本发明涉及一种脱、落锁监控方法及监控系统，尤其涉及一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控方法及监控系统。
背景技术：
随着我国铁路集装箱运输车辆种类的不断增加和安全性能的大幅提高，集装箱闭锁装置由原直台锁、凸台锁、手动旋锁发展到了全自动旋锁及具有独特鹰头结构的f-tr锁。铁路集装箱f-tr锁自2007年投入运用以来，因其结构简单、经久耐用、锁固性和顺畅性适中等特点，已成为目前铁路集装箱专用平车和nx70a型平车的主力锁型。
随着f-tr锁在铁路平板车的广泛应用，在集装箱的装卸过程中，出现了f-tr锁未脱锁及未落锁的严重安全事故和隐患。为了从源头上杜绝集装箱装卸过程中集装箱与平板车未脱锁及未落锁情况的发生，保障铁路运输安全，近些年来国内出现了使用拉力传感器基于力的变化值判断f-tr锁未脱锁、使用角度传感器基于偏载量判断集装箱是否偏载以及使用激光传感器基于距离判断f-tr锁未脱锁的探索和研究。但是，由于以上单一方法的局限性，以及集装箱普通吊具判断脱落锁的复杂性，未能够达到预期的使用效果。
相关的专利文献如下：
一、公开号为cn106017753a，公开日为2016年10月12日的中国发明专利公开了一种集装箱f-tr锁脱离智能检测系统，包括有连接于集装箱专用吊具上的四个拉力传感器，与拉力传感器连接的信号识别处理器。
二、公开号为cn106644227a，公开日为2017年5月10日的中国发明专利公开了普通门吊集装箱f-tr锁智能检测系统，包括有连接于集装箱普通门吊上的四个拉力传感器，与拉力传感器连接的信号识别处理器；所述的拉力传感器选用柱式应变传感器，包括有载荷柱式梁，载荷柱式梁的中部设置有两个相对应的盲孔，两个盲孔同轴且沿载荷柱式梁的径向对称，两个盲孔所在部分的载荷柱式梁为工字梁结构，盲孔内均设置有电阻应变片，所述的载荷柱式梁外固定套装有用于固定钢丝绳的滑轮，载荷柱式梁外且位于滑轮的两侧均固定设置有一支撑板。
三、公开号为cn103030063a，公开日为2013年4月10日的中国发明专利公开了用于确定集装箱吊架用的目标位置的方法，其中，将至少一个产生图像的传感器安装在集装箱吊架上，并且求出集装箱吊架的环境的测量值，计算单元从该测量值中形成三维的数据，计算单元从该数据中求出锚定位置、特别是旋锁或者角配件的位置，计算单元从所述锚定位置计算出集装箱吊架用的目标位置。
四、授权公告号为cn206266106u，授权公告日为2017年6月20日的中国实用新型专利公开了一种集装箱吊装偏离f-tr锁智能报警装置，包括四个设置于集装箱吊具四个拐角处的激光测距传感器，四个分别与对应激光测距传感器输出端连接的激光测距传感器测量电路，四个分别与对应的激光测距传感器测量电路输出端连接的测量距离比较电路，以及与四个测量距离比较电路连接的比对报警系统；每个激光测距传感器测量电路均包括有依次连接的用于光电转换的运算放大器ic1、对运算放大器ic1输出的模拟电压信号进行比较处理的驱动模块ic3和用于将模拟电压信号转换成数字信号进行显示的数显模块ic2，运算放大器ic1的正向输入端与对应的激光测距传感器的信号输出端连接；每个激光测距传感器测量电路包括有运算放大器ij1、npn三极管vt1，运算放大器ij1的正向输入端与驱动模块ic3的输出端连接，运算放大器ij1的输出端与npn三极管vt1的基极连接；所述的比对报警系统包括有单片机、以及分别单片机连接的指示灯和报警器，所述的四个测量距离比较电路中npn三极管vt1的集电极均与单片机连接。
上述第一和第二篇专利文献是属于使用拉力传感器基于力的变化值来进行判断的，第一和第二篇专利文献是属于使用激光传感器基于距离来进行判断的。但是，由于实际工况的复杂性，因此上述专利文献中的技术方案在现实工作中并不适用。
综上，如何设计一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控方法及监控系统，使其能实时监控f-tr锁的脱、落锁状态，可靠性和安全性强且结构简单，安装方便，适用性强是急需解决的技术问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控方法及监控系统，其能实时监控f-tr锁的脱、落锁状态，可靠性和安全性强且结构简单，安装方便，适用性强。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控方法，其是在集装箱吊具钢丝绳上设置称重式传感器，在集装箱吊具上设置倾角传感器和数据采集及无线发射电源模块盒，在吊具操作室内设置中央处理器、显示器和无线接收机；通过称重式传感器和倾角传感器采集数据后，利用数据采集及无线发射电源模块盒将数据发送给无线接收机，再通过中央处理器对数据进行监控，以判断是否出现未脱锁或未落锁情况后并显示在显示器上。
优选的，对未脱锁的判断是从以下三个方面进行监控的：
一）、在起吊集装箱的过程中，实时监控集装箱的倾斜角度，通过倾斜角度来判断是否出现脱锁情况；
二）、在起吊集装箱的过程中，实时监控集装箱的偏载、偏重量来判断是否出现脱锁情况；
三）、在起吊集装箱的过程中，实时监控集装箱四个角部的f-tr锁力及力增量变化来判断是否出现脱锁情况；
当其中任意一个方面判断出未脱锁情况时，中央处理器内设置的控制系统自动发出未脱锁报警。
优选的，在第一）方面的监控中是在控制系统中设置一个临界角度值，利用倾角传感器实时监控集装箱的倾斜角度，当集装箱的倾斜角度等于临界值角度时，控制系统自动发出未脱锁报警。
优选的，临界角度值包括沿集装箱纵向的倾斜临界角度值一和沿集装箱横向的倾斜临界角度值二，当倾角传感器实时监控到集装箱纵向的偏重角度值达到倾斜临界角度值一时或集装箱横向的偏载角度值达到倾斜临界角度值二时，控制系统自动发出未脱锁报警。
优选的，在第二）方面的监控中偏载量的监控，是在控制系统中设置一个临界偏离距离值，在监控时利用称重式传感器测得的集装箱吊具钢丝绳的拉力数据配合倾角传感器测得的集装箱吊具的倾斜角度数据计算出集装箱吊具四个角部的负载拉力，通过四个角部的负载拉力计算出集装箱重心位置，再计算出集装箱重心位置偏离纵向中心线的距离值，当集装箱重心位置偏离纵向中心线的距离值等于临界偏离距离值时，控制系统自动发出未脱锁报警；偏重量的监控，是在控制系统中设置一个临界偏重量值，依据计算出的集装箱吊具四个角部的负载拉力，再计算出集装箱的偏重量，当集装箱的偏重量等于临界偏重量值时，控制系统自动发出未脱锁报警。
优选的，所述临界偏离距离值和临界偏重量值，依据《铁路货物装载加固规则》规定设置。
优选的，在第三）方面的监控中是在起吊集装箱的过程中，通过采样力的变化和时间间隔的累计，控制系统智能识别集装箱的重量和上升位置，如果到达一定的时间位置，某个集装箱角部f-tr锁的拉力还快速增加，控制系统自动发出未脱锁报警。
优选的，对未落锁的判断是在控制系统中设置吊具的原始角度，当将集装箱吊运到平板车上后，利用倾角传感器对吊具的倾斜角度进行监控，当吊具的倾斜角度与吊具原始角度不相等时，控制系统自动发出未落锁报警。
本发明还公开一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控系统，其包括设置在集装箱吊具钢丝绳上的称重式传感器、设置在集装箱吊具上的倾角传感器、数据采集及无线发射电源模块盒和设置在吊具操作室内设置中央处理器、显示器以及无线接收机。
优选的，所述称重式传感器采用旁压式称重传感器，共设置有四个；四个旁压式称重传感器分别设置在集装箱吊具的四根钢丝绳上。
本发明的有益效果在于：本发明可以非常方便地安装在集装箱普通吊具或专用吊具上，在门吊对集装箱进行吊装作业的同时，智能动态检测集装箱吊装作业中f-tr锁未脱锁和未落锁的安全隐患，同时也具有显示集装箱超重、偏载、偏重的辅助功能，并且能够无线传送到门吊操作室的检测仪表，检测仪表将计算和显示故障信息，并发出报警信号。采用监控倾斜角度、根据偏载、偏重量监控集装箱达到相应临界值，以及根据力监控集装箱各锁的力及力增量变化对集装箱起吊过程进行实时监控，进一步提高了可靠性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的原理结构示意图；
图2为本发明实施例中进行集装箱不脱锁的受力分析示意图一；
图3为本发明实施例中进行集装箱不脱锁的受力分析示意图二；
图4为本发明实施例中对偏载量进行监时的原理示意图；
图中：1.吊具，2.钢丝绳，3.称重式传感器，4.倾角传感器，5.集装箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细的阐述。
实施例：如图1所示，一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控方法，是在集装箱吊具1钢丝绳2上设置称重式传感器3，在集装箱吊具1上设置倾角传感器4和数据采集及无线发射电源模块盒（图中未示出），在吊具操作室内设置中央处理器、显示器和无线接收机（图中未示出）；通过称重式传感器3和倾角传感器4采集数据后，利用数据采集及无线发射电源模块盒将数据发送给无线接收机，再通过中央处理器对数据进行监控，以判断是否出现未脱锁或未落锁情况后并显示在显示器上。在现有技术中直接采用拉力传感器测量吊具四个角部在吊运过程中的拉力，但是将拉力传感器安装到吊具四个角部时的安装结构非常复杂且同一种拉力传感器不能适用于各种规格吊具的安装，通用性不强，而本实施例不用改变吊具的原有结构，而是利用称重式传感器3测得吊具钢丝绳2的拉力数据配合倾角传感器4测得吊具1倾斜角度的数据，通过中央处理器的计算就能间接计算出吊具四个角部在吊运过程中的拉力，从而使得本实施例能实时监控f-tr锁的脱、落锁状态，可靠性和安全性强且结构简单，安装方便，适用性强。
对未脱锁的判断是从以下三个方面进行监控的：
一）、在起吊集装箱的过程中，实时监控集装箱的倾斜角度，通过倾斜角度来判断是否出现脱锁情况；
二）、在起吊集装箱的过程中，实时监控集装箱的偏载、偏重量来判断是否出现脱锁情况；
三）、在起吊集装箱的过程中，实时监控集装箱四个角部的f-tr锁力及力增量变化来判断是否出现脱锁情况；
当其中任意一个方面判断出未脱锁情况时，中央处理器内设置的控制系统自动发出未脱锁报警。
由于在吊装集装箱的过程中，判断集装箱f-tr锁是否脱锁的工况非常复杂，不但4个f-tr锁未脱锁的情况均需要组合分析，而且集装箱的载重量、偏载及偏重量均不相同且未知，同时集装箱起吊初期根据操作规程采用的方法是低速并多次启停的变速模式，为此，本实施例采用上述三种监控方法对集装箱起吊过程进行实时监控，进一步提高了可靠性和安全性。
在第一）方面的监控中是在控制系统中设置一个临界角度值，利用倾角传感器实时监控集装箱的倾斜角度，当集装箱的倾斜角度等于临界值角度时，控制系统自动发出未脱锁报警。
临界角度值包括沿集装箱纵向的倾斜临界角度值一和沿集装箱横向的倾斜临界角度值二，当倾角传感器实时监控到集装箱纵向的偏重角度值达到倾斜临界角度值一时或集装箱横向的偏载角度值达到倾斜临界角度值二时，控制系统自动发出未脱锁报警。
当集装箱为20英尺集装箱时，倾斜临界角度值一设置为3度，倾斜临界角度值二设置为1.5度。在起吊过程中，沿集装箱纵向（x向）倾斜称为偏重，沿集装箱横向（y向）倾斜称为偏载，我们通过对集装箱未脱锁对平车受力的分析，设定了保护平车安全的单个集装箱角件对平车拉力临界值为3吨，通过对集装箱未脱锁复杂工况的分析，设定了集装箱纵向倾斜角度临界值为3度、横向倾斜角度临界值为1.5度（此数据仅对应于20英尺集装箱，40英尺集装箱对应其相应的储存数据）；我们通过对集装箱未脱锁对平车受力的分析，设定了保护平车安全的单个集装箱角件对平车拉力临界值为3吨；通过对集装箱未脱锁复杂工况的分析，设定了倾斜临界角度值一（即偏重临界角度值）为3度、倾斜临界角度值二（即偏载临界角度值）为1.5度。
对于上述结果，下面分以下几个步骤进行分析：
1.集装箱f-tr锁脱锁原理：
当起吊集装箱时，集装箱受到垂直向上的作用力，集装箱的角件在f-tr锁的锁头下锥面的作用下，使集装箱产生旋转，旋转0.34度后脱离锁头，集装箱成功吊离。
2、产生不脱锁的原因分析：
a）、如果集装箱起吊时，不按卸箱操作规程操作，而是直接快速地将集装箱吊离车体，这有可能导致集装箱未完全脱离锁头就水平吊离，将造成集装箱、平车整体脱轨的安全事故。
b)、如果集装箱落箱不平稳，发生剧烈的碰撞，易造成锁头变形，导致集装箱可能不能落箱或落箱后不能起箱。
c)、如果锁头方向或中心距安装不正确，将导致集装箱不能落箱或脱箱，或者集装箱不能被正确锁固，影响集装箱运输安全。
3、集装箱f-tr未脱锁的判别：
根据实践经验，在起吊集装箱的脱锁过程中，集装箱角件出现不脱锁的情况，可能是集装箱1个角件不脱锁或2个角件不脱锁，也有可能是3个或4个不脱锁。特别在使用普通吊具起吊集装箱的情况下，由于集装箱偏载、偏重以及出现1个角件或2个角件不脱锁的情况，均会造成集装箱发生x方向和y方向的偏转及倾斜，当倾斜角度未达到临界值时，这时即使是集装箱角件出现未脱锁的情况，其角件处的拉力也无明显的增加。所以对集装箱f-tr未脱锁的判别，完全从力的增量来判别是难以做到的。
本系统对集装箱f-tr未脱锁的判别，采取的是倾角+力综合判断的原理。系统对判断未脱锁倾角的临界值设置为：x方向为3度，y方向为1.5度（此数据仅对应于20尺集装箱，40尺集装箱对应其相应的储存数据）。下面以设置x方向的临界值为3度为例来说明设置的理由。
该临界值的设计首先考虑的是，当集装箱倾斜达到3度时，在集装箱发生未脱锁的情况下，对平车产生的拉力，不会造成平车的损坏。同时也考虑到，集装箱发生3度倾斜时，脱锁的角已离开平车300mm，可以人为看出集装箱已有明显的倾斜。并且当一个平板车上装有两个集装箱时，当吊装其中一个集装箱时，发生3度倾斜时不会碰到另一个集装箱。3度临界值的设置也可以通过现场的实际使用情况及用户的要求进行修正，最终达到最佳的使用效果。
下面进行集装箱不脱锁的受力分析：
为了简化分析，避免复杂的数学运算，我们使用吊具的一边来分析。
a、假设吊具两角件a和b端处集装箱的拉力都为m,即ma=mb=m，这时吊具处于水平状态，重心在吊具的中间位置e。
如图2所示，吊具（ab）长为581cm，宽为246cm，钢丝绳长l为362cm，则：ae=be=581cm/2=290.5cm，
吊环距吊具的高度为h=sqr(3622-1712-1232)=294cm。
b、假设吊具的b端集装箱的拉力仍为m，但a端由于偏重或未脱锁的情况，其拉力增加了dm，为m+dm。这时吊具要发生倾斜，设倾角为3度，这时b端显然已经脱锁，并抬高了300mm。
如图3所示：我们来计算增加的拉力dm。
这时重心的位置发生了变化，向a端偏移量：
ce=h*sin(3)=15cm
ab=581cm*cos(3)=580cm
ac=580/2-15=275cm
cb=580/2+15=305cm
根据力矩平衡原理ma*ac=mb*cb即(m+dm)*275=m*305
得出：dm=0.11m，ma=1.11m，mb=m，a端的拉力比b端大了11%。
结论：在倾斜3度时，未脱锁的勾的拉力比脱锁的勾的拉力增大约11%左右。
下面对使用倾角3度判别集装箱一端未脱锁（同端1个锁或2个锁）对平车拉力的分析：
1、集装箱不偏重情况下一端不脱锁：
假设a端不脱锁，并且集装箱起吊倾斜达到了3度，这时，a端的拉力比b端大11%。再按最不利的情况分析，集装箱是一个30t的重箱。则：b端的拉力：mb=m=30t/4=7.5t，a端的拉力：ma=8.25t，增量：dm=0.75t，即：集装箱未脱锁角件对平车的拉力为0.75t。由于铁路集装箱专用平车车体质量≧12t，得出：dm=0.75t≦12t/4。
结论：在集装箱不偏重的情况下，发生3度倾斜时，平板车受到的拉力较小，是安全的。
2、集装箱偏重方向的一边未脱锁：
假设a端偏重并未脱锁，当a端偏重大于b端重量的11%时，吊具发生3度倾斜，平板车a端非但没有受到上拉的力，反而承受压力，其压力为ma-mb。
结论：在集装箱a端偏重并未脱锁的情况下，发生向a端3度倾斜时，平车非但没有受到上拉的力，反而承受压力，是安全的。
3、集装箱偏重的反方向一边未脱锁：
假设a端偏重达到《铁路货物装载加固规则》规定最大临界值4吨,集装箱满载30吨，b端未脱锁，a端脱锁，集装箱倾斜3度时，则：a端的拉力：ma=（30+4）/4=8.5t，b端的拉力：mb=8.5x1.11=，
9.4t，减去b端集装箱的重量即为对平车的拉力：9.4-（30-4）/4=2.9t≦3t。
结论：在集装箱偏重的反方向一边未脱锁的情况下，发生3度倾斜时，即使在极端情况下，平板车受到的拉力也小于3吨，是安全的。
如图4所示，在第二）方面的监控中偏载量的监控，是在控制系统中设置一个临界偏离距离值，在监控时利用称重式传感器测得的集装箱吊具钢丝绳的拉力数据配合倾角传感器测得的集装箱吊具的倾斜角度数据计算出集装箱吊具四个角部的负载拉力，通过四个角部的负载拉力计算出集装箱重心位置g，再计算出集装箱重心位置g偏离纵向中心线k的距离值，当集装箱重心位置偏离纵向中心线的距离值等于临界偏离距离值时，控制系统自动发出未脱锁报警；偏重量的监控，是在控制系统中设置一个临界偏重量值，依据计算出的集装箱吊具四个角部的负载拉力，再计算出集装箱的偏重量，当集装箱的偏重量等于临界偏重量值时，控制系统自动发出未脱锁报警。
所述临界偏离距离值和临界偏重量值，依据《铁路货物装载加固规则》规定设置，临界值的设置也可以由使用单位在使用中根据实践情况适当调整，从而最终达到最佳的使用效果。在本实施例中，依据《铁路货物装载加固规则》规定的偏载、偏重数值，设定了临界偏离距离值为100mm，20英尺集装箱临界偏重量值4t、40英尺集装箱临界偏重量值8t。
如果已知四个传感器测出的力sf1—sf4，以及钢丝绳的长度，吊具的几何尺寸，通过力与力矩平衡原理，在x、y、z三个平面可列出6个方程，我们就可以求出4个分力f1—f4及x方向的倾角和y方向的倾角。由于直接求解函数方程是非常复杂的，必须通过逐次逼近法进行求解，这样会影响系统计算的实时速度，另一方面由于钢丝绳和吊具尺寸的测量偏差也会影响计算精度，因此，我们在吊集装箱具上加装角度传感器，在吊装过程中直接测量吊具x方向和y方向的倾斜角度，再以重心为参照点分解成4个独立平面来分析，大大简化了计算，提高了计算速度和精度。
在第三）方面的监控中是在起吊集装箱的过程中，通过每次采样对力的变化和时间间隔的计算，自动排除点动停车的过程，计算出集装箱起吊的速度，并保存在系统的存储器里，并且能够不断进行更新和自行学习，通过此计算出的速度，中央处理器实现了智能识别集装箱起吊过程中的上升位置和力的变化量，通过采样力的变化和时间间隔的累计，控制系统智能识别集装箱的重量和上升位置，如果到达一定的时间位置，某个集装箱角部f-tr锁的拉力还快速增加，控制系统自动发出未脱锁报警。
对于集装箱出现对角2个锁未脱锁以及3个锁、4个锁不脱锁的情况，系统通过以下原理智能识别来进行判断：控制系统在起吊集装箱的过程中，对钢丝绳的拉力高速采样和计算，通过每次采样对有力的变化和时间间隔的计算，自动排除点动起吊的过程。在每次正常脱锁的过程中，系统可以计算出集装箱起吊的速度和到达脱锁的位置距离，并保存在系统的存储器里，同时不断进行更新和学习。如果在起吊过程中倾角始终小于0.5度，通过采样力的变化和时间间隔的累计，系统智能识别集装箱的重量和上升位置，如果到达一定的时间位置，某个锁的拉力还快速增加，控制系统即做出未脱锁报警提示。
本实施例对未落锁的判断是在控制系统中设置吊具的原始角度，当将集装箱吊运到平板车上后，利用倾角传感器对吊具的倾斜角度进行监控，当吊具的倾斜角度与吊具原始角度不相等时，控制系统自动发出未落锁报警。
当吊具从地面或其他物体上吊起集装箱并放到平板车上进行落锁时，当吊具放下后，旁压传感器拉力为0，如果有未落锁的情况发生，无论是集装箱角件落在了平车上或落在f-tr锁上但未落锁，集装箱均会发生倾斜，系统通过吊具原始角度和倾斜角度的比较进行识别，并发出未落锁报警。
如图1所示，本实施例还公开一种集装箱f-tr锁的脱、落锁监控系统，其包括设置在集装箱吊具1钢丝绳2上的称重式传感器3、设置在集装箱吊具1上的倾角传感器4、数据采集及无线发射电源模块盒和设置在吊具操作室内设置中央处理器、显示器以及无线接收机。
所述称重式传感器3采用旁压式称重传感器，共设置有四个；四个旁压式称重传感器3分别设置在集装箱吊具的四根钢丝绳2上，集装箱的吊具1为矩形状。
综上，本发明可以非常方便地安装在集装箱普通吊具或专用吊具上，在门吊对集装箱进行吊装作业的同时，智能动态检测集装箱吊装作业中f-tr锁未脱锁和未落锁的安全隐患，同时也具有显示集装箱超重、偏载、偏重的辅助功能，并且能够无线传送到门吊操作室的检测仪表，检测仪表将计算和显示故障信息，并发出报警信号。采用监控倾斜角度、根据偏载、偏重量监控集装箱达到相应临界值，以及根据力监控集装箱各锁的力及力增量变化对集装箱起吊过程进行实时监控，进一步提高了可靠性和安全性。
本实施例中所述的“多个”即指“两个或两个以上”的数量。以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。