陳科，張倩

(陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司，陜西，榆林 719000)

0 引言

煤炭運(yùn)輸量占全國鐵路貨運(yùn)總量的40%左右，我國鐵路煤運(yùn)量一直占煤運(yùn)總量的60%以上。鐵路運(yùn)輸是煤廠外運(yùn)輸?shù)闹匾绞剑哂羞\(yùn)量大、運(yùn)距遠(yuǎn)、速度快、不受氣候條件限制等特點(diǎn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)煤炭火車裝車系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化，提升效率和整體經(jīng)濟(jì)效益，本文將對(duì)煤炭火車裝車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究及優(yōu)化。

1 裝車系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 系統(tǒng)現(xiàn)狀

對(duì)于煤炭等大宗散狀物料有4種裝車方式：火車快速定量裝車;火車軌道衡式溜槽裝車;汽車倉下裝車;汽車煤場(chǎng)鏟車裝車。其中,火車快速定量裝車系統(tǒng)是目前被廣泛使用的最先進(jìn)的快速裝車方法，這種裝車系統(tǒng)具備了快速裝載、自動(dòng)稱量等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是裝車時(shí)需要火車司機(jī)、鐵路調(diào)車員、裝車員、防凍劑噴灑員、抑塵劑噴灑員等5個(gè)人配合，裝車員需不停地操作裝車，勞動(dòng)強(qiáng)度大且完全依靠人的判斷容易出現(xiàn)偏載。人工從控制機(jī)和控制臺(tái)進(jìn)行操作，將操作的信息和數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC，由PLC完成對(duì)硬件的控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 火車裝車系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)裝車方式

裝車站裝車采用限位緩沖供煤、快速定量配重、擺動(dòng)伸縮式溜槽控制裝車的工藝流程，裝車員利用操作臺(tái)控制設(shè)備執(zhí)行裝車。裝車過程中，裝車員根據(jù)車皮型號(hào)、產(chǎn)品堆密度、火車速度等，通過操作臺(tái)實(shí)時(shí)溜槽動(dòng)作，保證裝載質(zhì)量、安全。裝車站主體架構(gòu)[1]如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)存在問題

由于裝車過程中環(huán)節(jié)較多，每個(gè)環(huán)節(jié)分開控制會(huì)使人員在多終端切換，增加了人員的工作量和工作難度，并且降低了多設(shè)備緊密協(xié)作的節(jié)奏，拉低了工作效率。

車廂存在破損或者雜物的情況，需要人工進(jìn)行處理。但是目前人工定位破損和雜物比較困難，需要巡檢每節(jié)車廂，工作難度大、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

防凍液、抑塵劑噴灑控制存在諸多問題，例如沒有精確的定位車廂，使得噴灑量多、外溢、多噴、漏液等[2]。外溢溶劑不只是對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)溶劑本身也是極大地浪費(fèi)。溶劑的配置，目前也是完全依靠人力配置，人員工作量大且體力勞動(dòng)強(qiáng)度大。配料過程中沒有對(duì)濃度、體積的精準(zhǔn)計(jì)算，溶液質(zhì)量得不到很好得保證，溶液工作效果也大打折扣。

火車裝車過程中全部依靠人工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)人員要求較高。同時(shí)，閘板和溜槽的控制也是人工手動(dòng)控制，整列車需要重復(fù)對(duì)此進(jìn)行機(jī)械勞動(dòng)，工作量巨大，容易產(chǎn)生疲勞操作造成的失誤，對(duì)裝車質(zhì)量有一定影響。由于產(chǎn)品煤的種類不同，同樣重量和同樣車型的裝載也存在很大不同[3]，對(duì)裝車質(zhì)量存在很大影響。由于車速的不均勻，而溜槽中煤受重力下落速度不變會(huì)導(dǎo)致裝車偏載，過快情況下會(huì)造成溜槽磕車的嚴(yán)重后果，甚至造成安全事故。

2 智能無人火車裝車系統(tǒng)的研究

2.1 重點(diǎn)研究方向

在裝車系統(tǒng)現(xiàn)有的基礎(chǔ)上將防凍液、裝車、壓實(shí)、抑塵劑等各個(gè)環(huán)節(jié)集成到一起，并對(duì)集成后的系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)算法實(shí)現(xiàn)智能控制。

智能化將是此次研究的重點(diǎn)。智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：智能化車廂質(zhì)量檢測(cè)；車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別；防凍液抑塵劑的智能化無人配料；防凍液抑塵劑的智能化噴灑(精準(zhǔn)定位與合理重量)；火車的無人指揮；火車車廂的自動(dòng)精準(zhǔn)定位；溜槽和閘板的智能控制；裝車質(zhì)量的檢測(cè)與智能調(diào)整；根據(jù)車型精準(zhǔn)智能控制壓實(shí)；智能化分析報(bào)告。

2.2 智能無人火車裝車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

(1) 智能車廂質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)由1臺(tái)3D相機(jī)與1臺(tái)高精度監(jiān)控相機(jī)組成多目識(shí)別系統(tǒng)，分別架設(shè)在列檢車道的左右兩側(cè)和正上方，組成多目相機(jī)矩陣。為了滿足快速響應(yīng)的目的，系統(tǒng)采用端側(cè)識(shí)別，依靠搭載在監(jiān)控相機(jī)中的高速數(shù)據(jù)運(yùn)算模塊識(shí)別和檢測(cè)列檢車輛。同時(shí)，為了滿足魯棒性，系統(tǒng)在云服務(wù)器部署了大數(shù)據(jù)分析與自學(xué)習(xí)模塊，根據(jù)列檢過程中得到的信息，不斷提高、完善系統(tǒng)性能。

(2) 車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別

原有鐵路對(duì)車廂的識(shí)別使用的是RFID技術(shù)，此技術(shù)識(shí)別率在98%左右，在精準(zhǔn)度上還有待提升。此次智能化設(shè)計(jì)引入了最先進(jìn)的圖像識(shí)別技術(shù)，將車號(hào)圖像識(shí)別與RFID相融合,以到達(dá)車廂的精準(zhǔn)識(shí)別。

(3) 防凍液抑塵劑的智能化無人配料

將智能取料機(jī)器人、無人值守皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)、自動(dòng)拆袋機(jī)器人組合成取、運(yùn)、拆一體的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)將防凍液、抑塵劑從堆垛高效運(yùn)送至配料系統(tǒng)。配料系統(tǒng)根據(jù)裝運(yùn)產(chǎn)量、環(huán)境溫度、煤質(zhì)等數(shù)據(jù)，利用決策分析算法計(jì)算配料量、配料濃度，進(jìn)一步利用高精度流量計(jì)、液位計(jì)，通過PID算法實(shí)現(xiàn)無人加水，確保配料量精準(zhǔn)、質(zhì)合格。

(4) 防凍液抑塵劑的智能化噴灑(精準(zhǔn)定位與合理重量)

將原有擺臂式噴灑器改造成托輥滾筒式噴灑器，托輥滾筒式噴灑器較擺臂式噴灑器更快速精準(zhǔn)，對(duì)藥劑的浪費(fèi)少，控制更靈活，機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，后期檢修及維護(hù)成本低。

針對(duì)不同車型的體積不同，噴灑表面積的不同，自主研發(fā)了智能算法控制泵頻率和電磁閥開度，其中泵的壓力控制原理[4]如下：

(1)

式中,N為點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)速，P為泵站壓力，Q為泵站工作時(shí)的流量，η為泵的效率。

根據(jù)智能算法對(duì)車廂的識(shí)別自動(dòng)計(jì)算每節(jié)的噴灑量，并根據(jù)車廂高度將托輥降至合理高度，并且在對(duì)射檢測(cè)到車廂連接處時(shí)自動(dòng)反轉(zhuǎn)滾筒停止噴灑，避免溶劑飛濺造成的浪費(fèi)和污染，既節(jié)省了用量又保證了噴灑效果且避免了環(huán)境污染。

火車車廂的自動(dòng)精準(zhǔn)定位如圖3所示。

圖3 信標(biāo)定位

(5) 溜槽和閘板的智能控制

采用液壓桿連接鋼絲繩吊式驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)伸縮式溜槽，溜槽本身規(guī)格和運(yùn)動(dòng)方式固定，因此通過測(cè)量液壓桿伸縮長(zhǎng)度換算得到溜槽高度[5]，如圖4所示。在液壓缸外套兩側(cè)平行缸體運(yùn)行方向安裝1套測(cè)距裝置，杠頭一端設(shè)置標(biāo)識(shí)物，通過測(cè)量液壓缸伸縮量的變化，換算獲得溜槽的高度。利用該方法，溜槽定位精度達(dá)到毫米級(jí)，因此對(duì)于溜槽高度的控制不局限于傳統(tǒng)限位開關(guān)的束縛，能夠?qū)崿F(xiàn)毫米級(jí)的控制精度，極大得提高了溜槽應(yīng)對(duì)不同裝車高度時(shí)的調(diào)整能力。

圖4 擺動(dòng)伸縮式溜槽

為改進(jìn)人工操作工作量大和重復(fù)機(jī)械性作業(yè)容易產(chǎn)生誤差的情況，將緩沖倉與定量倉閘板進(jìn)行程序自動(dòng)化控制，根據(jù)車廂到位和煤量充足等條件判斷閘板的開合，并在循環(huán)承重過程中進(jìn)行閘板半開或震動(dòng)的微調(diào)[6]，精準(zhǔn)控制重量，保證裝車質(zhì)量。

在煤質(zhì)、粒級(jí)、水分等因素的影響下，同等重量的煤的體積將會(huì)產(chǎn)生較大變化。針對(duì)這一問題設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)糾偏功能，在裝車過半后檢測(cè)剩余煤量和車廂已裝煤量，并計(jì)算出剩余是多了還是少了，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整溜槽高度，以保證煤能夠完全裝入火車車廂中。

3 智能無人火車裝車系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用情況

根據(jù)以上針對(duì)問題的研究與基礎(chǔ)設(shè)施的改造，智能無人火車裝車系統(tǒng)投入應(yīng)用。除基礎(chǔ)設(shè)施及硬件的改造外，開發(fā)了配套智能化軟件，如圖5所示。通過軟件的統(tǒng)一界面，實(shí)現(xiàn)全流程的控制及監(jiān)控。

圖5 智能無人火車裝車系統(tǒng)交互界面

系統(tǒng)具備如下功能：

(1) 裝車啟動(dòng)

車輛到位后確認(rèn)來車和任務(wù)匹配，當(dāng)車頭與指定位置對(duì)齊后，點(diǎn)擊“裝車啟動(dòng)”，系統(tǒng)將依次進(jìn)行裝車各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制。順序執(zhí)行，逐節(jié)循環(huán)，期間無需人工干預(yù)。

(2) 下節(jié)暫停

業(yè)務(wù)場(chǎng)景中考慮到車輛臨時(shí)異常、煤量不足、人為需要等原因，為業(yè)主預(yù)留了“下節(jié)暫停”的功能。點(diǎn)擊后會(huì)在下節(jié)暫停，需要繼續(xù)時(shí)可點(diǎn)擊“下節(jié)繼續(xù)”。

(3) 緊急停車

緊急停車保證系統(tǒng)在裝車過程中遇到重大異常時(shí)能夠及時(shí)停止，停止動(dòng)作包括關(guān)閘板、抬溜槽、斷電等保護(hù)性操作，目的是為了避免造成人員傷亡或硬件的重大損壞。

(4) 狀態(tài)總覽

在一個(gè)界面上可以看到從任務(wù)到裝車進(jìn)度狀態(tài)，再到各個(gè)煤倉、皮帶、給煤機(jī)、緩沖倉、定量倉、閘板、車廂進(jìn)度、防凍液、抑塵劑、壓實(shí)等全流程相關(guān)信息，一目了然。

(5) 主從備份機(jī)制

為保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、持續(xù)的運(yùn)行，從軟件系統(tǒng)架構(gòu)上設(shè)計(jì)了主從熱備機(jī)制。系統(tǒng)對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫雙主實(shí)時(shí)熱備，對(duì)于重要程序算法在多個(gè)服務(wù)器上部署，并利用Keeplived對(duì)多服務(wù)器資源進(jìn)行負(fù)載均衡，在程序出問題時(shí)會(huì)自動(dòng)切換到另一套程序，達(dá)到異常問題對(duì)用戶無感知，不影響用戶使用。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

經(jīng)過4萬多次的實(shí)驗(yàn)，得出系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)分析結(jié)果。

(1) 車廂質(zhì)量檢測(cè)

空載狀態(tài)下，大于20 mm的車皮孔洞檢測(cè)識(shí)別率達(dá)95%以上；車廂內(nèi)的長(zhǎng)木棍(大于500 mm)、編織袋等雜物的識(shí)別率達(dá)95%以上。

(2) 車廂定位

適用車型：C系列敞車(非集裝箱式)、K18、KM70。系統(tǒng)支持可新增車型，定位精度在±5 cm以內(nèi)。

適用車速范圍：0～1.2 km/h，測(cè)速誤差在±0.005 km/h以內(nèi)。

(3) 溜槽控制

適用車型：C系列敞車(非集裝箱式)、K18、KM70。系統(tǒng)支持可新增車型，溜槽控制精度在±2 cm以內(nèi)。

適用車速范圍：0～1.2 km/h，測(cè)速誤差在±0.05 km/h以內(nèi)。

適用煤種：全粒級(jí)產(chǎn)品。

手/自動(dòng)切換：支持一鍵式切換，并保證原有系統(tǒng)正常運(yùn)行，不影響裝車。

(4) 裝車質(zhì)量檢測(cè)

單節(jié)車廂偏載率低于1%，偏載檢測(cè)精度誤差小于300 kg。

支持偏載后的自動(dòng)優(yōu)化算法，人工干預(yù)處理后，可無縫轉(zhuǎn)化成自動(dòng)控制模式。

(5) 按車型統(tǒng)計(jì)自動(dòng)裝車率，如表1所示。

表1 各車型的自動(dòng)裝車率統(tǒng)計(jì)

(6) 裝車效果呈現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 裝車效果呈現(xiàn)

總體穩(wěn)定、平整、美觀,大幅減輕了裝車崗位勞動(dòng)強(qiáng)度和復(fù)雜度。

該套系統(tǒng)目前采用無人操作、有人監(jiān)督模式。當(dāng)出現(xiàn)事故報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)將觸發(fā)停止裝車，采用聲光電形式提醒監(jiān)督者處理，報(bào)警復(fù)位后可恢復(fù)自動(dòng)裝車。該自動(dòng)系統(tǒng)外偶然性事故的存在，是自動(dòng)裝車率無法完全實(shí)現(xiàn)100%的重要原因，今后可以此作為進(jìn)一步的研究方向。

4 總結(jié)

本文以火車裝車全流程的工作環(huán)節(jié)為主線，順序的討論研究了智能化車廂質(zhì)量檢測(cè)、車號(hào)的自動(dòng)識(shí)別、防凍液抑塵劑的智能化無人配料、防凍液抑塵劑的智能化噴灑(精準(zhǔn)定位與合理重量)、火車的無人指揮、火車車廂的自動(dòng)精準(zhǔn)定位、溜槽和閘板的智能控制、裝車質(zhì)量的檢測(cè)與智能調(diào)整、根據(jù)車型精準(zhǔn)智能控制壓實(shí)、智能化分析報(bào)告等諸多方面。系統(tǒng)結(jié)合實(shí)際物理硬件應(yīng)用研究成果，實(shí)現(xiàn)了火車裝車全程智能化無人化的控制，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程,提高了工作效率，降低了人員成本。該系統(tǒng)可進(jìn)一步通過智能化手段結(jié)合配煤系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)、鐵路運(yùn)銷系統(tǒng)等協(xié)同作業(yè)，提高整體工作效率，實(shí)現(xiàn)物料網(wǎng)的全面智能化。