摘鉤機(jī)器人在翻車機(jī)全自動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

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(jī)系統(tǒng)

火車卸煤翻車機(jī)系統(tǒng)主要采用折返式翻車機(jī)，系統(tǒng)設(shè)備包括重牛、夾軌器、翻車機(jī)本體、遷車臺(tái)、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(jī)形式

目前，翻車機(jī)系統(tǒng)主要工作流程已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)進(jìn)行摘鉤，容易絆倒卷入；火車來煤晝夜不停，工人長時(shí)間工作精力不足，夜間工作效率降低；翻車機(jī)卸煤區(qū)域粉塵大，對工人健康產(chǎn)生影響。

圖2 翻車機(jī)人工摘鉤

神華國能天津大港發(fā)電廠1號(hào)翻車機(jī)系統(tǒng)1991年投產(chǎn)使用，由意大利散料運(yùn)輸公司生產(chǎn)。翻車機(jī)系統(tǒng)設(shè)備年代久遠(yuǎn)，自動(dòng)化程度低，工人工作強(qiáng)度大，人身安全風(fēng)險(xiǎn)大。通過摘鉤機(jī)器人以及摘復(fù)鉤機(jī)器人的加入，實(shí)現(xiàn)了翻車機(jī)系統(tǒng)的全自動(dòng)卸車流程，有效降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，提高了生產(chǎn)效率。

1.2 翻車機(jī)系統(tǒng)工作流程

大港發(fā)電廠1號(hào)翻車機(jī)系統(tǒng)主要包含重牛、夾軌器、翻車機(jī)本體、遷車臺(tái)、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(yùn)行，等待人工進(jìn)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(rèn)，重牛繼續(xù)后續(xù)流程；重牛將翻車機(jī)上的已完成翻卸的空車廂推至遷車臺(tái)上，后續(xù)遷車臺(tái)將空車廂遷移至空車線上。在遷車臺(tái)遷移空車廂之前，需要人工進(jìn)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(diǎn)按按鈕，遷車臺(tái)遷移空車廂至空車線。輕牛推動(dòng)空車廂在空車線上碰撞實(shí)現(xiàn)空車廂的掛鉤。

翻車機(jī)自動(dòng)化程度低，需要人工實(shí)時(shí)參與作業(yè)，人工的工作強(qiáng)度大，存在安全隱患，而且翻車機(jī)卸煤區(qū)域煤塵嚴(yán)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(jī)工作流程

2 機(jī)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(shí)別技術(shù)、多軸機(jī)械臂技術(shù)、雷達(dá)應(yīng)用越來越多地進(jìn)入了重工業(yè)應(yīng)用場景。本項(xiàng)目定制研發(fā)多軸摘鉤機(jī)械臂，通過機(jī)器視覺和激光雷達(dá)檢測和識(shí)別目標(biāo)手柄，融合多傳感手段進(jìn)行智能狀態(tài)檢測和高精度伺服電機(jī)控制等功能，達(dá)到機(jī)械臂智能自動(dòng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)摘鉤及摘復(fù)鉤工作。

2.1 列車編號(hào)識(shí)別

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

在機(jī)器人摘鉤前序特定位置安裝高清攝像頭，采用基于機(jī)器視覺的圖像識(shí)別技術(shù)，利用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練車號(hào)特征模型，最終實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境工況下車號(hào)特征的準(zhǔn)確識(shí)別，功能完善，性能可靠。

圖4 摘鉤機(jī)器人布置

2.2 摘鉤機(jī)器人

摘鉤機(jī)器人配備多軸機(jī)械臂、智能視覺識(shí)別系統(tǒng)及高精度雷達(dá)，可以準(zhǔn)確區(qū)分不同車型的車鉤情況，根據(jù)識(shí)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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)火車車廂自動(dòng)摘鉤。

圖5 車鉤手柄識(shí)別

摘鉤機(jī)器人通用性強(qiáng)，適應(yīng)不同類型敞車車廂；識(shí)別精準(zhǔn)，找準(zhǔn)車鉤精準(zhǔn)施力，摘鉤時(shí)機(jī)合適；機(jī)型小巧，適應(yīng)狹小作業(yè)空間。

2.3 摘復(fù)鉤機(jī)器人

翻車機(jī)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(jìn)行人工摘鉤和開鉤。

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

3 翻車機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)

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

3.1 下位軟件升級

摘鉤機(jī)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(dòng)重牛回撞再二次摘鉤；摘鉤成功信號(hào)應(yīng)反饋給翻車機(jī)控制系統(tǒng)。

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

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

圖6 翻車機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)

3.2 上位軟件升級

翻車機(jī)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(fù)擔(dān)。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(jī)器人監(jiān)控界面，包含動(dòng)作參數(shù)及流程狀態(tài)信息，使值班員能夠?qū)Ψ嚈C(jī)卸車全流程有整體把握。

3.3 安全防護(hù)系統(tǒng)完善

翻車機(jī)作業(yè)線全自動(dòng)無人值守系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)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(dòng)控制。系統(tǒng)新增基于雷達(dá)檢測原理的翻車機(jī)內(nèi)重車定位保護(hù)、空車掛鉤未成功檢測，基于圖像識(shí)別的風(fēng)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(shí)現(xiàn)全面安全防護(hù)下的機(jī)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(jī)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(hào)翻車機(jī)線卸車作業(yè)中得到了實(shí)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(jì)合用的摘鉤策略、高效的軟件算法之外，在實(shí)際工程應(yīng)用中以下幾點(diǎn)值得注意：

（1）雷達(dá)數(shù)據(jù)的有效處理：在環(huán)境狀況良好時(shí)激光雷達(dá)通?？梢蕴峁┓浅?zhǔn)確的測量結(jié)果。但在翻車機(jī)附近，煤粉濃度、濕度指標(biāo)極高，煤粉顆粒、水汽等會(huì)對激光雷達(dá)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(shí)物體輪廓，將干擾減少到最低程度。

（2）環(huán)境光線對機(jī)器視覺的干擾：列車編號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、車鉤手柄識(shí)別系統(tǒng)均應(yīng)用了基于機(jī)器視覺的圖像識(shí)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(huì)降低系統(tǒng)的檢測、識(shí)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(shí)踐證明，翻車機(jī)系統(tǒng)投入列車編號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、摘鉤機(jī)器人以及摘復(fù)鉤機(jī)器人，替代人工實(shí)現(xiàn)了重車自動(dòng)摘鉤、空車自動(dòng)摘復(fù)鉤動(dòng)作，保障了本質(zhì)安全，補(bǔ)全了翻車機(jī)卸車流程中全自動(dòng)作業(yè)的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有力推動(dòng)了人工智能技術(shù)在燃煤電廠的應(yīng)用，切實(shí)提高了電廠管理水平。