張翔宇 楊曦 張赫

1.中國鐵路上海局集團有限公司徐州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，江蘇徐州 221000；2.中國中鐵四局集團第四工程有限公司，合肥 230041

高速鐵路裝配式構(gòu)件廠生產(chǎn)的構(gòu)件種類多、數(shù)量大，而構(gòu)件廠占地面積有限，因此裝配式構(gòu)件的運輸和養(yǎng)護工作的組織和管理較為困難。構(gòu)件在運輸過程中常因碰撞而損壞，構(gòu)件的出廠質(zhì)量也難以保證［1］。目前，學(xué)者們針對運輸與養(yǎng)護工作的安全性和效率作了大量研究。吳海等［2］在綜合分析多種運輸方式的基礎(chǔ)上對運輸裝備進行了改進。賀智敏［3］對構(gòu)件在養(yǎng)護過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題進行分析，總結(jié)了影響構(gòu)件質(zhì)量的主要因素。高菲菲［4］從混凝土的材料出發(fā)，對構(gòu)件的養(yǎng)護工藝進行了研究，制定了合理的養(yǎng)護制度。鞏高鑠等［5］分析了裝配式構(gòu)件生產(chǎn)流程，設(shè)計了構(gòu)件實時追蹤系統(tǒng)對生產(chǎn)進行監(jiān)控。郎祎等［6］將信息技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路裝配式構(gòu)件廠的管理中，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。張樹輝等［7］從裝配式構(gòu)件廠組織架構(gòu)和管理體系兩方面探討了提升產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

以往研究集中于運輸裝備改造、養(yǎng)護工藝改進、管理體系改善等，但在應(yīng)用中還是依賴于人工操作，實際效果難以保證。為實現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化、自動化，課題組對高速鐵路裝配式構(gòu)件智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)進行了研究，將自動導(dǎo)引車［8］（Automated Guided Vehicle，AGV）改造為智能運輸車和智能養(yǎng)護車，將倉庫管理信息及構(gòu)件信息作為原始數(shù)據(jù)，實時記錄構(gòu)件及作業(yè)車輛位置、狀態(tài)，并在中央控制系統(tǒng)的管理下自動有序作業(yè)，為高速鐵路建設(shè)節(jié)省費用、縮短工期。

1 高速鐵路裝配式構(gòu)件智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)包括倉庫管理模塊、任務(wù)執(zhí)行模塊和安全模塊。

1）倉庫管理模塊

倉庫管理模塊負責(zé)運輸與存放過程中存儲區(qū)所有庫位的信息監(jiān)控與更新工作，并為運輸與養(yǎng)護任務(wù)的分配和執(zhí)行提供信息。倉庫管理模塊的功能：記錄構(gòu)件出入庫時間、出入庫構(gòu)件種類、每日出入庫構(gòu)件數(shù)量、構(gòu)件移庫歷史，實時顯示存儲區(qū)庫存信息。

2）任務(wù)執(zhí)行模塊

任務(wù)執(zhí)行模塊主要由智能運輸車與智能養(yǎng)護車組成。車輛通過與倉庫管理模塊相連接，根據(jù)存儲情況及構(gòu)件信息，運輸車與養(yǎng)護車自動進行構(gòu)件搜索和線路優(yōu)化，根據(jù)下達的指令實現(xiàn)構(gòu)件安全運輸與全面養(yǎng)護，并自動反饋構(gòu)件狀態(tài)，更新倉庫管理模塊中的構(gòu)件信息。

3）安全模塊

運輸與養(yǎng)護車在運行過程中主要存在碰撞障礙物，托運的構(gòu)件發(fā)生偏斜、傾倒等安全隱患。安全模塊由防碰撞系統(tǒng)和構(gòu)件姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。防碰撞系統(tǒng)由車體前后倉門和前后對角處激光防撞傳感器組成，當距障礙物距離小于設(shè)定的安全距離時電路斷路器將啟動，終止任務(wù)并發(fā)出警報。構(gòu)件姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由專用運輸架及其上的傳感器構(gòu)成，當傳感器監(jiān)測到多點不平衡力且超過設(shè)定的安全閾值時停止運行并發(fā)出警報，工作人員在確認安全的情況下近前加固處理。

1.2 構(gòu)件運輸與養(yǎng)護流程設(shè)計

1.2.1 構(gòu)件運輸流程

智能運輸車的基本功能是根據(jù)裝配式構(gòu)件的生產(chǎn)速度及時將生產(chǎn)的構(gòu)件運輸至存儲區(qū)。自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)的裝配式構(gòu)件吊裝至三個下料點臺座上，通過下料點上位機給智能運輸車下達命令。智能運輸車根據(jù)呼叫位置、呼叫時間分配任務(wù)。智能運輸車完成取料作業(yè)后按照系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)劃的路徑運行至程序分配的存儲空位點，完成放料作業(yè)后原路返回至生產(chǎn)線等待下一輪的運輸任務(wù)。

1.2.2 構(gòu)件養(yǎng)護流程

智能養(yǎng)護車通過上位機設(shè)置的養(yǎng)護任務(wù)定時啟動程序。根據(jù)庫位存儲情況，自動優(yōu)化路線。智能養(yǎng)護車在噴淋專用通道上以S形路徑連續(xù)行走并自動噴淋。噴淋過程中自動判別該位置有無裝配式構(gòu)件，無裝配式構(gòu)件則不再進行噴淋養(yǎng)護。在水箱缺水或者電量不足的情況下會自動返回至待機工位補水充電。

2 構(gòu)件智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)硬件設(shè)計

高速鐵路裝配式構(gòu)件智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)硬件部分須具備智能車輛導(dǎo)航功能、構(gòu)件智能運輸功能及智能養(yǎng)護功能，實現(xiàn)高速鐵路裝配式構(gòu)件運輸與養(yǎng)護的智能化和信息化。

2.1 自動導(dǎo)航設(shè)計

智能車輛目前使用比較廣泛的導(dǎo)航方式有磁條導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等［9］。由于裝配式構(gòu)件廠環(huán)境復(fù)雜，障礙物多，因此采用了安全系數(shù)高的磁條導(dǎo)航方式［10］。

根據(jù)規(guī)劃的智能運輸車與智能養(yǎng)護車行進路線將磁條埋入地面以下1 cm深度處，如圖1所示。車輛運行過程中，通過底盤的磁導(dǎo)航傳感器采集磁場的強度信息，并通過磁條的相對位置進行糾偏。同時，在行進路線間隔一定距離埋設(shè)RFID（Radio Frequency Identification）標簽，車輛讀取標簽后將信息上傳至控制端主機。主機根據(jù)標簽內(nèi)容確定智能車相應(yīng)空間位置并向智能車發(fā)出行動命令。根據(jù)激光雷達設(shè)備對路線周邊物體的感知對車輛行進路線進行微調(diào)，自動導(dǎo)航系統(tǒng)精度可達1 cm。

圖1 埋地導(dǎo)航磁條

2.2 智能運輸車的設(shè)計

智能運輸車包括前后端控制倉和裝配式構(gòu)件托舉機構(gòu)，見圖2。倉門表面布置操控按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、工作狀態(tài)指示燈以及可顯示車輛內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)的人機操作面板。在前后倉門表面還設(shè)計了可以切斷整車工作電源的紅色蘑菇頭急停按鈕。倉內(nèi)有整車的電氣控制系統(tǒng)，包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PCL）、伺服驅(qū)動器、斷路器等電氣元件。

圖2 智能運輸車構(gòu)造

智能運輸車配置2個驅(qū)動單元。每個驅(qū)動單元對2個驅(qū)動輪進行操控并采用差速驅(qū)動原理實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)彎等動作。智能運輸車的舵輪采用橡膠走行輪，其運行阻力主要由滾動阻力Fg和坡度阻力Fp組成。計算公式為

其中：m1為車體質(zhì)量，為1 000 kg；m2為搬運的混凝土裝配式構(gòu)件質(zhì)量，設(shè)計值為3 000 kg；f為廠區(qū)路面滾動阻力系數(shù)，通常在0.018～0.02取值；g為重力加速度；α為道路坡度，最大值為3°。

計算可得Fg=0.78 kN，F(xiàn)p=2 kN。

智能運輸車運行總阻力矩M為

式中：R為輪徑。

由式（3）可知，輪徑越小則總阻力矩越小。據(jù)此選用了上海同毅超低型舵輪。該舵輪為目前國內(nèi)最小輪徑（0.265 m）的舵輪，轉(zhuǎn)動時需要克服的最大阻力矩為0.736 kN·m。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的高精度控制，2個舵輪選用行走與轉(zhuǎn)向一體的臥式舵輪。這種雙舵輪組成的輪組具有2個特點：輪組整體高度低，能很好適應(yīng)構(gòu)件臺座高度的要求；采用伺服電機并搭配絕對值編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)各種工況下走行與轉(zhuǎn)向的高精度控制，搭載構(gòu)件的質(zhì)量達到最大設(shè)計值3 000 kg時，最高行駛速度可達45 m∕min。

智能運輸車以自動伺服頂升板作為構(gòu)件的托舉與運輸平臺。頂升機構(gòu)中2根螺旋升降桿通過2個伺服驅(qū)動器一對一控制，最大頂升高度可達70 mm，頂升速度10 mm∕s。2個驅(qū)動器同步上升和下降，確保構(gòu)件在頂升板上快速平穩(wěn)移動。當混凝土構(gòu)件被放置到取料臺座時智能運輸車通過向上移動頂升板完成取料動作，將構(gòu)件運輸至存儲位置后降低頂升板放置構(gòu)件。

2.3 智能養(yǎng)護車的設(shè)計

智能養(yǎng)護車由自動導(dǎo)航底盤和上部智能噴淋裝置組成，見圖3。自動導(dǎo)航底盤包括自動充電口與操作面板，并通過螺栓與上部噴淋裝置連接固定。噴淋裝置包括水泵、自動充電口、自動補水口、噴管、霧化噴頭等裝置。

圖3 智能養(yǎng)護車構(gòu)造

為了提高存儲區(qū)的利用率，規(guī)劃存儲區(qū)采用通道方式，每兩條運輸通道中間有一條噴淋通道。為提高噴淋效率，智能養(yǎng)護車的噴水管道采用雙翼模式，噴淋車噴淋作業(yè)時可同時對兩側(cè)的構(gòu)件進行噴淋養(yǎng)護?？紤]到噴水管在高壓水流作用下會產(chǎn)生抖動，所以采用了噴水管與鋼管相結(jié)合的設(shè)計，這樣不僅保證了水流噴灑方向的穩(wěn)定，而且提高了結(jié)構(gòu)強度。

為了實現(xiàn)噴水壓力可調(diào)并保持水壓穩(wěn)定，防止電流或電壓過大、設(shè)備過熱，噴淋裝置采用帶逆變器的DC48?AC380的電源。同時，為保證噴淋系統(tǒng)供水及時，在智能養(yǎng)護車待機工位設(shè)置供水裝置，噴淋車水箱內(nèi)部設(shè)置液位檢測裝置，通過當前液位高度判斷是否對水箱進行補給。

智能養(yǎng)護車根據(jù)倉庫管理信息對存儲構(gòu)件進行選擇性噴淋。若當前庫位構(gòu)件已完成養(yǎng)護周期，或當前庫位空則不噴淋，做到智能識別，智能養(yǎng)護，精確執(zhí)行噴淋任務(wù)，節(jié)約水資源。

3 構(gòu)件智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)軟件由調(diào)度模塊和倉庫管理模塊兩部分組成。調(diào)度模塊通過任務(wù)調(diào)度模式來協(xié)調(diào)運輸與養(yǎng)護作業(yè)的執(zhí)行和輔助管理各個任務(wù)單元，并通過實時接收和傳遞任務(wù)指令來協(xié)作完成執(zhí)行任務(wù)的車輛與倉庫管理模塊之間的通信，便于倉庫管理模塊對車輛實時控制。

3.1 調(diào)度模塊

3.1.1 路徑控制子模塊

為了降低智能運輸車與養(yǎng)護車行走過程中對網(wǎng)絡(luò)的依賴性，通過下發(fā)路線對車輛運行進行控制。采用路線規(guī)劃算法計算出最優(yōu)行走路線（圖4）后，將路線上的動作點及點上的動作在啟動之前一起下發(fā)到智能運輸車與養(yǎng)護車的控制主機上。車輛啟動后若檢測到地標（坐標）變化則自動查詢緩存中有無對應(yīng)的地標（坐標）。若有則執(zhí)行對應(yīng)的動作，若無則保持現(xiàn)有狀態(tài)。動作指令的緩存信息中包括本次任務(wù)往返路線上所有的地標信息，包含直行倒退、旋轉(zhuǎn)、加速、減速、停車、舉升、下放、無（表示與前一個地標執(zhí)行相同的動作）等指令。同一個地標在運輸車與養(yǎng)護車往返時的含義可能不同，如第一次經(jīng)過該標簽時為順時針旋轉(zhuǎn)90°，返回時為逆時針旋轉(zhuǎn)90°；出發(fā)時為加速，返回時為減速。為防止轉(zhuǎn)彎速度過快導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻，通常轉(zhuǎn)彎點的前一個地標為減速，后一個地標為加速，使車輛回到正常運行速度。

圖4 智能運輸車最優(yōu)行走路線

3.1.2 交通管制子模塊

當有多個智能運輸車和智能養(yǎng)護車同時執(zhí)行任務(wù)，在有限的空間中車輛可能發(fā)生碰撞。調(diào)度模塊為多臺智能運輸車和養(yǎng)護車分配相應(yīng)的任務(wù)，下發(fā)相應(yīng)路線并通過輪番查詢的方式獲取車輛的實時位置，計算車輛運行過程中的碰撞點、互鎖點、死鎖點等，針對容易會車的地標和路段進行交通管制。調(diào)度模塊給每個執(zhí)行任務(wù)中的車輛配置相應(yīng)的優(yōu)先級，保證優(yōu)先級高的車輛先行通過。若車輛運行路線有重疊，車輛按照相應(yīng)的優(yōu)先級依次通過重疊路段，避免會車、擁堵。

3.2 倉庫管理模塊

倉庫管理模塊負責(zé)運輸過程中存儲區(qū)所有庫位信息的監(jiān)控與更新。智能運輸車和智能養(yǎng)護車均依據(jù)倉庫管理模塊提供的數(shù)據(jù)進行構(gòu)件的運輸和養(yǎng)護。倉庫管理模塊操作終端主界面見圖5。中間顯示存儲區(qū)信息，包括運行路線、站點、通道、庫位。黃色線條代表倉庫內(nèi)智能運輸車和智能養(yǎng)護車的行進路線，線條上黑色小點為需要轉(zhuǎn)向和執(zhí)行任務(wù)（托起、放下、噴淋）的位置。庫位用不同顏色表示狀態(tài)，藍色庫位表示已占用，紅色庫位表示已分配、等待構(gòu)件存入的庫位，綠色庫位表示空閑庫位。底部顯示智能運輸車和智能養(yǎng)護車當前狀態(tài)信息和任務(wù)信息，右邊為入庫、出庫、移庫、噴淋的功能按鈕。

圖5 倉庫管理模塊操作終端主界面

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

連云港至徐州鐵路LXZQ?1標段位于連云港市海州區(qū)及東海縣境內(nèi)，正線里程DK0+000—DK48+788.63，長度47.701 km（不包含已建成段），鋪軌長度362.19 km。沿線車站工程含新建連云港站工程、新建東海站工程、邳州東站改造工程。標段內(nèi)橋涵工程含大橋7座，橋梁總長42.242 km，占線路總長度的89%；中橋1座，小橋3座；涵洞共計29個。同時，為給后期運營期動車保養(yǎng)和維修工作提供場地，設(shè)立1個動車存車場和1個動車維修場。

4.2 生產(chǎn)任務(wù)及效益

為保證工程順利進行，于DK25+000線路右側(cè)500 m處設(shè)立連徐鐵路裝配式構(gòu)件廠，實現(xiàn)DK0+000—DK48+788.63區(qū)段裝配式構(gòu)件的供應(yīng)。裝配式構(gòu)件廠的構(gòu)件類型有遮板、欄桿、電纜槽蓋板等，構(gòu)件數(shù)量超過79萬塊，鋼筋5 000 t，混凝土3萬m3，預(yù)埋件470 t。詳細生產(chǎn)任務(wù)見表1。構(gòu)件總數(shù)792 760塊。

表1 裝配式構(gòu)件生產(chǎn)任務(wù)

為驗證智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)的經(jīng)濟效益，連徐鐵路裝配式構(gòu)件廠設(shè)計了一條試驗生產(chǎn)線。試驗生產(chǎn)線生產(chǎn)構(gòu)件的速度同傳統(tǒng)生產(chǎn)線一致，每小時生產(chǎn)20塊配件。試驗生產(chǎn)線采用智能運輸與養(yǎng)護系統(tǒng)進行構(gòu)件的運輸與養(yǎng)護，根據(jù)廠區(qū)大小，每臺智能運輸車平均每小時能完成10.4塊配件的運輸，因此為試驗生產(chǎn)線配備2臺智能運輸車和1臺智能養(yǎng)護車。而傳統(tǒng)生產(chǎn)線須配備1輛叉車和2個工人進行運輸作業(yè)，同時還須配備1個工人進行養(yǎng)護管理。

將試驗生產(chǎn)線運輸與養(yǎng)護的成本同傳統(tǒng)生產(chǎn)線進行比較。傳統(tǒng)生產(chǎn)線中叉車臺班費為45元，每臺班油費為840元，人工費為200元∕人，即傳統(tǒng)生產(chǎn)線每臺班成本為1 485元。而試驗生產(chǎn)線中智能運輸車和智能養(yǎng)護車臺班費為275元∕輛，每臺班電費為22.5元，試驗生產(chǎn)線每臺班成本為847.5元，較傳統(tǒng)生產(chǎn)線每臺班可節(jié)省637.5元。

5 結(jié)語

本文基于機械化、專業(yè)化、數(shù)字化、智能化的建造理念，在硬件方面研發(fā)了基于AGV小車改造的智能運輸車和智能養(yǎng)護車；在軟件方面開發(fā)了調(diào)度模塊對智能運輸車與智能養(yǎng)護車的運行進行管控，開發(fā)了倉庫管理模塊對構(gòu)件的存放進行管理，實現(xiàn)了信息化管理、實時監(jiān)控、自動化作業(yè)的研究目標。

通過在連徐鐵路裝配式構(gòu)件廠中的應(yīng)用，2臺智能運輸車與1臺智能養(yǎng)護車可以與產(chǎn)品生產(chǎn)速度相匹配，基本可以實現(xiàn)無人化、標準化作業(yè)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，試驗生產(chǎn)線不僅節(jié)約了運輸、養(yǎng)護、倉庫管理的人力成本，而且充分利用了存儲空間，構(gòu)件擺放整齊美觀。同時，保證了數(shù)據(jù)可查詢、可追溯，提高了構(gòu)件質(zhì)量和生產(chǎn)、管理效率。