王松，姚春莊，吳寶新，竇同新，張志俊，王炳章，劉義，韓宗榜

（國能（天津）大港發(fā)電廠有限公司，天津 300272）

1 背景

1.1 翻車機系統(tǒng)

火車卸煤翻車機系統(tǒng)主要采用折返式翻車機，系統(tǒng)設(shè)備包括重牛、夾軌器、翻車機本體、遷車臺、輕牛等設(shè)備。翻卸火車車型為C64和C70系列敞車。

圖1 折返式翻車機形式

目前，翻車機系統(tǒng)主要工作流程已基本實現(xiàn)自動化，但火車摘鉤和復(fù)鉤仍然由人工完成。

人工提鉤方式摘鉤及復(fù)鉤，存在多種弊端：摘鉤工作操作繁瑣，在火車未停穩(wěn)時進行摘鉤，容易絆倒卷入；火車來煤晝夜不停，工人長時間工作精力不足，夜間工作效率降低；翻車機卸煤區(qū)域粉塵大，對工人健康產(chǎn)生影響。

圖2 翻車機人工摘鉤

神華國能天津大港發(fā)電廠1號翻車機系統(tǒng)1991年投產(chǎn)使用，由意大利散料運輸公司生產(chǎn)。翻車機系統(tǒng)設(shè)備年代久遠，自動化程度低，工人工作強度大，人身安全風險大。通過摘鉤機器人以及摘復(fù)鉤機器人的加入，實現(xiàn)了翻車機系統(tǒng)的全自動卸車流程，有效降低了安全風險，提高了生產(chǎn)效率。

1.2 翻車機系統(tǒng)工作流程

大港發(fā)電廠1號翻車機系統(tǒng)主要包含重牛、夾軌器、翻車機本體、遷車臺、輕牛等設(shè)備。

重牛牽引重列來煤車廂至固定位置，將重車列第二節(jié)車廂的前輪固定在夾輪器位置；重牛停止運行，等待人工進行摘鉤作業(yè)（火車的車廂之間連接車鉤采用人工提鉤方式摘鉤）。人工摘鉤完畢，人工通過按鈕確認，重牛繼續(xù)后續(xù)流程；重牛將翻車機上的已完成翻卸的空車廂推至遷車臺上，后續(xù)遷車臺將空車廂遷移至空車線上。在遷車臺遷移空車廂之前，需要人工進行調(diào)正C64和C70的車鉤，調(diào)正車鉤保證空車車廂能夠良好掛鉤，連成一列。調(diào)正車鉤后，人工點按按鈕，遷車臺遷移空車廂至空車線。輕牛推動空車廂在空車線上碰撞實現(xiàn)空車廂的掛鉤。

翻車機自動化程度低，需要人工實時參與作業(yè)，人工的工作強度大，存在安全隱患，而且翻車機卸煤區(qū)域煤塵嚴重，對作業(yè)人員身體健康產(chǎn)生不利影響。

圖3 折返式翻車機工作流程

2 機器人應(yīng)用環(huán)節(jié)

隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，圖像識別技術(shù)、多軸機械臂技術(shù)、雷達應(yīng)用越來越多地進入了重工業(yè)應(yīng)用場景。本項目定制研發(fā)多軸摘鉤機械臂，通過機器視覺和激光雷達檢測和識別目標手柄，融合多傳感手段進行智能狀態(tài)檢測和高精度伺服電機控制等功能，達到機械臂智能自動作業(yè)，實現(xiàn)自動摘鉤及摘復(fù)鉤工作。

2.1 列車編號識別

快速確定對應(yīng)的摘鉤方式是摘鉤機器人快速完成摘鉤動作的技術(shù)關(guān)鍵。這個問題可以通過識別列車編號的不同類型而區(qū)分摘鉤方式和手柄樣式。

在機器人摘鉤前序特定位置安裝高清攝像頭，采用基于機器視覺的圖像識別技術(shù)，利用深度學習網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓練車號特征模型，最終實現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境工況下車號特征的準確識別，功能完善，性能可靠。

圖4 摘鉤機器人布置

2.2 摘鉤機器人

摘鉤機器人配備多軸機械臂、智能視覺識別系統(tǒng)及高精度雷達，可以準確區(qū)分不同車型的車鉤情況，根據(jù)識別到的車鉤情況，應(yīng)用不同的摘鉤策略，完成模擬人工拉手柄的摘鉤動作，實現(xiàn)火車車廂自動摘鉤。

圖5 車鉤手柄識別

摘鉤機器人通用性強，適應(yīng)不同類型敞車車廂；識別精準，找準車鉤精準施力，摘鉤時機合適；機型小巧，適應(yīng)狹小作業(yè)空間。

2.3 摘復(fù)鉤機器人

翻車機完成翻卸作業(yè)后，空載車廂的兩側(cè)車鉤仍為鎖閉狀態(tài)，造成空車廂在空車線側(cè)不能順利撞鉤，需要對其中一側(cè)的車鉤進行人工摘鉤和開鉤。

摘復(fù)鉤機器人包括兩種功能：模擬人工拉手柄的摘鉤動作和打開車鉤鉤舌。摘復(fù)鉤機器人布置于翻車機出口側(cè)，采用多軸機械臂完成摘鉤動作，利用高精度雷達精確定位車鉤中心位置，采用電動推桿實現(xiàn)打開鉤舌動作。當空車廂經(jīng)遷車臺轉(zhuǎn)移至空車線后，輕牛推動空車廂在空車線上碰撞其他列車順利實現(xiàn)空車廂的掛鉤。

3 翻車機自動化系統(tǒng)

翻車機全自動化系統(tǒng)是將包括摘鉤機器人、摘復(fù)鉤機器人系統(tǒng)無縫應(yīng)用于翻車機自動卸車流程，并完善必要的監(jiān)控和檢測環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)翻車機系統(tǒng)的全自動化卸車作業(yè)。

3.1 下位軟件升級

摘鉤機器人必須接到系統(tǒng)允許摘鉤指令才能開始作業(yè)；首次摘鉤失敗后還應(yīng)調(diào)動重牛回撞再二次摘鉤；摘鉤成功信號應(yīng)反饋給翻車機控制系統(tǒng)。

摘復(fù)鉤機器人必須得到空車在遷車臺就位信號才能開始作業(yè)；動作完成后應(yīng)向系統(tǒng)發(fā)出摘復(fù)鉤完畢信號。

上述功能的實現(xiàn)首先要求翻車機系統(tǒng)與摘鉤、摘復(fù)鉤機器人建立數(shù)據(jù)通信，然后完善升級翻車機系統(tǒng)控制邏輯以實現(xiàn)機器人與翻車機系統(tǒng)的動作流程配合。

圖6 翻車機自動化系統(tǒng)

3.2 上位軟件升級

翻車機控制室內(nèi)程控值班員工作任務(wù)繁重，增配不必要的顯示終端將對值班員增加工作負擔。在原監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件上做必要的升級，操作界面中增加摘鉤、摘復(fù)鉤機器人監(jiān)控界面，包含動作參數(shù)及流程狀態(tài)信息，使值班員能夠?qū)Ψ嚈C卸車全流程有整體把握。

3.3 安全防護系統(tǒng)完善

翻車機作業(yè)線全自動無人值守系統(tǒng)是一個有機的整體，除摘鉤、摘復(fù)鉤外，還需將其他需要人工監(jiān)視的部分作業(yè)流程納入智能檢測與全自動控制。系統(tǒng)新增基于雷達檢測原理的翻車機內(nèi)重車定位保護、空車掛鉤未成功檢測，基于圖像識別的風管摘開狀態(tài)檢測、重牛輕牛沿線人員安全預(yù)警系統(tǒng)等，實現(xiàn)全面安全防護下的機器代人作業(yè)。

4 在工程應(yīng)用中注意的問題

摘鉤、摘復(fù)鉤機器人系統(tǒng)目前已在神華國能天津大港發(fā)電廠有限公司1號翻車機線卸車作業(yè)中得到了實際應(yīng)用，效果良好。

系統(tǒng)成功應(yīng)用的前提除了選擇合適的高精度傳感器、設(shè)計合用的摘鉤策略、高效的軟件算法之外，在實際工程應(yīng)用中以下幾點值得注意：

（1）雷達數(shù)據(jù)的有效處理：在環(huán)境狀況良好時激光雷達通?？梢蕴峁┓浅蚀_的測量結(jié)果。但在翻車機附近，煤粉濃度、濕度指標極高，煤粉顆粒、水汽等會對激光雷達的測量結(jié)果造成很大干擾。軟件必須采取有效的關(guān)聯(lián)濾波等智能篩選算法，“忽略”尺寸微小的粒子，描繪出粉塵后面的真實物體輪廓，將干擾減少到最低程度。

（2）環(huán)境光線對機器視覺的干擾：列車編號識別系統(tǒng)、車鉤手柄識別系統(tǒng)均應(yīng)用了基于機器視覺的圖像識別技術(shù)，但現(xiàn)場環(huán)境光線情況復(fù)雜（白天的直射陽光、夜晚照明光線等成像無用光），將會降低系統(tǒng)的檢測、識別效果，軟件必須采取有效算法祛除基本成像光源之外光線對視頻數(shù)據(jù)的影響。

5 結(jié)語

實踐證明，翻車機系統(tǒng)投入列車編號識別系統(tǒng)、摘鉤機器人以及摘復(fù)鉤機器人，替代人工實現(xiàn)了重車自動摘鉤、空車自動摘復(fù)鉤動作，保障了本質(zhì)安全，補全了翻車機卸車流程中全自動作業(yè)的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有力推動了人工智能技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用，切實提高了電廠管理水平。