雷曉麗

（神華鐵路裝備有限責任公司教育培訓中心(技能鑒定站)，內(nèi)蒙古包頭， 014060）

0 引言

在鐵路貨車車輛檢修中，貨車車型多樣且檢修要求不一，而車輛檢修設(shè)備設(shè)施相對固定，不能達到自動化的智能維修效果，因此需要一條能滿足不同車型檢修需求的生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線需同時考慮物料供應(yīng)的復雜性、生產(chǎn)線狀態(tài)的不斷切換、嚴格的物料需求時限，加之有限、及時的庫存補給，才能保證檢修作業(yè)流暢進行。

近年來，隨著鐵路車輛自動化數(shù)字化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，貨車運行過程中產(chǎn)生大量的安全質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對貨車檢修決策有著重要意義；同時，貨車檢修現(xiàn)場智能化設(shè)備的不斷增加，為更好地利用智能化工裝感知貨車檢修現(xiàn)場動態(tài)提供了便利條件。

物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興的集多種先進技術(shù)為一體的智能化網(wǎng)絡(luò)，它將傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)建立有效連接，打造信息高速通道，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于貨車檢修物流系統(tǒng)中，憑借其廣泛的信息采集和分析能力對貨車檢修進行可視化管理，準確掌握貨車部件配送區(qū)域、物料配送時機，使得物料配送、供應(yīng)更加精準，從而使貨車檢修更加高效化、智能化[1]。

1 需求分析和建設(shè)目標

隨著科學技術(shù)的進步和貨車檢修需求的提高，鐵路相關(guān)利益方對鐵路貨車檢修效率有了更高的期待和要求，迫切需要在貨車檢修過程中采取智能化、自動化物流系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)的人工作業(yè)在運輸效率、經(jīng)濟效益、安全保障等方面的問題。近幾年，隨著鐵路車輛全生命周期數(shù)字化管理的逐步實施，鐵路貨車歷史運行、維修數(shù)據(jù)實現(xiàn)了可實時查詢，但在貨車檢修過程中，對該數(shù)據(jù)的智能化利用還存在一些問題，主要是在檢修現(xiàn)場的某些環(huán)節(jié)和整體規(guī)劃上，未實現(xiàn)全過程的數(shù)據(jù)采集分析和現(xiàn)場狀態(tài)的全面感知和管控。貨車檢修智慧物流系統(tǒng)重大需求分析示意圖見圖1。

為了進一步滿足鐵路貨車檢修高效率要求和適應(yīng)鐵路貨車維修系統(tǒng)自動化智能化快速發(fā)展的趨勢，有必要建立以物聯(lián)網(wǎng)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)，其具體建設(shè)目標如下：

圖1 貨車段修智慧物流系統(tǒng)重大需求分析示意圖

（1）將無線射頻讀取識別、圖像識別校對、物聯(lián)網(wǎng)等一系列技術(shù)應(yīng)用于貨車檢修過程，實現(xiàn)貨車檢修物流自動化、智能化；

（2）構(gòu)建覆蓋貨車檢修過程各環(huán)節(jié)管理的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，幫助管理者洞察現(xiàn)場動態(tài)，為貨車檢修管理提供新手段；

（3）在智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)的合理調(diào)度下，實現(xiàn)貨車檢修現(xiàn)場各設(shè)備的自動化、智能化統(tǒng)一管理，降低貨車檢修過程中設(shè)備對傳統(tǒng)人工管理的依賴；

（4）構(gòu)建貨車檢修物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)資源庫，建立以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的貨車檢修監(jiān)控與智能分析系統(tǒng)，實現(xiàn)配件、物料智能運輸調(diào)度，打造滿足“智慧工廠”內(nèi)在需求的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)，解決貨車檢修運輸效率、經(jīng)濟效益、安全保障等方面的問題。

2 系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)鐵道部發(fā)布的《鐵路貨車段修規(guī)程》（鐵運〔2012〕202號）,貨車段修需先完成車牌識別，而后基于識別結(jié)果，對待修貨車進行拆解、清潔、測量、探傷、維修、組裝等一系列處理，最終通過跑合實驗驗證貨車段修結(jié)果，其具體流程示意圖如圖2所示。

基于該流程，對貨車檢修物流系統(tǒng)自動化、智能化關(guān)鍵技術(shù)進行研究，并引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)。

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)構(gòu)建貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的關(guān)鍵包括云、管、端3個部分。云是物聯(lián)網(wǎng)的大腦，是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的核心，利用云計算平臺為物聯(lián)網(wǎng)提供數(shù)據(jù)分析、存儲、計算，甚至是遠程控制和決策；管是聯(lián)系終端與云端的重要通道，目前有無線射頻識別、圖像識別與校對、MEMS感知技術(shù)、信息智能處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)等接入方式；端是物聯(lián)網(wǎng)的感知觸角，是物聯(lián)網(wǎng)的主要數(shù)據(jù)來源，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用場景的不同，終端形態(tài)也各不相同，為降低終端入云的門檻，通過提供SDK等方式屏蔽底層物聯(lián)網(wǎng)終端的多樣性。

圖2 貨車段修車間區(qū)域劃分及段修流程示意圖

以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

感知層即各種終端設(shè)備層，通過無線射頻傳感器、圖像識別傳感器、激光位移傳感器等智能終端設(shè)備采集各類信息，并通過內(nèi)置MCU處理信息，儲存在本地數(shù)據(jù)庫。

網(wǎng)絡(luò)層負責數(shù)據(jù)解析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)云存儲、流式計算、信息分發(fā)和規(guī)則處理，形成數(shù)據(jù)匯集資源庫。

在對數(shù)據(jù)采集、處理的基礎(chǔ)上，形成應(yīng)用層。根據(jù)功能劃分，貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的應(yīng)用層包括貨車信息智能調(diào)取系統(tǒng)、智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)、更換件智能校對系統(tǒng)和配件尺寸智能測量系統(tǒng)，并可通過移動監(jiān)控終端與主控制臺進行訪問。

3 貨車檢修智慧物流系統(tǒng)感知層設(shè)計

在貨車檢修過程中，感知層是啟動智慧物流系統(tǒng)運行的關(guān)鍵所在。本文所提出的以物聯(lián)網(wǎng)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的感知層主要承擔車牌識別、配件運送、尺寸測量、零件校對與補給的功能。

■3.1 基于無線射頻技術(shù)的車牌識別

不同貨車車型所對應(yīng)的拆解方式不同，而且貨車零部件維修環(huán)節(jié)還要綜合考慮修程修規(guī)、歷史開行情況等因素，因此，首先需要使用無線射頻技術(shù)對貨車車牌進行識別，掌握待修貨車車型及其歷史開行情況，為后續(xù)段修環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

無線射頻識別(Radio Frcyuency Identification，RFID)也稱為射頻識別技術(shù)，這是一種利用電磁波的反射能量進行通信的新興自動識別技術(shù)。該技術(shù)可歸入短距離無線通信技術(shù)，與其他短距離無線通信技術(shù)（如WLAN、藍牙及ZigBee）相比最大的區(qū)別在于無線射頻識別的被動工作模式，即利用反射能量進行通信。

射頻識別技術(shù)采用大規(guī)模集成電路計算、電子識別、計算機通信等技術(shù)，由RFID標簽、讀寫器、天線、數(shù)據(jù)傳輸及處理系統(tǒng)組成，通過讀寫器和安裝于載體上的RFID標簽，實現(xiàn)對載體的非接觸識別和數(shù)據(jù)信息交換。具有方便快捷、識別速度快、數(shù)據(jù)容量大、使用壽命長、標簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改等特點，且具有更好的安全性和動態(tài)實時通信能力。

貨車檢修車牌識別中，使用被動射頻RFID系統(tǒng)，其原理如圖4所示。

圖4 車牌識別RFID工作原理

當貨車的RFID電子標簽接近讀寫器模塊時，讀寫器將發(fā)射微波查詢信號，電子標簽收到讀寫器的查詢信號后，會將此信號與標簽中的數(shù)據(jù)信息合為一體反射回讀寫器，反射回的微波合成信號，已帶有電子標簽上的貨車相關(guān)數(shù)據(jù)信息，讀寫器接收到標簽返回的微波信號，經(jīng)讀寫器內(nèi)部微處理器處理后可將標簽內(nèi)儲存的貨車車型、歷史開行情況等信息讀取出來。

■3.2 基于AGV自動運輸系統(tǒng)的物料運輸

在貨車檢修過程中，對智能化搬運需求不斷增加，除了檢修各環(huán)節(jié)的部件運送外，還需承擔倉儲中心與維修區(qū)域的零件補給。通過對AGV自動運輸系統(tǒng)的使用，能夠達到無人化、自動化搬運的效果，提高相應(yīng)的工作效率[2]。

圖5 以輪對運輸為例的AGV自動運輸工作流程

AGV自動運輸系統(tǒng)主要利用機械原理以及機械設(shè)計的專業(yè)知識研制AGV小車，取代傳統(tǒng)人工運輸物料的方式，從而實現(xiàn)物料的無人搬運。AGV小車一般由底盤、車身、動力裝置、控制系統(tǒng)等組成。在車體前后還裝有急停按鈕，車體四周均布置有接觸式安全傳感器，通過導電橡膠形變，產(chǎn)生通斷信號，從而控制車體，車體對角上裝有兩個激光區(qū)域掃描安全傳感器，三級預警輸出，且安全區(qū)域可任意設(shè)置。

以輪對運輸為例，AGV自動運輸系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

首先，將拆卸下來的待檢測輪對滾動至“待檢修輪對儲放位”；在軌道側(cè)面安裝一攝像頭，用于監(jiān)測輪對側(cè)面文字來判斷輪對朝向，并上傳系統(tǒng)；基于系統(tǒng)識別結(jié)果自動調(diào)整輪對方向，由AGV小車運輸至目的地；AGV將測試OK品運抵“檢修OK品卸載位”后，再返回 “待檢修輪對儲放位”搬運其它組輪對。

■3.3 基于激光傳感器的尺寸測量

尺寸測量是貨車檢修過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，其測量結(jié)果直接影響著維修環(huán)節(jié)相關(guān)決策的實施。使用激光位移傳感器對貨車配件尺寸進行測量，可準確高效的獲取貨車磨耗件的磨損情況，實現(xiàn)貨車配件尺寸測量的自動化與智能化。

激光位移傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表。能夠精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化。

按照測量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法。激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量。在貨車段修過程中，尺寸測量環(huán)節(jié)對配件測量精度有較高要求，激光三角測量法更能滿足貨車段修測量需求。

■3.4 基于圖像識別的更換件校對

在貨車配件進行維修時，基于貨車規(guī)程修規(guī)、損傷情況等因素，需對貨車某些零部件進行更換，此時需AGV小車從倉儲中心調(diào)取所需配件，為了防止配件拿取時出現(xiàn)錯漏情況，在配件出庫時可采用圖像識別技術(shù)對更換件進行識別校對[3]。

圖像識別包括圖像獲取、圖像預處理、特征提取和目標識別。在獲取圖像后，可先對圖像噪聲、對比度等進行預處理，而后提取圖像相關(guān)特征，并根據(jù)提取的特征完成識別。目標識別常用的方法有模板匹配、基于遺傳算法方法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法。

在貨車檢修過程中，更換零配件的種類、類型固定，可實現(xiàn)貨車檢修更換件圖像數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，進而滿足基于模板匹配的圖像識別和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別的技術(shù)需求。但考慮到調(diào)取更換件時，配件在AGV小車上放置的位置是隨機的，為了解決特征提取與匹配的適應(yīng)性問題，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像識別技術(shù)更滿足貨車段修更換件校對需求。

4 貨車檢修智慧物流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計

貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層是連接感知層和應(yīng)用層的紐帶環(huán)節(jié)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和分析，保證數(shù)據(jù)的安全性和易用性，通過應(yīng)用層的靈活組織，使各級管理者實時掌握現(xiàn)場動態(tài)，提高貨車檢修項目管理能力和信息共享能力。

圖6 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署

以物聯(lián)網(wǎng)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部署包括加密傳輸、鑒權(quán)驗證、流式處理、隊列緩沖、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)服務(wù)等。感知層采集存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器傳輸至局域網(wǎng)時，進行接口的認證檢驗和數(shù)據(jù)的安全校驗，然后按照平臺內(nèi)置規(guī)則進行流式計算和數(shù)據(jù)判識處理，經(jīng)計算后將數(shù)據(jù)放置于消息隊列中進行后續(xù)的數(shù)據(jù)存儲，并將數(shù)據(jù)類型通過元數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的共享和聯(lián)合分析。后續(xù)應(yīng)用層的監(jiān)控、運輸系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接口對該數(shù)據(jù)進行訪問，獲取所需信息。

5 貨車檢修智慧物流系統(tǒng)應(yīng)用層設(shè)計

在貨車檢修智慧物流系統(tǒng)中，基于感知層與網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)獲取與處理后，再綜合考慮貨車檢修流程，最終根據(jù)功能所需構(gòu)建貨車信息智能調(diào)取系統(tǒng)、智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)、更換件智能校對系統(tǒng)和配件尺寸智能測量系統(tǒng)，完成貨車檢修智慧物流系統(tǒng)應(yīng)用層的設(shè)計搭建，具體流程如圖7所示，并可通過移動監(jiān)控終端與主控制臺對各個系統(tǒng)進行訪問。

圖7 應(yīng)用層系統(tǒng)流程圖

貨車信息智能調(diào)取系統(tǒng)是采用無線射頻技術(shù)進行車牌識別從而獲取待修貨車信息的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過貨車的RFID電子標簽獲取待修貨車歷史開行情況、歷史維修情況數(shù)據(jù)、待修貨車車型及對應(yīng)修程修規(guī)數(shù)據(jù)，而后將獲取的數(shù)據(jù)進行整理，作為智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)的輸入之一，對貨車拆解方式、零部件維修更換有著重要影響[4]。

智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)是一個同時對多臺AGV實行中央監(jiān)管、控制和調(diào)度的系統(tǒng)，包括對AGV小車進行任務(wù)發(fā)布，對AGV小車進行交通管制，對AGV小車運動狀態(tài)進行采集等。調(diào)度管理系統(tǒng)借助通訊系統(tǒng)把AGV和監(jiān)控與智能分析系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，實時采集和匯總小車的數(shù)據(jù)，通過計算分析，以監(jiān)控與智能分析系統(tǒng)為指導，協(xié)調(diào)調(diào)度輪軸智能輸送AGV，進行運輸線路上的全自動輸送。智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)的優(yōu)化與AGV數(shù)量、工作路徑等多方面因素有關(guān)，具體的優(yōu)化方案需要根據(jù)現(xiàn)場實際作業(yè)情況而定。合理的調(diào)度優(yōu)化設(shè)計可以避免AGV小車在運輸線路之間發(fā)生碰撞，提高貨車配件、更換件的運輸效率。系統(tǒng)提供工位呼叫功能，通過客戶自有的智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)進行物料需求管理，進一步可根據(jù)機臺消耗速率進行調(diào)度。智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)流程具體如圖8所示。

更換件智能校對系統(tǒng)是基于圖像識別技術(shù)對貨車更換配件種類和數(shù)目進行校對的系統(tǒng)。當貨車某零部件需要更換時，智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)將對AGV小車發(fā)送從倉儲中心調(diào)取更換補給件的命令，為了防止在調(diào)取零部件時出現(xiàn)漏取、錯取的情況，需在補給件出庫時對其進行校對。更換件智能校對系統(tǒng)以AGV小車調(diào)取的更換件的圖像作為輸入，基于貨車段修更換件圖像數(shù)據(jù)庫對圖像物品進行識別，若AGV小車所取更換件正確，則出庫運送，否則在倉儲中心返回重新拿取更換件。

圖8 智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)流程圖

配件尺寸智能測量系統(tǒng)采用激光位移傳感器對貨車零部件進行尺寸測量，尤其是對貨車磨耗件進行測量。該系統(tǒng)的感知設(shè)備布置于尺寸測量區(qū)域，其測量結(jié)果將伴隨被測部件至維修環(huán)節(jié)，該結(jié)果是此零件在維修環(huán)節(jié)的更換、維修的依據(jù)之一。

6 總結(jié)與展望

結(jié)合鐵路車輛智能運維的發(fā)展趨勢和貨車段修自動化智能化發(fā)展需求，開展以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造的貨車段修智慧物流系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，形成以下結(jié)論：

（1）分析國內(nèi)外發(fā)展形勢和貨車檢修自動化智能化發(fā)展需求，提出以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)及其建設(shè)目標，實現(xiàn)更便捷的設(shè)備接入和更全面的現(xiàn)場感知，為貨車段修管理提供決策依據(jù)；；

（2）提出以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的整體架構(gòu)、設(shè)備架構(gòu)和功能架構(gòu)，詳細描述了系統(tǒng)功能組成；

（3）對以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)打造的貨車檢修智慧物流系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進行分析，建立貨車信息智能調(diào)取系統(tǒng)、智能運輸調(diào)度管理系統(tǒng)、更換件智能校對系統(tǒng)和配件尺寸智能測量系統(tǒng)，并可通過主控制臺和移動監(jiān)控終端實現(xiàn)智能運輸調(diào)度系統(tǒng)的實時訪問，解決貨車段修運輸效率、經(jīng)濟效益、安全保障等方面的問題，打造滿足“智慧工廠”內(nèi)在需求的貨車段修智慧物流系統(tǒng)。

未來，隨著貨車檢修智慧物流系統(tǒng)的更新與成熟，可以遷移到鐵路的其它領(lǐng)域，對這些領(lǐng)域進行移動機器人的研制以及相關(guān)智能化系統(tǒng)的開發(fā)，替代傳統(tǒng)的天車或人工作業(yè)的方式，促進了企業(yè)技術(shù)進步，提高了企業(yè)的形象和自動化生產(chǎn)水平，有效地解放了勞動生產(chǎn)力，對提升機車的專業(yè)化檢修水平、促進鐵路裝備制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義[5]。