摘鉤機(jī)器人在貫通式雙車翻車機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

張守波，牟宗濤，楊新杭

（1.日照港股份有限公司第一港務(wù)分公司，山東日照 371100；2.北京匯力智能科技有限公司，北京 100070）

1 背景介紹

1.1 雙車翻車機(jī)卸船系統(tǒng)

日照港翻車機(jī)卸車線采用了貫通式雙車翻車機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)備包括定位車、推車機(jī)、夾軌器、翻車機(jī)本體等設(shè)備。翻卸火車車型為C64、C70、C80、C96系列敞車。

翻車機(jī)翻卸火車時(shí)，需要把整列火車按翻車機(jī)能力分組拆開（解列），然后推車機(jī)把車廂牽入翻車機(jī)平臺，翻車機(jī)旋轉(zhuǎn)翻卸車廂。推車機(jī)將下一組車廂牽入翻車機(jī)平臺時(shí)，同時(shí)把已完成卸車的空車推出翻車機(jī)。定位機(jī)則用于首次牽引重車到推車機(jī)接車位，等待人工解列后，推車機(jī)牽引2列重車進(jìn)入翻車機(jī)，定位機(jī)范圍繼續(xù)牽引重車到待接車位，也即解列位。如此循環(huán)，完成快速翻卸任務(wù)，如圖1所示。

圖1 貫通式翻車機(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)自動化，但火車摘鉤仍然由人工完成。

翻車機(jī)系統(tǒng)人工摘鉤作業(yè)缺點(diǎn)比較突出（圖2）：①作業(yè)空間比較狹小，工人存在卷入運(yùn)行設(shè)備危險(xiǎn)；②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；③翻車機(jī)區(qū)粉塵很大，對工人健康產(chǎn)生不利影響；④工人需要在未中斷翻車機(jī)自動化作業(yè)程序的情況下，擇機(jī)快速完成握持車鉤手柄及解列動作，此時(shí)更容易出現(xiàn)人身傷亡事故。

圖2 翻車機(jī)人工摘鉤

日照港股份有限公司第一港務(wù)分公司南區(qū)1號翻車機(jī)系統(tǒng)由大連重工?起重集團(tuán)有限公司生產(chǎn)。該系統(tǒng)卸車作業(yè)能力大約為60節(jié)/h。卸車系統(tǒng)為單機(jī)自動運(yùn)行，也可進(jìn)行就地操作，可調(diào)整為全線自動運(yùn)行。

1.2 翻車機(jī)系統(tǒng)工作流程

翻車機(jī)系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 翻車機(jī)工作流程

人工摘鉤位置設(shè)置在翻車機(jī)重車線和控制站之間，此處布置有吊掛式按鈕盒，當(dāng)人工摘鉤完成后，工人通過按壓“摘鉤畢”按鈕確認(rèn)摘鉤完成。此時(shí)，撥車機(jī)短時(shí)啟動牽引車廂完成車廂的完全摘鉤和分離。按鈕箱上設(shè)有撥車機(jī)點(diǎn)動前進(jìn)和點(diǎn)動回撞按鈕，用于摘鉤分離不成功時(shí)的再次摘鉤作業(yè)。摘鉤作業(yè)時(shí)，夾輪器將重車列對應(yīng)車輪夾緊。翻車機(jī)自動化程度低，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。

2 車鉤形式

車鉤內(nèi)部結(jié)構(gòu)精巧（圖4），由于車廂類型不同，車鉤形式分為上作用式車鉤和下作用式車鉤（圖5、圖6）。

圖4 車鉤內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 上作用式車鉤詳細(xì)部件

圖6 下作用式車鉤詳細(xì)部件

手柄位置分為高位和低位；手柄摘鉤動作也分為兩種：一種是旋轉(zhuǎn)摘鉤，另一種是上提后旋轉(zhuǎn)摘鉤。

3 摘鉤機(jī)器人作業(yè)過程

隨著人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)、多軸機(jī)械臂技術(shù)、激光雷達(dá)等人工智能技術(shù)在重工業(yè)場景下的應(yīng)用日益廣泛。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)械臂智能自動作業(yè)，實(shí)現(xiàn)自動摘鉤工作。

3.1 列車編號機(jī)器視覺識別

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作的技術(shù)關(guān)鍵。這個問題可以通過識別列車編號的不同類型而區(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)練車號特征模型，最終實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境工況下車號特征的準(zhǔn)確識別，功能完善，性能可靠。

3.2 機(jī)器人摘鉤

摘鉤機(jī)器人布置見圖7。

圖7 摘鉤機(jī)器人布置

摘鉤機(jī)器人配備多軸機(jī)械臂、智能視覺識別系統(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作，實(shí)現(xiàn)火車車廂自動摘鉤，如圖8所示。

圖8 車鉤手柄雷達(dá)識別

摘鉤機(jī)器人通用性強(qiáng)，適用于各種類型敞車車廂，如C64、C70、C80、C96系列。其識別精準(zhǔn)，具有找準(zhǔn)車鉤精準(zhǔn)動作，摘鉤時(shí)機(jī)合適；機(jī)型小巧，適用于狹小作業(yè)空間。

4 翻車機(jī)自動化系統(tǒng)

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

4.1 軟件升級

摘鉤機(jī)器人必須接到系統(tǒng)允許摘鉤指令后才能開始作業(yè)；首次摘鉤失敗后還應(yīng)調(diào)動重牛回撞再二次摘鉤；摘鉤成功信號應(yīng)反饋給翻車機(jī)控制系統(tǒng)。

上述功能的實(shí)現(xiàn)首先要求翻車機(jī)系統(tǒng)與摘鉤機(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)的動作流程配合。

4.2 安全生產(chǎn)防護(hù)系統(tǒng)

翻車機(jī)作業(yè)線全自動無人值守系統(tǒng)是一個有機(jī)的整體，除摘鉤外，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)。

4.3 中控系統(tǒng)操作

摘鉤機(jī)器人檢測系統(tǒng)和交互界面位于翻車機(jī)中控室。其可以與機(jī)器人以及翻車機(jī)系統(tǒng)通信，確保機(jī)器人與翻車機(jī)系統(tǒng)協(xié)同工作，兩者融為一體。同時(shí)確保翻車機(jī)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的主體地位，以翻車機(jī)系統(tǒng)正常工作為主。

5 在實(shí)際作業(yè)中注意的問題

翻車機(jī)摘鉤機(jī)器人系統(tǒng)目前已在日照港股份有限公司第一港務(wù)分公司南區(qū)1號翻車機(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、高效的軟件算法外，在實(shí)際工程應(yīng)用中以下幾點(diǎn)值得注意：

（1）環(huán)境光線對機(jī)器視覺的干擾：系統(tǒng)應(yīng)用了大量基于機(jī)器視覺的圖像識別技術(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），將會降低系統(tǒng)的檢測、識別效果，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。

（2）雷達(dá)數(shù)據(jù)的有效處理：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，將干擾減少到最小。

6 結(jié)束語

實(shí)踐證明，貫通式雙車翻車機(jī)系統(tǒng)投入列車編號識別系統(tǒng)、摘鉤機(jī)器人、中控系統(tǒng)，替代人工實(shí)現(xiàn)了重車自動摘鉤動作，實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全，補(bǔ)全了翻車機(jī)全自動卸車流程中的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有力推動了人工智能技術(shù)在港口的應(yīng)用，切實(shí)提高了港口管理水平。