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摘要：針對20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱的結(jié)構(gòu)特點與運輸條件，研究適用于環(huán)衛(wèi)集裝箱在載重情況下箱體變形的檢測方法，應(yīng)用激光測距技術(shù)，設(shè)計和開發(fā)環(huán)衛(wèi)集裝箱箱體變形度檢測系統(tǒng)，對箱體變形性態(tài)進行分析判別，以確保垃圾在末端處置中，滿載的集裝箱能正常裝船運輸，防止因箱體變形對導軌的損壞。通過大量的現(xiàn)場實驗，驗證了檢測方法和系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：環(huán)衛(wèi)集裝箱；變形度；檢測系統(tǒng)；激光測距

在垃圾的集裝化運輸中，集裝箱在各種因素的作用下箱體產(chǎn)生變形，主要包括：在垃圾壓縮處理過程中，壓縮打包機對集裝箱內(nèi)側(cè)施加強大的壓力；在運輸途中，大塊固態(tài)垃圾由于震動對箱體結(jié)構(gòu)造成沖擊載荷；集裝箱中的廚余垃圾等酸性液體對箱體結(jié)構(gòu)的腐燭。因此，這些外部因素和惡劣的環(huán)境條件容易使環(huán)衛(wèi)集裝箱產(chǎn)生箱體變形，導致整個結(jié)構(gòu)失效，進而產(chǎn)生不可想象的后果，或造成安全事故和財產(chǎn)損失，嚴重影響垃圾集裝化運輸?shù)陌踩院涂煽啃浴１疚目紤]環(huán)衛(wèi)集裝箱受到壓縮打包機對內(nèi)部的內(nèi)壓力，以及運輸過程中大塊固態(tài)垃圾對箱體的沖擊，在長期使用過程中會出現(xiàn)箱體變形或裂紋現(xiàn)象，研究適用于20英尺環(huán)衛(wèi)集裝箱在載重情況下箱體變形的自動檢測系統(tǒng)，及時掌握集裝箱變形數(shù)據(jù)，對箱體變形進行預(yù)警，一旦發(fā)現(xiàn)變形超過極限，立即采取措施，確保設(shè)備與人身安全。通過對激光測距[1]、三維激光掃描[2]、超聲波檢測[3]、光纖陀螺[4]、GPS[5]等變形檢測方法的特點及優(yōu)缺點的比較與分析，基于激光測距技術(shù)在測量精度、報錯概率、測量范圍、體積小、重量輕、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、價格低廉、使用安全等特點，設(shè)計的檢測系統(tǒng)采用激光測距方法[7]。

一、系統(tǒng)的構(gòu)建

集裝箱的箱體由骨架和面板組成，箱體骨架由方鋼焊接而成，箱體面板焊接在箱體骨架上，面板為了防止變形表面有焊接筋，實際的箱體面板是一個凹凸不平的表面，箱體面板的筋和箱體的骨架處于同一個平面。變形是指物體受外力作用而產(chǎn)生體積或形狀的改變。這里的改變是相對于原來的體積或形狀。如果要檢測出這樣的變形那么就需要找到一個基準面，由于箱體的骨架是由方鋼焊接而成，可以認為骨架的易變形程度要遠遠低于箱體面板的變形程度，因此，可以通過骨架確定基準面，然后基于該基準面進行箱體面板形變的檢測。對于形變的檢測，本系統(tǒng)采用測距傳感器測量被測面與傳感器的距離來確定。當一個未發(fā)生形變的被測面，按照一條直線通過測距傳感器時，被測面的每一點距離測距傳感器的距離都是相等的。當一個中間凸起的被測量通過測距傳感器時，中間的測量距離值要比兩變測量出的距離值要小。由此，設(shè)計的垃圾集裝箱變形度的自動檢測系統(tǒng)由6支測距傳感器、1個信號采集控制器和1套控制軟件組成。檢測系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

二、硬件平臺的搭建

實驗平臺通過在箱體左右兩側(cè)分別樹立一根垂直的柱子平行于箱體的側(cè)面，通過測距傳感器可以測量出柱子與箱體表面的距離。兩側(cè)立柱間距為3m，除去箱體的寬度2.4m，左右留有0.3m，處于選用的某傳感器的工作范圍內(nèi)（測量范圍為200~600mm）。由于一個傳感器只能測量一處的變形量，考慮到箱體變形的部位可能處于箱體測面的不同部位，因此，將箱體高度等分為5份，在中間3份處安裝3只傳感器進行測量。立柱和傳感器的安裝如示意圖2所示。

三、軟件的實現(xiàn)

首先建立一個二維的平面坐標系，坐標系的零點選取箱體背面的中心，兩根立柱的距離可以測量得出為d，通過上中下三個傳感器可測量出箱體骨架與傳感器的距離為x11，x21，x31，設(shè)三個傳感器的高度分別為y1，y2，y3，那么可以得到測量的三個點的坐標為（d/2-x11，y1），（d/2-x21，y2），（d/2-x31，y3），這樣，當箱體通過測量柱時，就可以得到一系列的測量點，（d/2-x1n，y1），（d/2-x2n，y2），（d/2-x3n，y3），（n=1，2，3......），前述已分析可以通過箱體骨架確定一個基準面，那么檢測箱體變形的問題實則轉(zhuǎn)換成了測量出的箱體面板的坐標點與箱體骨架確定的基準面的距離D，D越大表示變形越大，D越小表示變形越小。由于y值不變，因此，可以將測量點建立一個x-n的坐標系。由于箱體的骨架不會變形，測量點中第一個點和最后一個點分別是骨架前后的測量距離，中間的測量點是中間筋的距離，當中間筋的距離沒有超過前后骨架測量點的連線，即為箱體沒有變形，當超過了測量點的連線即為嚴重變形。變形類別的判定：根據(jù)箱體框架的尺寸圖紙，框架比筋高出20mm，正常的箱體，得到的測量值應(yīng)該是筋的連線幾乎是一條直線，而變形的箱體筋的連線是一條帶曲度的線，如果曲度的線超過了框架測量點的連線，這樣就可以設(shè)定一個變形標準：（1）所有筋的測量的距離未超過框架的測量距離，且距離相差大于10mm則認為是正常箱體，如圖3。（2）所有筋的測量的距離未超過框架的測量距離，且距離相差小于10mm則認為是輕微變形箱體，如圖4。（3）筋的測量的距離超過框架的測量距離，則認為是嚴重變形箱體，如圖5。理想情況下，車箱絕對的正，箱體的中心與立柱的中心一致，車輛在倒車時處于勻速并沿直線倒車。如圖6所示。實際測試時，可以保證直線倒車，但是箱體無法絕對的正，可能存在一個角度，這樣倒車線路與理想垂直線路存在一個角度偏差，若此時箱體倒車線路的中心與測量立柱的連線的中心一致，由于測量就是中心處的距離，所以此種情況可以正常進行測量，不會影響測量結(jié)果。如圖7所示。另一種情況是箱體倒車線路的中心與測量立柱連線的中心不一致，有可能偏上或者偏下，此時單邊測量的距離會前后不一致，如一邊測量的結(jié)果是前大后小，另一邊測量的結(jié)果是前小后大，這樣單邊的測量結(jié)果會不容易處理。假設(shè)兩邊測量的結(jié)果分別為AXn，BXn（n=1，2，3...），兩根立柱的間距是d，那么測量到車箱的寬度為d-（AXn+BXn），（n=1，2，3），因為車箱的寬度是固定的，所以可以認為兩邊測量的和為一個常數(shù)，這樣就可以將兩邊的測量結(jié)果相加后得到的測量數(shù)據(jù)依據(jù)給定的判定標準進行判定。如圖8所示。采樣頻率的設(shè)置：車箱整長6m左右，假定車速控制在5km/h，即5×1,000/3,600=1.389m/s。箱體筋的寬度為0.14m，那么每一個箱體筋通過傳感器的時間為0.14/1.389=0.1s，即筋通過傳感器的周期T為0.1s，那么系統(tǒng)的采集頻率f=2/T，即20次/s。箱體側(cè)面是由筋和面板組成的凹凸不平的，那么實際測量得到的數(shù)據(jù)點如圖9所示，數(shù)據(jù)點分為上下兩層，分別為筋的距離和板的距離，因為要將兩側(cè)的測量數(shù)據(jù)進行相加，而兩側(cè)的測量結(jié)果會不一致，例如一側(cè)可能會測得連續(xù)2個點為板的距離，另一面可能會測得連續(xù)2個點為筋的距離，因此當如果連續(xù)2個測量點為板或者筋的距離，則只保留一個。處理后的測量點如圖10所示，這樣就可以保證筋的距離與筋的距離相加，板的距離與板的距離相加。

四、實驗結(jié)果與分析

1．正常箱體圖11中，藍色線表示箱體框架的數(shù)據(jù)，即參考線，紅色帶圈線表示所有筋的測量數(shù)據(jù)，即測量線。由圖11可知，所有筋的測量距離未超過框架的測量距離，且由表1測量數(shù)據(jù)可知，距離相差大于10mm。由此，檢測結(jié)果為正常箱體。對于10km至17km段，應(yīng)當加強回淤監(jiān)測，定期進行航道水深檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果進行疏浚維護，確保航道適航水深滿足設(shè)計要求。特別是在大風過后應(yīng)及時進行水深檢測，并建立大風驟淤應(yīng)急響應(yīng)機制，確保航道的正常運行。來港船舶應(yīng)提前和以及港口商務(wù)部門溝通，確定最大吃水，確保航行安全。

參考文獻

[1]《濰坊港3.5萬噸級航道工程水深回淤測量報告》山東正元數(shù)字城市建設(shè)有限公司.

[2]趙洪強.海上運輸通航環(huán)境安全評價研究[J].水運科學研究，2007，（3）：27-32.

作者：沈聰 單位：上海環(huán)境物流有限公司