摘" 要：針對(duì)傳統(tǒng)的人工清車方式存在效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大和清理不徹底等問題，提出一種基于智能控制與傳感技術(shù)的火車車廂智能清車系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括移動(dòng)平臺(tái)、清掃系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)、負(fù)壓輸送系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，利用激光傳感技術(shù)、負(fù)壓輸送技術(shù)、電氣控制技術(shù)、液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，進(jìn)行火車車廂的高效、智能、環(huán)保清車作業(yè)。企業(yè)實(shí)踐驗(yàn)證結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效滿足企業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)上述功能，提高清車效率。

關(guān)鍵詞：火車車廂；智能清車；智能控制；傳感技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311；U294.26" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 文章編號(hào)：2096-4706（2024）24-0175-07

Design and Implementation of Intelligent Railcar Cleaning System Based on Smart Control and Sensing Technologies

FENG Wendong1， XIAO Yongyuan1， CHENG Yong1， LI Wei1， LU Degao2， WU Binyun2

（1.Jinan Design Institute of China Railway Engineering Design and Consulting Group Co.， Ltd.， Ji'nan" 250022， China; 2.Guangdong Huibo Robotics Technology Co.， Ltd.， Foshan" 528225， China）

Abstract： In view of the traditional manual railcar cleaning method， which has problems such as low efficiency， high labor intensity， and incomplete cleaning， this paper proposes an intelligent railcar cleaning system based on smart control and sensing technologies. This system comprises a mobile platform， cleaning system， lifting system， laser sensing system， negative pressure transport system， and electrical control system. The system utilizes laser sensing， negative pressure transport， electrical control， hydraulic drive， and computer vision technologies to perform efficient， intelligent， and eco-friendly railcar cleaning work. Practical enterprise validation results demonstrate that the system could effectively meet the corporate needs， achieve the aforementioned functions and improve railcar cleaning efficiency.

Keywords： railcar; intelligent railcar cleaning; smart control; sensing technology

0" 引" 言

隨著現(xiàn)代鐵路貨運(yùn)的發(fā)展，火車車廂的清理工作成為保證鐵路運(yùn)輸效率和貨物質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的清車方式依賴大量的人工操作，不僅效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在清理不徹底的問題，影響后續(xù)貨物的裝載質(zhì)量和運(yùn)輸安全。特別是在運(yùn)送煤炭等散裝物料的過程中，車廂內(nèi)殘留的煤炭不僅影響環(huán)保，還造成資源浪費(fèi)。因此，開發(fā)一種高效、智能化的清車系統(tǒng)已成為鐵路貨運(yùn)行業(yè)的迫切需求。

在國(guó)外，火車車廂智能清車系統(tǒng)的研究和應(yīng)用已有一定的進(jìn)展。例如，美國(guó)的鐵路運(yùn)輸公司Union Pacific和BNSF采用了先進(jìn)的清車技術(shù)，結(jié)合激光傳感器和機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車廂內(nèi)部的自動(dòng)清理和物料回收。德國(guó)的Deutsche Bahn公司則開發(fā)了基于機(jī)器視覺和傳感技術(shù)的智能清車系統(tǒng)，能夠自動(dòng)檢測(cè)和清理車廂內(nèi)部殘留的物料，并對(duì)清理效果進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這些系統(tǒng)大大提高了清車效率和清潔度，減少了人工操作和環(huán)境污染[1]。

在國(guó)內(nèi)，火車車廂智能清車系統(tǒng)的研究起步較晚，但近年來隨著技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，相關(guān)研究和應(yīng)用也逐漸增多。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院和清華大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)開始探索基于智能控制和傳感技術(shù)的清車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并取得了一定的成果。例如，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院開發(fā)了一種基于PLC控制和激光傳感技術(shù)的智能清車系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)車廂內(nèi)部的高效清理和物料回收[2]。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)則提出了一種基于機(jī)器視覺和多傳感器融合的清車系統(tǒng)方案，驗(yàn)證了其在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的可行性和高效性[3]。

本論文旨在結(jié)合先進(jìn)的高壓水射流清洗技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于智能控制與傳感技術(shù)的火車車廂智能清車系統(tǒng)，提升火車車廂清車的整體效率，以期為火車車廂清車提供一種高效、智能、環(huán)保的解決方案，并為相關(guān)領(lǐng)域的研究和實(shí)踐提供有價(jià)值的參考。

1" 需求分析

1.1" 高效的清掃能力

傳統(tǒng)的火車車廂清掃方式主要依賴人工操作，不僅效率低下，而且存在清掃不徹底的問題。這種方式耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，影響火車周轉(zhuǎn)速度和貨物運(yùn)輸效率。尤其是在煤炭運(yùn)輸?shù)壬⒀b物料運(yùn)輸中，殘留物料容易造成車廂污染，影響下一批貨物的裝載和運(yùn)輸質(zhì)量[4]。因此，為了提高清掃效率，智能清車系統(tǒng)需要具備高效的清掃能力。這包括快速分離車廂內(nèi)壁的殘留物、集中清理散落的物料，以及在最短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)車廂的清掃作業(yè)。系統(tǒng)應(yīng)采用高效的清掃機(jī)械裝置，如盤刷、絞龍等，配合強(qiáng)力吸塵裝置，確保清掃作業(yè)高效、徹底。此外，系統(tǒng)需要具備連續(xù)作業(yè)能力，能夠在多個(gè)車廂之間快速切換，保持高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2" 自動(dòng)化智能操作

隨著人工成本的上升和對(duì)作業(yè)安全的要求提高，依賴人工操作的清車方式面臨巨大挑戰(zhàn)。智能化、自動(dòng)化的清車系統(tǒng)不僅能夠減少對(duì)人工的依賴，還可以提高作業(yè)的安全性和一致性，降低人為失誤的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，智能清車系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化和智能化操作。這要求系統(tǒng)具備自主導(dǎo)航和定位功能，通過激光傳感器、視覺傳感器等技術(shù)，準(zhǔn)確檢測(cè)車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物料分布情況。系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)規(guī)劃清掃路徑，靈活避障，并根據(jù)清掃進(jìn)度和環(huán)境變化實(shí)時(shí)調(diào)整操作策略?？刂葡到y(tǒng)以PLC為核心，結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃過程的全程監(jiān)控和智能決策，確保作業(yè)的高效、安全和智能化。

1.3" 靈活的自適能力

火車車廂的類型和尺寸多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，清掃系統(tǒng)需要能夠適應(yīng)不同車廂的清掃需求。此外，不同貨物殘留的物料性質(zhì)和清掃難度各異，系統(tǒng)需要具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，以應(yīng)對(duì)各種清掃挑戰(zhàn)[6]。因此，智能清車系統(tǒng)需要具備靈活的自適應(yīng)能力，能夠在不同類型和尺寸的車廂內(nèi)高效作業(yè)。這要求系統(tǒng)的清掃裝置具有高度的可調(diào)節(jié)性，例如盤刷和吸塵口的高度、角度和位置應(yīng)能靈活調(diào)整，以適應(yīng)不同車廂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物料分布情況。系統(tǒng)的傳感器和控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)感知車廂內(nèi)環(huán)境變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整清掃參數(shù)，確保清掃效果的穩(wěn)定和一致。此外，系統(tǒng)應(yīng)能快速適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境，包括溫度、濕度和光照等變化，提高作業(yè)的可靠性和適應(yīng)性。

1.4" 防塵達(dá)環(huán)保要求

在清掃過程中，煤炭等散裝物料容易產(chǎn)生大量粉塵，對(duì)環(huán)境造成污染，并影響操作人員的健康。隨著環(huán)保法規(guī)的日益嚴(yán)格，清車系統(tǒng)需要在清掃過程中有效控制粉塵，確保作業(yè)過程符合環(huán)保要求[7]。因此，智能清車系統(tǒng)需要配備高效的防塵和環(huán)保裝置，確保在清掃過程中有效控制粉塵污染。系統(tǒng)應(yīng)采用密閉吸塵裝置和負(fù)壓輸送系統(tǒng)，將清掃過程中產(chǎn)生的粉塵和物料集中收集和處理，防止粉塵外逸。過濾系統(tǒng)需要具備高效的除塵能力，確保排放空氣達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮低噪音和低能耗，進(jìn)一步減少對(duì)環(huán)境的影響。通過這些措施，確保智能清車系統(tǒng)在高效作業(yè)的同時(shí)，符合環(huán)保法規(guī)的要求，保護(hù)環(huán)境和操作人員的健康。

1.5" 設(shè)備需易于維護(hù)

清車系統(tǒng)在頻繁的作業(yè)過程中會(huì)受到磨損和損耗，設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)是保障系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。傳統(tǒng)設(shè)備維護(hù)復(fù)雜、成本高，不僅增加了運(yùn)營(yíng)成本，還可能導(dǎo)致設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，影響作業(yè)效率[8]。因此，智能清車系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)成易于維護(hù)的結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)成本，提高設(shè)備的可用性。系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各功能模塊可以獨(dú)立拆卸和更換，方便快速維修和保養(yǎng)。關(guān)鍵部件如盤刷、絞龍和吸塵口應(yīng)采用耐磨材料，延長(zhǎng)使用壽命，減少更換頻率。系統(tǒng)應(yīng)配備故障檢測(cè)和預(yù)警功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除故障，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)。此外，系統(tǒng)應(yīng)提供詳細(xì)的維護(hù)手冊(cè)和操作指南，操作人員可以快速掌握設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)方法，進(jìn)一步提高設(shè)備的維護(hù)效率和作業(yè)連續(xù)性。

2" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于智能控制與傳感技術(shù)的火車車廂智能清車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在滿足高效清掃、自動(dòng)化操作、靈活自適應(yīng)、防塵環(huán)保和易于維護(hù)等需求。系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：移動(dòng)平臺(tái)、清掃系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)、負(fù)壓輸送系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。系統(tǒng)登錄界面及首頁(yè)，如圖1所示。

其中移動(dòng)平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所有其他系統(tǒng)都安裝在其上，并通過其進(jìn)行移動(dòng)；清掃系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)際的清掃工作，盤刷和絞龍分離物料，吸料口通過負(fù)壓系統(tǒng)收集物料；升降系統(tǒng)調(diào)整清掃頭的高度，確保清掃系統(tǒng)能覆蓋車廂的不同區(qū)域；激光傳感系統(tǒng)提供車廂內(nèi)部的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)清掃系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的工作；負(fù)壓輸送系統(tǒng)集中處理清掃下來的物料，防止污染；電氣控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)所有部分的運(yùn)行，通過傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能控制和優(yōu)化操作。各部分相互協(xié)作，形成一個(gè)高效、智能的清車系統(tǒng)，各部分之間的相互關(guān)系如圖2所示。

智能清車系統(tǒng)的載體為智能清車機(jī)器人，其對(duì)應(yīng)的3D結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

上述智能清車機(jī)器人不同視角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

上述智能清車機(jī)器人在數(shù)字孿生平臺(tái)的整體實(shí)現(xiàn)效果如圖5所示。

上述智能清車機(jī)器人各組成部分的數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示。

2.1" 移動(dòng)平臺(tái)

移動(dòng)平臺(tái)是整個(gè)清車系統(tǒng)的基礎(chǔ)，承擔(dān)著支撐和移動(dòng)清車設(shè)備的重要任務(wù)。其設(shè)計(jì)需具備較高的穩(wěn)定性和承載能力，確保在各種作業(yè)環(huán)境中都能保持平穩(wěn)運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，移動(dòng)平臺(tái)采用了高強(qiáng)度的鋼結(jié)構(gòu)框架，具有優(yōu)異的強(qiáng)度和耐久性，能夠承受系統(tǒng)的全部重量和作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)載。配備的高強(qiáng)度輪胎和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使得平臺(tái)能夠在鐵軌上平穩(wěn)移動(dòng)，保證了在不同工況下的靈活性和機(jī)動(dòng)性。

在具體設(shè)計(jì)上，移動(dòng)平臺(tái)不僅要能夠承載清掃系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)、負(fù)壓輸送系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，還需要具備良好的布局和安裝條件。平臺(tái)上設(shè)置有多個(gè)安裝位，這些安裝位經(jīng)過精密設(shè)計(jì)和優(yōu)化布局，以確保各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行和有效集成。安裝位的位置和固定方式可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)不同類型和型號(hào)的火車車廂。此外，為了提高移動(dòng)平臺(tái)的操作便利性和安全性，平臺(tái)設(shè)計(jì)中還考慮了防滑措施和應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)。防滑措施包括防滑表面處理和防滑裝置，確保在潮濕或有油污的環(huán)境下，平臺(tái)仍能安全穩(wěn)定運(yùn)行。應(yīng)急制動(dòng)系統(tǒng)則在平臺(tái)意外停止或緊急情況下，能夠迅速啟動(dòng)，確保系統(tǒng)和人員的安全。

2.2" 清掃系統(tǒng)

清掃系統(tǒng)是火車車廂智能清車系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)徹底清理車廂內(nèi)的殘留物料，確保清潔過程的高效和徹底。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要具備強(qiáng)力清掃和高效吸塵功能，以應(yīng)對(duì)不同種類和程度的車廂內(nèi)殘留物，確保車廂在短時(shí)間內(nèi)得到全面清掃。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，清掃系統(tǒng)由多組關(guān)鍵部件構(gòu)成，包括對(duì)稱布置的盤刷、盤刷水平橫移機(jī)構(gòu)、后置絞龍、主副兩組吸料口及其液壓驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

在具體設(shè)計(jì)上，清掃系統(tǒng)采用兩組對(duì)稱布置的盤刷，盤刷通過水平橫移機(jī)構(gòu)在車廂內(nèi)移動(dòng)，能夠覆蓋車廂內(nèi)壁的各個(gè)角落。盤刷的主要功能是分離車廂內(nèi)壁的殘留物，通過旋轉(zhuǎn)和摩擦作用將附著的物料有效剝離。后置絞龍位于盤刷之后，負(fù)責(zé)將分離出的物料集中到一起，方便后續(xù)處理。絞龍的設(shè)計(jì)使其能夠有效地將大量物料快速傳送到吸料口位置，避免二次污染和物料殘留。此外，清掃系統(tǒng)還配備了主副兩組吸料口，吸料口通過負(fù)壓系統(tǒng)作用，將絞龍集中起來的余料迅速吸除。負(fù)壓系統(tǒng)不僅提高了吸料效率，還能有效防止粉塵和微小顆粒的擴(kuò)散，確保清掃過程中的環(huán)保和衛(wèi)生。盤刷和絞龍的操作由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，液壓系統(tǒng)能夠根據(jù)車廂內(nèi)部情況自動(dòng)調(diào)整清掃設(shè)備的位置和力度，確保清掃效果的最佳化。液壓系統(tǒng)的靈活性使清掃系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同車廂的尺寸和形狀，提供定制化的清掃方案。

2.3" 升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)是火車車廂智能清車系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)調(diào)整清掃頭的高度，以確保清掃設(shè)備能夠全面覆蓋車廂內(nèi)的不同區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全方位、無死角的清掃效果。為達(dá)到這一目的，升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)需具備高精度和高可靠性的特點(diǎn)，以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境和清掃需求。

在具體設(shè)計(jì)上，升降系統(tǒng)采用井架及其導(dǎo)向與卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)清掃頭的上下移動(dòng)。井架結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度材料制造，具有優(yōu)異的剛性和穩(wěn)定性，能夠承受清掃頭的重量及作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。井架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)經(jīng)過精密設(shè)計(jì)，確保清掃頭在升降過程中的平穩(wěn)和精準(zhǔn)定位，避免因晃動(dòng)或偏移影響清掃效果。其中，卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)是升降系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)裝置，由高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能夠精確控制清掃頭的高度。電機(jī)通過減速器和卷?yè)P(yáng)繩將清掃頭提升到預(yù)定位置，系統(tǒng)配備的高度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)清掃頭的位置，確保高度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。通過電氣控制系統(tǒng)的智能化控制，卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)車廂內(nèi)不同高度的清掃需求，靈活調(diào)整清掃頭的工作位置。此外，升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅考慮了設(shè)備的功能性和可靠性，還注重操作的安全性和便捷性。系統(tǒng)配備了多重安全保護(hù)措施，如防墜落裝置、過載保護(hù)和緊急停止功能，確保在異常情況下能迅速響應(yīng)，保障設(shè)備和人員的安全。此外，升降系統(tǒng)的操作界面簡(jiǎn)潔直觀，操作人員可以通過人機(jī)界面（HMI）輕松調(diào)整清掃頭的高度和位置，提升工作效率。

2.4" 激光傳感系統(tǒng)

激光傳感系統(tǒng)是火車車廂智能清車系統(tǒng)中的重要組成部分，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)車廂內(nèi)部的環(huán)境情況，包括車廂的形狀、位置以及內(nèi)部物料的分布情況。該系統(tǒng)為清車操作提供精確的導(dǎo)航和定位信息，確保清車過程的高效和安全。通過先進(jìn)的傳感技術(shù)，激光傳感系統(tǒng)能夠大幅提高清車系統(tǒng)的智能化水平，使其在復(fù)雜環(huán)境中依然能夠精準(zhǔn)運(yùn)行。

在具體設(shè)計(jì)上，激光傳感系統(tǒng)采用激光雷達(dá)和3D掃描技術(shù)，能夠生成車廂內(nèi)部的高精度三維圖像。激光雷達(dá)通過發(fā)射激光束并接收其反射信號(hào)，測(cè)量出車廂內(nèi)各點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)處理生成三維模型。這種高精度的三維成像技術(shù)，使系統(tǒng)能夠全面感知車廂內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)和物料分布情況，避免清掃過程中可能出現(xiàn)的盲區(qū)和遺漏。其中，激光傳感器安裝在清掃頭和移動(dòng)平臺(tái)上，確保在清掃過程中能夠?qū)崟r(shí)采集數(shù)據(jù)。清掃頭上的傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)車廂內(nèi)壁和底部的情況，而移動(dòng)平臺(tái)上的傳感器則監(jiān)測(cè)整體車廂的形狀和位置。通過多點(diǎn)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)融合，系統(tǒng)能夠提供精確的導(dǎo)航和定位信息，指導(dǎo)清掃頭和移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑。采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸技術(shù)，實(shí)時(shí)傳送至電氣控制系統(tǒng)，進(jìn)行處理和分析?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)傳感數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃清掃路徑，確保清掃頭能夠有效覆蓋車廂內(nèi)部的每一個(gè)角落。此外，激光傳感系統(tǒng)還具備動(dòng)態(tài)避障功能，當(dāng)檢測(cè)到車廂內(nèi)有障礙物時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整清掃路徑，避免碰撞和損壞設(shè)備。

2.5" 負(fù)壓輸送系統(tǒng)

負(fù)壓輸送系統(tǒng)是火車車廂智能清車系統(tǒng)中的重要組件，負(fù)責(zé)將清掃過程中產(chǎn)生的物料集中收集和排放。該系統(tǒng)不僅能夠有效清理車廂內(nèi)部的殘留物料，還能防止清掃過程中產(chǎn)生的粉塵污染環(huán)境。通過負(fù)壓作用，系統(tǒng)能夠高效地吸取和輸送物料，確保清掃作業(yè)的環(huán)保和衛(wèi)生。

在具體設(shè)計(jì)上，負(fù)壓輸送系統(tǒng)由高效吸塵裝置、過濾裝置和輸送管道組成。吸塵裝置是系統(tǒng)的核心部件，在負(fù)壓作用下，通過吸料口將清掃下來的物料集中吸入。吸塵裝置的設(shè)計(jì)考慮了高效和穩(wěn)定性，能夠在短時(shí)間內(nèi)處理大量的物料，確保清掃過程的連續(xù)性和高效性。為了增強(qiáng)吸塵效果，吸塵裝置配備了多個(gè)吸料口，能夠覆蓋車廂內(nèi)的各個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)全面的物料收集。物料被吸入后，通過輸送管道傳送至集塵箱。輸送管道的設(shè)計(jì)充分考慮了物料的流動(dòng)性和輸送效率，采用耐磨材料和合理的管道布局，確保物料在輸送過程中不堵塞、不泄漏。集塵箱是物料的最終收集點(diǎn)，設(shè)計(jì)有大容量和易清理的特點(diǎn)，能夠存儲(chǔ)大量物料，減少清理頻次，提高清掃作業(yè)的效率。此外，為了確保排放空氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)壓輸送系統(tǒng)還配備了高效過濾裝置。過濾裝置采用多級(jí)過濾技術(shù)，能夠有效除去吸入物料中的粉塵和微小顆粒，防止二次污染。過濾后的空氣通過排氣口排放到環(huán)境中，排放氣體經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)，確保符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，避免對(duì)周圍環(huán)境造成污染。

2.6" 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)是火車車廂智能清車系統(tǒng)的控制中樞，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各個(gè)子系統(tǒng)的工作，確保整個(gè)清車系統(tǒng)的高效、智能運(yùn)行。作為智能清車系統(tǒng)的“大腦”，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須高度集成化和智能化，以滿足復(fù)雜清車作業(yè)的需求。

在具體設(shè)計(jì)方面，電氣控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器（PLC）為核心，通過先進(jìn)的傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)和負(fù)壓輸送系統(tǒng)的集中控制。PLC的高可靠性和可編程性，使其能夠靈活應(yīng)對(duì)不同的清車任務(wù)和操作環(huán)境。控制系統(tǒng)通過各種傳感器實(shí)時(shí)獲取清車系統(tǒng)各部分的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯和算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整各子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保清車作業(yè)的精確性和高效性。此外，電氣控制系統(tǒng)與人機(jī)界面（HMI）緊密結(jié)合，為操作人員提供了直觀、便捷的操作平臺(tái)。通過HMI，操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控清車系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，包括各子系統(tǒng)的工作情況、清掃路徑、升降高度以及負(fù)壓輸送系統(tǒng)的吸塵效果等。HMI還提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄和分析功能，能夠記錄清車作業(yè)的全過程數(shù)據(jù)，為后續(xù)的維護(hù)和優(yōu)化提供依據(jù)。系統(tǒng)還具備故障診斷和報(bào)警功能，當(dāng)檢測(cè)到異常情況時(shí)，能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)并提示操作人員采取相應(yīng)措施，保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。同時(shí)，電氣控制系統(tǒng)還利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作功能。通過網(wǎng)絡(luò)連接，管理人員可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)多個(gè)清車系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和調(diào)度，提高作業(yè)管理的效率和靈活性。同時(shí)，遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)功能也為清車系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供了保障，技術(shù)人員可以通過遠(yuǎn)程接入系統(tǒng)，進(jìn)行故障排查和軟件更新，減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

3" 關(guān)鍵技術(shù)

3.1" 激光傳感技術(shù)

激光傳感技術(shù)是智能清車系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)和導(dǎo)航的核心技術(shù)。通過激光雷達(dá)和3D掃描設(shè)備，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取車廂內(nèi)部的三維圖像和環(huán)境數(shù)據(jù)。激光傳感器安裝在清掃頭和移動(dòng)平臺(tái)上，利用激光束掃描車廂內(nèi)壁，生成高精度的三維地圖。這些數(shù)據(jù)通過無線傳輸至控制系統(tǒng)，用于清掃路徑的規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障。

在智能清車系統(tǒng)中，激光傳感技術(shù)的應(yīng)用大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。首先，它確保了清掃頭在車廂內(nèi)的精準(zhǔn)定位，使得清掃系統(tǒng)能夠有效覆蓋車廂的每一個(gè)角落。其次，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車廂內(nèi)物料的分布情況，激光傳感系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整清掃路徑，避免遺漏和重復(fù)清掃，提升了作業(yè)效率。此外，激光傳感技術(shù)還為系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障，通過檢測(cè)車廂內(nèi)的障礙物和異物，系統(tǒng)能夠及時(shí)調(diào)整清掃策略，避免設(shè)備損壞和作業(yè)事故。

3.2" 負(fù)壓輸送技術(shù)

負(fù)壓輸送技術(shù)是智能清車系統(tǒng)中用于物料收集和排放的重要技術(shù)。該技術(shù)通過負(fù)壓吸塵裝置將車廂內(nèi)的殘留物料集中吸入，并通過輸送管道將其傳送至集塵箱[9]。在這個(gè)過程中，負(fù)壓系統(tǒng)能夠有效控制粉塵，確保清掃作業(yè)的環(huán)保和衛(wèi)生。

在智能清車系統(tǒng)中，負(fù)壓輸送技術(shù)的應(yīng)用確保了清掃作業(yè)的高效和環(huán)保。吸塵裝置在負(fù)壓作用下，能夠迅速將分離出的物料吸入輸送管道，避免物料在車廂內(nèi)的二次污染。輸送管道的設(shè)計(jì)考慮了物料的流動(dòng)性和輸送效率，能夠高效傳輸物料至集塵箱，減少物料在傳輸過程中的滯留和泄漏。集塵箱的大容量設(shè)計(jì)，減少了清理頻次，提高了系統(tǒng)的作業(yè)效率。此外，負(fù)壓系統(tǒng)配備的多級(jí)過濾裝置，能夠有效過濾吸入空氣中的粉塵，確保排放的空氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，減少對(duì)環(huán)境的污染。

3.3" 電氣控制技術(shù)

電氣控制技術(shù)是智能清車系統(tǒng)的控制核心，通過PLC（可編程邏輯控制器）實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。電氣控制系統(tǒng)集成了多種傳感器和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)清掃系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)和負(fù)壓輸送系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[10]。

在智能清車系統(tǒng)中，電氣控制技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平。PLC通過獲取傳感器的數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整各子系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保清掃作業(yè)的精確性和高效性?？刂葡到y(tǒng)通過人機(jī)界面（HMI）與操作人員交互，提供實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄和故障診斷等功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性和可靠性。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，管理人員可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)多個(gè)清車系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和調(diào)度，提高作業(yè)管理效率和靈活性。

3.4" 液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)

液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)在智能清車系統(tǒng)中用于驅(qū)動(dòng)清掃系統(tǒng)的各個(gè)機(jī)械部件，包括盤刷、絞龍和吸料口等。液壓系統(tǒng)通過液壓泵和液壓缸，實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件的精確控制和強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)，確保清掃作業(yè)的效率和穩(wěn)定性[11]。

在智能清車系統(tǒng)中，液壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用增強(qiáng)了系統(tǒng)的清掃能力和靈活性。液壓泵提供穩(wěn)定的液壓動(dòng)力，使得盤刷和絞龍能夠有效分離和集中車廂內(nèi)的殘留物料。液壓缸則根據(jù)車廂內(nèi)的情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整清掃部件的位置和力度，確保清掃作業(yè)的全面性和徹底性。液壓系統(tǒng)的高響應(yīng)性和穩(wěn)定性，使得清掃作業(yè)能夠在不同工況下順利進(jìn)行，適應(yīng)各種復(fù)雜的車廂內(nèi)部環(huán)境。

3.5" 計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在智能清車系統(tǒng)中用于車廂內(nèi)部環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。通過攝像頭和圖像處理算法，系統(tǒng)能夠識(shí)別車廂內(nèi)的物料分布、障礙物位置和清掃效果，為清掃作業(yè)提供準(zhǔn)確的視覺信息支持[12]。

在智能清車系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的智能化程度和清掃效果。攝像頭安裝在清掃頭和移動(dòng)平臺(tái)上，實(shí)時(shí)采集車廂內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理算法分析后，生成車廂內(nèi)的物料分布圖和障礙物位置圖。系統(tǒng)根據(jù)這些視覺信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整清掃路徑和清掃策略，確保清掃作業(yè)的高效和精確。此外，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)還用于清掃效果的檢測(cè)，通過對(duì)比清掃前后的圖像數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠評(píng)估清掃效果，并在必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充清掃，確保車廂內(nèi)的殘留物料徹底清理干凈。

4" 實(shí)踐應(yīng)用

本系統(tǒng)已在濟(jì)寧梁山港、華晉焦煤、寶武集團(tuán)、鞍鋼集團(tuán)等企業(yè)實(shí)踐應(yīng)用，如圖7所示。實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果表明，本系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)上述各種功能，滿足企業(yè)實(shí)際需求，顯著提高火車車廂整體的清車效率。

5" 結(jié)" 論

火車車廂的清車工作是提高運(yùn)輸效率的重要環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)了一種基于智能控制與傳感技術(shù)的火車車廂智能清車系統(tǒng)，通過對(duì)移動(dòng)平臺(tái)、清掃系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、激光傳感系統(tǒng)、負(fù)壓輸送系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)的集成與優(yōu)化，系統(tǒng)能夠高效、徹底地清理車廂內(nèi)部殘留物，顯著提高了清車效率，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和清掃成本，同時(shí)有效控制了粉塵排放，減少了環(huán)境污染。然而，本系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和傳感器精度方面仍有提升空間。未來，將結(jié)合先進(jìn)智能技術(shù)的發(fā)展，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期推動(dòng)本系統(tǒng)在鐵路貨運(yùn)行業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：豐文東（1984.01—），男，漢族，山東濰坊人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：鐵道工程；肖永遠(yuǎn)（1977.10—），男，漢族，山東臨沂人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：鐵道工程；成勇（1981.02—），男，漢族，山東東營(yíng)人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：機(jī)械工程；栗偉（1972.08—），男，漢族，山東泰安人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：鐵道工程；盧德高（1995.10—），男，漢族，廣東韶關(guān)人，本科，研究方向：機(jī)械工程；吳斌云（1994.11—），男，漢族，江西上饒人，本科，研究方向：機(jī)械工程。