無人駕駛的填埋場智能遙控設備的設計和應用

趙由才，楊繼紅，錢春軍，戴世金，黃仁華，周海燕

(1.同濟大學環(huán)境科學與工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092;2.山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272999;3.上海老港廢棄物處置有限公司，上海 201304)

安全填埋是城市生活垃圾和危險廢物處理的一種主要方式［1］。在傳統(tǒng)的填埋作業(yè)中，往往需要卸料、推平、壓實和覆蓋等操作，使用的機械設備包括挖土機、運輸車、推土機和壓實機等機械設備［2－3］。由于填埋場地的不穩(wěn)定性，極易導致在作業(yè)過程中發(fā)生翻車、垃圾堆體滑坡、沼氣爆炸等事故［4］。同時，由于填埋場作業(yè)區(qū)域潮濕、惡臭等惡劣的作業(yè)環(huán)境，尤其是危險廢物填埋場地的嚴重污染，極大地影響了作業(yè)工人的身心健康。

為了提升填埋設備的安全性和可靠性，國內外許多學者對其進行了深入的研究，也采取了一些較為有效的防范措施，如采用駕駛室全密封以隔絕臭氣、采用加厚鋼板以提高行駛安全性等［5］。然而對于長期在垃圾場作業(yè)的人員，這些措施只能部分減小受污染程度，填埋設備事故率依然居高不下，不能從根本上解決問題。

就目前技術而言，最有效的途徑有兩種:無人駕駛技術和遙控駕駛(遠距離操縱)技術。美國、日本已研制出第一代無人駕駛汽車，但費用高、技術難度大，因此延緩了其商業(yè)化進程［6－7］。相比而言，遙控駕駛技術則顯得更加經(jīng)濟、有效。國外學者研制了部分無線遙控的填埋設備，但在價格上，這些產(chǎn)品一般為普通機型的2～3倍，國內用戶難以承受［8］。在技術上，這些公司都拒絕轉讓、公開他們這方面的研究成果。目前來看，國內外還未有無線監(jiān)控式垃圾填埋設備，因此開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的遠程控制垃圾填埋設備具有重要意義。

在工業(yè)4.0和中國制造2025的大背景下，本文基于無人駕駛的新技術，針對填埋場地的特殊性，開發(fā)基于含無人駕駛推土機在內的危險廢物和生活垃圾填埋作業(yè)技術和設備，設計運行了自動旋轉式卸料平臺替代傳統(tǒng)的固定式卸料平臺，使用多功能遙控移動裝置，實現(xiàn)了設備工具和相關物品的遙控搬運。無人駕駛設備可在垃圾層或覆蓋膜上隨意行走，極大的改善了目前現(xiàn)場人工作業(yè)的強度和工人的身心健康。為填埋場的無人駕駛設備提供設計思路，也為我國的自主設計和制造貢獻力量。

1 遙控推土機

推土機是填埋場的常用設備，常用于生活垃圾或危險廢物的填埋－壓實－推土－覆土及場地平整等流程。實現(xiàn)推土機的無人駕駛和智能遙控，可有效改進填埋作業(yè)的安全性。一般來說，要實現(xiàn)推土機的無線遙控，需要將推土機遙控系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、運行狀態(tài)參數(shù)遙測系統(tǒng)、安全運行全自動實時在線監(jiān)控系統(tǒng)作為填埋設備的附加裝置。在現(xiàn)有的推土機上加上該系統(tǒng)便具有相應功能。同時，由于填埋作業(yè)的特殊性和連續(xù)性，需實現(xiàn)手控/遙控完全兼容。

推土機遙控操作的原理如圖1所示。設立遠程操作仿真平臺，工作人員可在仿真平臺上操作操縱桿，同時把操作信號轉換成遙控信號，遙控信號發(fā)射到接收平臺并轉換成控制信號，從而驅使推土機上的泵、馬達等元件工作。這時，需要對原機型進行電液操縱改造，對設備啟動、熄火、油門控制、轉向、換檔、制動、工作裝置動作的手動操縱特點進行研究，確定推土機無線遙控操縱控制策略。開發(fā)填埋設備安全運行全自動監(jiān)控系統(tǒng)，自動檢測并判斷設備的安全運行狀態(tài)，及時進行減速或停車以防設備破壞性損傷，確保設備運行安全，實現(xiàn)設備安全運行的全自動實時在線監(jiān)控［6］。

圖1 遙控操作的基本原理

目前，山推公司開發(fā)的DE17R智能遙控推土機已成功應用于上海老港公司填埋作業(yè)，該遙控推土機主要性能參數(shù)如表1［9］。該系統(tǒng)可遙控與在機駕駛同步兼容，具有推土機仿真駕駛遙控操作平臺，實現(xiàn)1000 m遠程遙控控制。推土機具有雙向防傾翻功能，防碰撞功能和自動怠速功能。

表1 DE17R智能遙控推土機部分參數(shù)

無人駕駛的推土機在未來具有較高的優(yōu)勢:

(1)無人駕駛仿真控制平臺:遙控操作室模擬推土機駕駛臨場感設計，駕駛環(huán)境真實、操作更舒適?？稍谝欢ú僮鞣秶鷥葘ν仆翙C的遙控駕駛操作并配有急停按鈕確保無人駕駛安全。同時可具有無線視頻監(jiān)控控制，實現(xiàn)對推土機前面、后面、鏟刀左刀角、鏟刀右刀角及推土機周邊環(huán)境云臺監(jiān)測。

(2)無人駕駛遙控功能:可遠程遙控實現(xiàn)推土機上下電、發(fā)動機啟動、熄火及油門大小控制。遠程遙控操作前進、后退、行進左轉向、行進右轉向、原地轉向、推土機加減速控制及制動控制。遠程遙控操作鏟刀升降控制、鏟刀左右傾斜控制、鏟刀浮動控制。

(3)無人駕駛安全系統(tǒng):可設計防傾翻功能，前后傾斜15°顯示報警，25°自動進入怠速制動狀態(tài);左右傾斜10°報警，15°自動進入怠速制動狀態(tài);防碰撞功能可實現(xiàn)左右及后方5m距離報警、1m自動進入怠速制動狀態(tài)。推土機自動怠速控制等節(jié)能降耗控制;

(4)工況適應能力:靜壓傳動系統(tǒng)，可無級調速、帶載轉向、原地轉向，靈活機動，適應多種工況。底盤系統(tǒng)接地長度長，離地間隙大，行駛平穩(wěn)，通過性良好;配置環(huán)衛(wèi)鏟，容量大。牽引架與刮泥板一體化設計，可牽引、可踩踏;刮泥板加強設計，強度更強、刮泥效果更好。

2 遙控式履帶布料機

布料機適用于各種塊狀、粒狀等松散物料堆場堆料。它包括:履帶式行走機構、進料裝置、皮帶機系統(tǒng)、臂架俯仰機構、臂架旋轉機構、出料筒系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等。對于材料穩(wěn)定的大型堆場一般采用固定式堆取料機，而對于填埋場等臨時堆場采用裝載機堆料效率很差，顆粒小的物料很難堆到一定高度，且有很大的危險性。目前市場上有簡易的堆料裝置，其存在以下缺點:堆料效率差;堆料高度低，不適應有粉塵物料［10］。

表2 遙控式履帶布料機部分參數(shù)

履帶式布料機可解決以上問題。其特征是:全部系統(tǒng)安裝在移動式平臺上，可以在填埋場作業(yè)區(qū)域內自由移動，行走機構采用履帶式，接地比壓滿足在垃圾表面移動的要求。進料裝置與輸送懸臂集為一體，二者均安裝于一個公共底盤之上，構成一體式移動堆料機。皮帶機系統(tǒng)采用直線式，臂架俯仰機構采用液壓油缸懸臂拉桿或采用液壓油缸推動升降，臂架旋轉機構采用液壓油缸和回轉軸承，出料筒可前后偏擺或回轉布料，使整個系統(tǒng)具有完整地獨立性。

遙控式履帶布料機具有以下優(yōu)點:

(1)使用的靈活性:不需固定設施，不需要增加基礎設施。當不進行作業(yè)時，可以清空所有的移動設備，對現(xiàn)存的作業(yè)工藝影響小?？梢栽谌我馕恢枚蚜?，擴大利用空間。該設備可以輕松遷移到其它地方，提升設備的利用率。

(2)設計的科學性:進料裝置具備穩(wěn)流功能，保證連續(xù)、均勻、平穩(wěn)地供料;整套系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)保堆料，無論是采用液壓油缸懸臂拉桿或采用液壓油缸推動升降，都能使卸料點降到最低水平，減少物料降落的距離;當輸送有塵物料時，進料裝置設計為廂式，進料口處增加橡膠簾罩;出料槽可前后偏擺或回轉布料，設備可移動到碼頭的任意位置和出料槽的廣幅布料極大提高了平均堆料速度。

(3)系統(tǒng)的完整性:配套移動進料裝置，讓自卸卡車以最快的速度進行卸料，極大提高了運營能力。電力或移動式電站可適應不同的工作環(huán)境，輸送有塵物料配套高效的除塵設施。

3 自動旋轉卸料平臺

填埋場用旋轉式卸料平臺替代固定式卸料平臺，主要作業(yè)工藝為:運輸車經(jīng)運輸通道直接正面駛入旋轉卸料平臺，由旋轉卸料平臺完成車頭、車尾的互換，進行360°任意方向的卸料，卸料完成再由旋轉平臺進行轉動，使得運輸車車頭面向運輸通道，正面駛離卸料平臺。此工藝運輸車全部正面駛入(駛離)作業(yè)平臺，完全脫離倒車上坡，最大程度的避免了車輛翻車事故，減少了填埋作業(yè)機械設備的安全隱患。

平臺主要由底盤、平臺、過渡板、一二級爬坡板、支腿穩(wěn)定架、動力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等組成。平臺專用裝置的工作全部采用液壓傳動，液壓電磁閥完全采用電控，同時也設計手動應急操作。具有自行走、回轉、自帶引坡板結構，回轉過程平穩(wěn)、安全可靠，機械化自動化作業(yè)程度高、功能齊全、承載能力大、操作方便、外形美觀大方等優(yōu)點，是一種實用的車輛回轉卸料平臺。

表3 旋轉式卸料平臺部分參數(shù)

圖2 車輛在自動回轉平臺外形圖

4 多功能遙控移動裝置

該移動裝置依靠安裝的蓄電池組來提供動力源，蓄電池將電能輸出至電機減速機一體機，一體機內部將電能轉化為機械能，再在一體機內部將電機輸出的高轉速動力轉化為低轉速動力，同時提高輸出扭矩，傳遞至履帶式行走機構，從而驅動移動裝置的前進、后退、變向等動作。專門用于設備工具和相關物品的搬運，并且自身依靠電能驅動履帶式行走機構可在垃圾層或覆蓋膜上隨意行走，極大的改善了目前現(xiàn)場人工作業(yè)的強度。整個移動裝置的一些列動作全部由一臺手持式的遙控操作手柄來控制完成。

表4 多功能遙控移動裝置參數(shù)

5 結論與展望

填埋場遙控裝置的設計需針對其特殊性，做更高的要求。本文針對目前填埋場中的推土機、布料機、卸料平臺、遙控裝置等自動化設備，介紹了其基本原理和參數(shù)，為后續(xù)跟多的裝備設計提供思路。

無人駕駛的自動車裝備已在國內外悄然興起，填埋場這一細分領域也開始了遠程遙控和無人駕駛的探索。未來，針對更多的設備和裝置，自動化水平會逐步提高，可有效解放生產(chǎn)力，降低安全系數(shù)。