武 徽,趙星杰

(1.煤炭科學研究總院儲裝技術(shù)研究分院,北京 100013;2.中煤科工智能儲裝技術(shù)有限公司,北京 100013)

20世紀60年代末至70年代初,鐵路貨運專線出現(xiàn)了大噸位的鐵路裝車方式,可靠、準確且足夠快速,可以在指定時間內(nèi)完成向固定數(shù)量的相同鐵路貨車組成的單元列車裝載。

后期隨著電子技術(shù)的發(fā)展,計算機軟件、車廂識別和稱重系統(tǒng)加入了裝車系統(tǒng)中,形成了如今快速定量裝車的模式。20世紀80年代到90年代,國際兩大裝車站制造商德國Schenck公司和美國KSS公司先后進入我國市場。通過和國外公司配套協(xié)作,逐步消化吸收裝車技術(shù),發(fā)展成為快裝系統(tǒng)的成套設(shè)備供貨商[1],后期不斷發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)技術(shù),逐步成為國內(nèi)散料鐵路裝車市場的主力軍,并已經(jīng)有了向國外成功出口的案例。

1 鐵路裝車在散料行業(yè)的推廣應(yīng)用

世界上的三大散裝大宗貨物是煤炭、鐵礦石和糧食。國際兩大裝車站制造商德國Schenck和美國KSS公司的產(chǎn)品主要集中在煤炭和鐵礦石兩大領(lǐng)域。Schenck公司的裝車站在我國高寒地區(qū)的煤礦,煤炭裝載效率6 000 t/h,礦石裝載率12 000 t/h.KSS公司在五大洲的11個國家設(shè)計、制造和支持了超過250個裝車系統(tǒng),煤炭裝載效率最高12 000 t/h,鐵礦石最高效率24 000 t/h.

依照我國國情,裝車站的建設(shè)和應(yīng)用現(xiàn)絕大部分集中在煤炭行業(yè),2022年全國鐵路煤炭發(fā)運量26.8億噸.在煤炭“西煤東運、北煤南運”的運輸格局中[2],最主要的路徑是從“三西地區(qū)”到環(huán)渤海港口,再通過海運運輸?shù)綎|南沿海等地。煤炭類的裝車站裝載率最高約為6 500 t/h.因此,我國對煤炭運輸?shù)男枨蠛芨?煤炭裝車站的市場前景及應(yīng)用面非常廣。

2 裝車裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 裝備的現(xiàn)狀

常規(guī)的快速定量裝車站主要由鋼結(jié)構(gòu)塔架、機械設(shè)備、稱重系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成?；诖笮土隙烦拥墓ぷ髟?預(yù)先通過緩沖倉向定量倉中按軌道車的標重進行快速配料后,稱重系統(tǒng)精確稱重,并通過控制定量倉的閘門和裝車溜槽向低速行駛的車廂快速裝載,實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)快速精確定量裝車。根據(jù)實際項目的具體情況,裝車站的主體也會選擇水泥筒倉。常規(guī)鐵路裝車站的緩沖倉的倉容一般設(shè)計在300 t以上,定量倉的倉容最大為100 t.

裝車站的裝備主要會根據(jù)物料的性質(zhì)、裝載效率的需求以及現(xiàn)場的環(huán)境等因素進行有針對性的設(shè)計和優(yōu)化。以定量倉為例,對于塊煤物料的裝載,正四棱錐定量倉最為常見,見圖1(a);針對流動性較差、易結(jié)拱、硬度較高的物料,陸續(xù)研發(fā)出了圓錐定量倉以及雙曲線形定量倉,見圖1(b)和(c),同時增加了專用的耐磨內(nèi)襯板。以定量倉為主要組成的稱重系統(tǒng),現(xiàn)在單節(jié)車廂的計量精度穩(wěn)定在0.1%.按照非連續(xù)累計自動衡器的檢定要求,煤炭和鐵礦石的稱量準確度等級最高可以達到0.5級。

圖1 定量倉主要結(jié)構(gòu)形式

液壓系統(tǒng)是裝車站設(shè)備的動力來源。為配合智能化裝車的需要,很多受控單元由初期所使用的兩位三通閥被更精密的比例伺服閥所取代,以適應(yīng)高精度控制的要求。同時液壓系統(tǒng)在控制器、液壓油品質(zhì)等配套條件上也實現(xiàn)了更新?lián)Q代。

液壓系統(tǒng)主要用于驅(qū)動閘門組和溜槽。在緩沖倉和定量倉下方都配有閘門組,用以配料和卸料時的控料和截料。最常見的平行閘門組已經(jīng)在穩(wěn)定性、可靠性、滑動方式、檢測方式上都有了一定的升級。對于流動性好,硬度大物料還專門開發(fā)了弧形閘門,如圖2所示。

圖2 閘門結(jié)構(gòu)形式示意

卸料溜槽對于控制物料在車廂中分布的位置和高度等至關(guān)重要?；诎踩矫娴目紤],對物料的控制和對車廂的適應(yīng),溜槽由最早的垂直伸縮溜槽的基礎(chǔ)上持續(xù)研發(fā)出擺動伸縮式、控料式以及糧車專用式溜槽(溜管)等,如圖3所示。

圖3 溜槽的主要結(jié)構(gòu)形式

2.2 裝備的發(fā)展趨勢

重載裝車和多式聯(lián)運是國際上散料鐵路運輸?shù)闹饕绷鱗3]。2022年,國內(nèi)中車旗下的齊車集團研制的45 t軸重單車載重已達156 t.但受限于國內(nèi)鐵路條件,暫未能在國內(nèi)應(yīng)用,主要是面向澳大利亞必和必拓公司。但近年來,我國重載鐵路技術(shù)已經(jīng)取得突破性進展,重載列車已成功實施了3萬噸的組合列車試驗研究,單車載重量最高也已達到100 t.隨著國內(nèi)鐵路條件的完善,單車超過100 t的重載裝車并不遙遠。

國內(nèi)廠商天地科技于2022年研發(fā)出了多批次裝車的小型化鐵路裝車站,并實現(xiàn)了示范應(yīng)用。相比之前的常規(guī)鐵路裝車站高度空間節(jié)約30%,采用了無人化的裝車方式,準確度等級0.5級,裝車能力最高7 200 t/h.該裝車站的裝載工藝能夠適應(yīng)敞車60～150 t的全部車型。

多批次稱量的小型化裝車站有眾多優(yōu)點。在建造時,因尺寸較小減少了鋼材料的用量和施工的基礎(chǔ)成本,并可以配備對高度差要求更低的輸送機,大幅減少了上站輸送機的驅(qū)動功率,也縮短了安裝時間?，F(xiàn)有的常規(guī)裝車站采用一次稱量超過60 t的物料,稱重系統(tǒng)受到大沖擊后,需要在一定時間進行穩(wěn)定性收斂。小型化的裝車站采用的多批次稱量,降低了稱重系統(tǒng)受沖擊的強度,具備將準確度等級由0.5級提高到0.2級的潛力。

多式聯(lián)運在我國正迎來發(fā)展的黃金期[4]。針對多式聯(lián)運情況下的集裝箱散料裝載時,小型化的裝車站能夠根據(jù)其裝載量的變化迅速進行調(diào)整,更適合集裝箱類的裝載模式,是國內(nèi)設(shè)備彎道超車國外技術(shù)的重要機遇,是裝車裝備發(fā)展的一大趨勢。

3 裝車智能化的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

3.1 裝車智能化的現(xiàn)狀

隨著傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和人工智能的發(fā)展和興起,智能化的鐵路裝車技術(shù)呈現(xiàn)跨越式發(fā)展。智能化裝車一方面是要實現(xiàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的無人操作,另一方面是要實現(xiàn)更高質(zhì)量的裝車生產(chǎn),包括更快的速度、更高的精度、避免偏載等需求。

國內(nèi)相關(guān)解決方案的提供者主要有天地科技、天津美騰、西安華光等。智能化無人裝車技術(shù)已經(jīng)在山西、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅和寧夏的多個煤礦實現(xiàn)常態(tài)化運行。智能化水平已經(jīng)成為國內(nèi)衡量煤礦智能化等級的標準組成之一。

國內(nèi)外裝車站在智能化方面所要面臨解決的問題目標比較一致。經(jīng)過實際的需要和市場的選擇,智能化裝車的內(nèi)容主要包括以下幾個方面[5]:

1) 全自動化裝車控制:為適應(yīng)智能化裝車,裝車控制已經(jīng)從單獨的PLC控制向“IA架構(gòu)+云邊端“的模式擴展。通過新模式的引入,增加了更精密的傳感器和高速的數(shù)據(jù)傳輸,配合人工智能(AI)技術(shù)的引入,使智能化裝車實現(xiàn)的同時,系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。受控單元更多采用了閉環(huán)伺服控制,大幅提高了控制的精準性。

2) 散料檢測技術(shù):物料的性質(zhì)對裝車效果有著很大的影響。對于物料性質(zhì)的檢測有利于及時自動調(diào)節(jié)裝車站的控制參數(shù)。Takraf集團引入了人工智能技術(shù),通過內(nèi)置學習能力,評估散料的密度和流動特性的影響,自動研判一些主要條件,如粒度、濕度和溫度等。Indrad公司通過在上站膠帶增加散料質(zhì)量和體積傳感器,實現(xiàn)物料性質(zhì)的實時在線測量。

3) 車輛信息的識別:裝車前獲得車廂的信息(標載、車型、車號),以協(xié)助裝車站完成配料和裝備的控制。國內(nèi)外廠商都在之前RFID單模式獲取信息的基礎(chǔ)上新增加了基于OCR圖像識別的車號獲取技術(shù),在兩種識別模式下實現(xiàn)車輛信息的100%穩(wěn)定可靠讀取。

4) 車廂的位置與速度檢測:車廂的位置識別和速度識別是卸料實現(xiàn)無人智能化作業(yè)的關(guān)鍵因素。車廂位置的檢測有直接檢測和間接檢測兩種。直接檢測比較常見,主要是基于光柵群組、激光雷達以及二維成像系統(tǒng)來進行直接測量。速度可通過位移檢測結(jié)果微分得到,或者通過火車雷達直接測量得到。還有一種是通過高精度的測量速度,對速度積分后得到火車行駛的位移,進而得到火車的位置。后者主要應(yīng)用在國家能源集團的神東洗選中心。

5) 殘料檢測與裝車效果檢測:裝車必須考慮偏載問題,這是因為軌道通常有負載的極限。當物料的負載分布有問題時,前轉(zhuǎn)向架和后轉(zhuǎn)向架之間存在較大風險,可能會導致出軌情況。因此裝車前對殘余在車廂底部和角落的殘余材料需要定位和確認數(shù)量。裝車后,對裝車效果進行確認,保證前后不偏載。國內(nèi)主要基于激光雷達技術(shù)開發(fā)相應(yīng)的成像系統(tǒng)[6],國外則習慣于使用2D/3D的視覺成像系統(tǒng)進行確認。

6) 裝車過程的可視化:通過搭建數(shù)字裝車站可視化平臺,對裝車站及配套設(shè)備3D建模,實時3D渲染,進行3D+2D孿生,展示裝車流程相關(guān)指標,實現(xiàn)設(shè)備3D場景直接控制,數(shù)據(jù)全量記錄和BI可視化分析,完成數(shù)智一體化的裝車管控等。國內(nèi)企業(yè)在IT技術(shù)與控制技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用上具有一定的優(yōu)勢。

雖然我國通用的是定質(zhì)量的裝車模式,但是國際上一些地區(qū)采用的是定體積的裝車模式,即在保證不偏載的情況下,要保證一輛車廂內(nèi)盡量多裝貨物。因此,國外的智能化裝車技術(shù)還在車廂尺寸檢測和裝車形狀控制等方面進行更深入的研究和應(yīng)用。

智能化裝車為裝車作業(yè)的減人增效發(fā)揮了重要作用。國外企業(yè)針對定體積裝車在澳大利亞和巴西的裝車站進行了統(tǒng)計,經(jīng)智能化改造后,裝車速度提高超過33%,前者偏載問題減少37.8%,后者單車裝載量增加2.1 t.國內(nèi)很多煤礦在經(jīng)過智能化改造后,實現(xiàn)了無人裝車,達到了減員增效的目標。

3.2 裝車智能化的瓶頸與發(fā)展趨勢

鐵路裝車未來面對的是全場景全流程全要素的智能化,是一套完整體系的建立,如圖4所示。例如在裝車過程中出現(xiàn)設(shè)備故障、配煤精度波動、卸煤拋灑偏載等問題,需要智能化調(diào)整優(yōu)化,由于部分智能化環(huán)節(jié)的缺失,會形成木桶效應(yīng),最終影響智能化的整體效果。目前對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法和智能化設(shè)備的開發(fā)正在飛速發(fā)展,下一步智能化的發(fā)展會進一步補齊短板。

圖4 智能化裝車體系的建立

1) 給料控制的智能化:不同裝車站配套的給料系統(tǒng)是不同的,包括輸送機(驅(qū)動方式、輸送長度、輸送效率),給煤機(給料方式、給料量、控制方式),輸送量檢測方法(膠帶秤、激光秤、視覺識別)等。給料系統(tǒng)的無人化控制要求物料的輸送能夠和裝車的節(jié)奏匹配:既不能讓機車等待給料,也不能造成緩沖倉的溢倉。給料系統(tǒng)的控制屬于控制理論中的大時滯控制模型,具有相當?shù)碾y度。輸送的長度越長,控制難度越大?，F(xiàn)有給料系統(tǒng)控制的智能化大部分都是基于現(xiàn)場的生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)實現(xiàn),缺乏通用的模型支撐,魯棒性不強,時常需要人為進行修正和調(diào)節(jié)。此外,現(xiàn)有的給料系統(tǒng)的控制模式往往是在給料設(shè)備投入運行后,再對其進行控制上的優(yōu)化。但是智能化不僅需要智能化算法,同時更需要智能化的設(shè)備,因此選用符合智能化算法需求的裝備也是一條重要的舉措[7]。未來的智能化給料控制將是智能化裝備與算法的有機結(jié)合體,同時會有具備通用特性的控制策略和模型出現(xiàn)。

2) 機器學習及人工智能技術(shù):裝車自動控制的一些環(huán)節(jié)無法直接建立控制模型,面對復(fù)雜條件時,仍需要人工操作。針對類似情況,機器學習及人工智能技術(shù)將是解決該類型問題的重要途徑。PLC廠商,如AB、西門子陸續(xù)推出了AI模塊以適應(yīng)這種技術(shù)需求。該技術(shù)現(xiàn)有條件下還處在輔助參考的階段,復(fù)雜條件下直接控制的穩(wěn)定性和可靠性還需要實踐驗證。

4 結(jié) 語

國內(nèi)外的鐵路裝車技術(shù)對以煤炭為主題的散料的大規(guī)模快速運輸發(fā)揮了不可替代的作用。尤其對于我國,其在能源保供、礦石儲備等關(guān)系到國家戰(zhàn)略的實施過程中,扮演了承上啟下的角色。但是按照現(xiàn)有裝車模式和技術(shù),鐵路裝車的規(guī)模和市場都受到了一定限制。隨著裝車站朝著小型化、集約化、裝備化以及智能化的不斷發(fā)展,快速定量裝車將會向著更多領(lǐng)域滲透,促進散料運輸行業(yè)的整體進步。裝車技術(shù)也會以更新的模式,更快的速度,更高的效率,更精準的稱量,更智能的控制呈現(xiàn)在行業(yè)需求面前。