为的压力传感器、24位HX711型号的A/D芯片、AT89S52型号单片机和CC1101型号高性能射频收发器等设备构成，在计算机上实现实时信息传输、处理与结果显示。（2）A/D芯片传感器检测的实现：通过A/D芯片采集传感器数据，并将此数据由模拟信号转换成数据信号在并行通道上传输，传至单片机上进行处理。（3）核心控制芯片单片机处理传感器数据：通过AT89S52型号单片机将A/D芯片传输过来的传感器数据信号进行处理。（4）CC1101型号高性能射频收发器（无线传输模块）：作为软硬件数据交互的基础。应用该模块将信息由串行通讯传输到驾驶室计算机进行下一步的处理。2驾驶室工作台（1）监控异常报警：将驾驶室计算机中处理后的传感器数据，判断出偏载等级，在界面上进行显示。在偏载前三等级进行不同程度对应预警，一旦进入偏载等级，直接弹出提示窗口显示红色报警，并进行语音提示，从而提示列车司机进入偏载异常状态。同时将信息传输至调度中心，供调度中心做进一步处理。（2）物流信息追踪短信发送：通过集装箱列车沿路线所到大站的信息，可以实时给集装箱货主发送短信，告知其集装箱货物的物流地点信息以及预计到达时间信息。（3）偏载等级的显示：利用红、橙、黄、绿、蓝五色分别表示偏载等级的强度大小，并且通过实时监测的传感器数据以100毫秒的频率刷新监测偏载的位移等级显示条形图。（4）货物运单、装车编号的查询：通过软件输入货物的品类、装车、货主等信息，传递到数据库进行储存中。在运行途中，可便驾驶员实时查询该编号集装箱的装车车组、货物品类等信息。3调度中心监控平台（1）监控异常报警：将驾驶室工作台车载计算机的报警信息同步传输给调度中心监控平台，并进行报警次数、时间、等级的储存。（2）应急处理命令：驾驶室工作台接受到集装箱偏载的紧急信息，并同步传到调度中心。调度中心根据的报警信息后，下达相应的降速等处理命令。（3）后台数据管理：利用开源轻量级数据库，通过MySQL软件管理相关信息，便于软件在真实环境下可以更换ORACLE公司的企业级数据库，实现数据库的兼容共享。（4）接受车载设备主动通信信息：包括普通车务、货物运单信息、集装箱编组装车信息、异常报警信息等。（5）电话联系驾驶员：通过铁路专用电话联系驾驶员，询问具体情况信息等。（6）集装箱列车的区间定位：根据集装箱货物列车选择的铁路的线路条件参数，在运行路线上的占用区间内，可定位其区段，便于传递事故地点、车辆信息。作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）科学性先进性1.系统构架部分本作品设计的系统包括车辆车载装置、调度重心监控平台、车辆驾驶室工作台三个子系统，并通过无线网络实现了信息的互联和共享。在目前的学术研究领域和实际应用中，均没有能够实现集装箱组合装载优化及偏载实时监控的系统，既有研究和实践主要是完善单一集装箱或静态测量车辆重心的方面。在列车运输集装箱的组合装载和实时偏载检测这个领域当前并没有相对集中并且相对系统的论述，仅有一些探索性的论文，如西南交通大学洪方年硕士研究生学位论文基于图像处理技术的敞车装载集装箱定位系统的研究与实现主要实现了集装箱装车过程中，将集装箱形心定位到车辆形心，而没有考虑集装箱的重心问题；而事实上，集装箱货物运输过程中的偏载主要是由两个原因造成：第一，在集装箱装载过程中，由于单个集装箱箱内装载的偏载，使得将集装箱形心定位到车辆形心也无法保证车辆装载不发生偏载；第二，由于车辆行驶过程中的轨道不平顺、线路曲线、车辆起步制动等原因，造成箱内货物发生倒塌倾覆从而造成偏载。本作品形成了以下解决方案：（1）调度中心、运输车辆、驾驶室工作台的信息共享，规避了驾驶、监控、救援过程中信息获取和沟通的死角。（2）设置了车辆信息备案-组合装车优化-行驶状态监控-异常状态预警和处置提示-事故报警-对驾驶员的事故初期处置提示-对指挥中心的后期处置决策支持等全流程功能,消除了监控、救援中措手不及，信息获取不全面、不及时的情况。（3）通过车载装置、调度中心的协同监测、预警可以进行事故预防，通过调度命令可以有效进行事故处置，做到“防治结合”。2.车载、调度监控部分学术研究领域：在既有的研究中，集装箱装车部分大多以装载加固为主要研究目标，而对考虑重心的组合装车优化问题研究较缺乏。在实际操作中，只能在整列车装载完成后，再通过轨道衡进行检测，而一旦发现偏载现象，要将列车调移回货场重新装载，浪费运力，降低作业效率；而在动态监控方面，也没有做到连续监控，如中南大学机电工程学院赵培杰、黄志辉等在铁道货运2005年第6期发表的铁路货车新型动态偏载检测装置的研究中的成果，只是做到了车辆在运行过程中的不停车测量单点重心，而没有做到连续的重心监控，从而无法预防因为线路原因而造成的偏载。而本作品基本能满足装车优化与放偏载实时监控，作为监控硬件已经比较实用。商业领域：目前尚无成熟商业系统。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示或发表刊物等活动中获奖及鉴定结果 本作品荣获西南交通大学第六届交通科技大赛一等奖作品所处阶段（A）A实验室阶段 B中试阶段 C生产阶段D（自填）技术转让方式暂不转让作品可展示的形式实物、产品模型图纸磁盘现场演示图片录像样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测技术特点本系统使用java为载体和以单片机为核心的硬件，构成一个具有实时监控，信息交互等功能分布式系统。能够适应不同的网络环境，同时软硬件仅通过接口完成信息交互，可以很好的做到系统升级与优化。优势目前已经有的一些关于集装箱运输的系统或者系统模型都是仅仅针对运输的一个环节，都不能实现一体化从装车到运输实时的偏载防护。而本系统则着重完善集装箱运输的完整过程的监控，从装车优化到运输实时监控，从静态装车到动态监控。本作品能同时实现同时该系统从横向来说对不同的用户具有不同的用户接口，能够很好的辅助司机、调度中心、装载人员完成其相应工作，并完成他们之间的信息有效传输。而从纵向来说，系统不仅仅是单独的软件或硬件，而是不同环节合理的选择不同的软硬件，既保证一定的实时性，又保证了计算等的稳定有效。对于该系统的软件，所有的功能都具有一定的可拆卸性，需要的时候可以拼装到系统中使用，不需要的时候也可以拆卸。整个软件也具有很强的移植性。首先该系统的软件可以运行所有具有java虚拟机的操作系统上，例如windows，linux，移动平台等。同时该软件的后台的数据库也可以进行简单的替换，只需要将软件中的中间件进行简单的更换。单片机的能耗低，稳定性高，可以很快的适应并完成所需要完成任务。同时在实施监控的场合，相比复杂的嵌入式系统，简单并满足要求的单片机远远比使用。适用范围、推广前景和经济效益分析本作品大幅改善了目前集装箱组合装车优化、运输偏载的监控、运行决策系统，应用前景良好，主要表现在以下几点：（1）适用领域广，拓展性能好。本系统是针对敞车运输二十英尺集装箱的特殊需求开发的。但本质上，敞车集装箱运输与其他货车车种运输-诸如平车等同样存在偏载问题，经过一些改装设计可以移植；同时本系统也不拘泥于铁路运输，经过改装后，在道路的集装箱运输的监控、处置等方向上也可以有较大帮助。综合起来看，拓展性能非常好。（2）需求刚性，可以使政府参与系统推广。鉴于我国目前集装箱运输监控工作过程中信息化程度严重滞后的情况，其对高集成度的监控指挥平台的需求是相对刚性的。但由于本系统构架起了车辆硬件、调度指挥中心和驾驶室工作台的三方关系，系统功能的实现也是建立于各三方子系统协同工作的基础上的，故而在系统推广上不是单纯的商业问题。（3）成本低廉，但经济、社会效益好。由于本系统的硬件部分是专为集装箱运输定制的，就剔除了很多民用功能，非常精简，故而整体成本很低，目前的研发版本1300元左右；软件部分对主机硬件没有特殊要求，个人电脑级别的主机联网后即可运行。在财政补贴方面，也不会对地方财政造成过大压力。而事故一旦发生，财产损失动辄以千万计，并且往往还伴随人员伤亡。故而在现实中构建我们的系统，很多利益是无形的、事后的，但成本确实是低廉的、可控的，虽然具体的数目不好估计，但是以金钱来衡量，经济效益还是非常明显的。科研管理部门签章年 月 日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。根据查找相关资料，当前国内外专注于铁路集装箱偏载实时监控的研究较少，既有研究主要集中在铁路超偏载检测装置及集装箱装的定位方面。国内外在偏载检测装置方面已经具有一定的研究成果，其中主要包括轨道衡，轨道式轮重测定计量装置，钢轨应变力测定计量装置，多元检测计量装置等。具体来说，国内广泛使用的轨道衡是称量大宗散装货物的主要计量工具，早期只能完成静态称重的功能，而目前国内货车超偏载监测技术主要采用动态轨道衡监测超载，仅仅适用5-30 km/h的低速车辆监控。另一方面国外已经研制出动态电子轨道衡，基于无基坑、不断轨的动态轮轨监测技术，美英等国目前已研制成可以监测车速达到80km/h,检测精度可达到0.25%的轮轨超偏载监测设备。但是其成本较高，在我国现有轨道的基础上改造成本大，同时也只能相对低速的范围内。而在集装箱装装载定位这一领域，国内主要光电定位系统，图像处理技术，超声波技术等完成集装箱装载定位，同时国外有吊具防摇系统和自动控制以及集装箱定位系统等。但是通过前期的调研，发现这些方式大多数情况下只是用于港口和码头，需要大量的设备，很难在编组站实现。鉴于我国集装箱专用平车数量不足且货运量逐年上升的国情，我国运输集装箱时不得不使用敞车运输，相反国外不存在相应的情况，故专门针对敞车运输集装箱系统化研究暂时空白。而随着运输量增加，偏载监控也越来越受到重视，应用软件和硬件技术对偏载测量也有了很大提高，具有了一定基础，但仍未做到实时监控，远远不能适应道路运输安全生产的需要、达到我国国民经济发展的水平，在监控和应急工作中还存在着一些不足。D.推荐者情况及对作品的说明说明: 1. 由推荐者本人填写；2推荐者必须具有高级专业技术职称，并是与申报作品相同或相关领域的专家学者或专业技术人员（教研组集体推荐亦可）；3推荐者填写此部分，即视为同意推荐；4