基于物聯(lián)網(wǎng)的高速貨運列車智能裝卸系統(tǒng)研制

王亦金 吳 昊 杭國強

(今創(chuàng)集團股份有限公司 江蘇 常州 213102)

隨著我國電商產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，快遞物流運輸量每年都在高速增長。據(jù)統(tǒng)計，2015～2019年中國快遞業(yè)務(wù)量的年均增幅超過25%。傳統(tǒng)的快遞物流業(yè)務(wù)[1]，存在時間長、能耗大、成本高、效率低等不足，嚴重制約了快遞物流的發(fā)展。為了加快形成以國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局，同時解決人民群眾日益增長的快遞貨物運輸需要和鐵路運力不足之間的矛盾，助力建設(shè)交通強國，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速貨運列車智能裝卸系統(tǒng)意義重大。

1 系統(tǒng)要求與方案介紹

經(jīng)與客戶溝通，智能裝卸系統(tǒng)要求如表1所示?；谖锫?lián)網(wǎng)的高速貨運列車智能裝卸系統(tǒng)是集成自動化機構(gòu)、電氣控制、信息處理、通信等復(fù)雜技術(shù)的裝卸平臺。

該系統(tǒng)采用底部模塊化布局方式，將整節(jié)車廂規(guī)劃為36個小集裝器貨位，門區(qū)占據(jù)4個裝卸貨位，以門區(qū)為中心，左右兩側(cè)各16個貨位，車廂端部為輔助設(shè)備區(qū)。底部縱向移載單元分為4組，車廂左右各2組，每組安裝2臺縱移拖曳小車。底部橫向移載單元分為12組，門區(qū)并列4組，往左右方向，每隔3個貨位設(shè)2組。地鎖32組，車廂內(nèi)門區(qū)4組未設(shè)置地鎖，其他車廂32個工位都需要安裝地鎖。1節(jié)車廂配備1套轉(zhuǎn)載器隨車運輸，安裝在車廂門區(qū)。系統(tǒng)平面布置方案如圖1所示。

表1 系統(tǒng)要求

1—電氣柜；2—地鎖；3—橫向移載單元；4—轉(zhuǎn)載器；5—大集裝器；6—小集裝器；7—縱向移載單元。圖1 裝卸系統(tǒng)平面布置方案圖

1.1 橫向移載單元

橫向移載采用輪轂電機作為動力，通過電推桿升降輪轂電機，實現(xiàn)輪轂電機和集裝器底部齒條嚙合和脫離，最終完成集裝器在車廂內(nèi)的橫向移載，如圖2所示。

圖2 橫向移載機構(gòu)示意圖

1.2 縱向移載單元

縱向移載機構(gòu)采用伺服電機作為動力驅(qū)動鏈條，鏈條上布置有小車，小車上布置有推桿驅(qū)動的卡爪，通過卡爪拖曳集裝器實現(xiàn)集裝器在車廂內(nèi)的縱移[2]。該系統(tǒng)埋置于地板之中，呈縱向分布形態(tài)，車廂的縱向兩側(cè)對稱分布1套同步拖曳鏈。為了保證移載過程的平穩(wěn)性，整個車廂共有4套同步拖曳鏈。同時，左右車廂2套同步拖曳鏈系統(tǒng)可以同時裝卸，提高裝卸效率(見圖3)。

圖3 縱向移載系統(tǒng)示意圖

1.3 地鎖

車廂底部鎖緊機構(gòu)，采用絲桿升降機作為動力，高強度鎖扣作為鎖固卡扣[3]，在鎖緊后能實現(xiàn)機械自鎖。當?shù)撞挎i緊機構(gòu)處于鎖止狀態(tài)，升降機推桿收縮。拉回橫桿實現(xiàn)卡扣解鎖。當升降機推桿推出時，推動橫桿實現(xiàn)鎖固。當有需要時，操作人員可以取出人工解鎖桿，此時可轉(zhuǎn)動手動開鎖桿，推動夾爪的開合(見圖4)。

圖4 地鎖系統(tǒng)示意圖

1.4 電氣控制系統(tǒng)

貨運動車組智能裝卸系統(tǒng)以整節(jié)車廂門區(qū)中線劃分為左、右車廂2個控制系統(tǒng)，2個控制系統(tǒng)既可以獨立驅(qū)動也可以相互聯(lián)合驅(qū)動。電氣控制系統(tǒng)中，門區(qū)車廂頂部布局貨物識別裝置，其他電氣功能部件裝置均布設(shè)在車廂底部，電氣控制系統(tǒng)平面布局如圖5所示。

圖5 電氣控制系統(tǒng)平面布置示意圖

電氣控制系統(tǒng)組成如圖6所示，該系統(tǒng)由監(jiān)控層、處理層、執(zhí)行層組成。系統(tǒng)在執(zhí)行層及處理層分為左、右車廂獨立控制，在監(jiān)控層及對外接口進行統(tǒng)一管理。其中，監(jiān)控層包括警示燈、無線AP、手持終端等設(shè)備，手持終端通過Wi-Fi與無線AP連接；處理層包括控制模塊、中央執(zhí)行單元、串口模塊、IO模塊、接口模塊以及任務(wù)計算機等設(shè)備；執(zhí)行層包括縱移推桿控制器、縱移推桿、縱移定位測距儀、橫移推桿控制器、橫移推桿、橫移傳感器、地鎖控制器、地鎖以及RFID識讀器等設(shè)備。處理層中的中央執(zhí)行單元通過網(wǎng)絡(luò)通道與車輛系統(tǒng)的信息處理中心進行通訊，整個電氣控制系統(tǒng)由車輛提供電源。

圖6 電氣控制系統(tǒng)組成示意圖

裝卸系統(tǒng)由貨物識別、路徑規(guī)劃、橫向移載、縱向移載、地鎖、傳感檢測、監(jiān)控告警等多個功能單元組成，通過各功能單元之間的配合，實現(xiàn)對大、小集裝器的自動裝載、卸載、鎖固、解鎖等動作。

(1)貨物識別單元

貨物識別單元主要由RFID識讀器、電子標簽、傳輸線纜等組成。該識別單元的組成如圖7所示，4個RFID識讀器安裝于門區(qū)裝卸貨位頂板上，分別負責門區(qū)4個工位進出的集裝器的識讀。當集裝器進入車廂時，其頂部電子標簽中的產(chǎn)品信息被RFID識讀器讀取并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

圖7 貨物識別單元組成示意圖

(2)路徑規(guī)劃單元

路徑規(guī)劃單元以任務(wù)計算機為平臺，依據(jù)車輛系統(tǒng)提供的裝卸貨物表，并且結(jié)合車廂內(nèi)實際的貨位狀態(tài)信息，裝車時為集裝器規(guī)劃最佳位置；卸車時為集裝器規(guī)劃一條效率較高的卸載路徑(見圖8)。

圖8 路徑規(guī)劃單元連接示意圖

(3)橫、縱向移載單元

橫向移載單元由輪轂電機、推桿、控制器等構(gòu)成，輪轂電機和推桿與控制器連接，而控制器由電氣柜供電，并與電氣柜進行數(shù)據(jù)交換?？刂破鳛楣径ㄖ飘a(chǎn)品，采用STM32F103單片機為控制核心，并設(shè)計了三相橋式電路作為輪轂電機的驅(qū)動電路。

縱向移載單元由伺服電機、伺服電機控制器、推桿和推桿控制器等構(gòu)成，伺服電機和控制器技術(shù)成熟，性能穩(wěn)定，推桿控制器以STM32F103單片機為主芯片，并以H橋電路作為推桿的驅(qū)動電路。

(4)傳感檢測單元

傳感檢測單元包括電磁開關(guān)和機械式限位開關(guān)。其中，電磁開關(guān)用于集裝器橫移位置的檢測，機械式限位開關(guān)用于防止縱移機構(gòu)動作超出設(shè)計范圍而導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞，具體連接如圖9所示。

(5)監(jiān)控告警單元

該單元用于系統(tǒng)狀態(tài)、車廂貨位狀態(tài)信息、故障和告警信號等顯示，由任務(wù)計算機、無線AP、手持式終端、警示燈構(gòu)成。

圖9 傳感檢測單元連接示意圖

2 試驗驗證與樣機

在樣機完成試制之后進行了裝卸系統(tǒng)的沖擊振動、靜載、裝卸時間測試等(見圖10)。沖擊振動試驗采用IEC 61373：2011《鐵路應(yīng)用 機車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》Ⅰ類A級標準，包括模擬長壽命試驗、沖擊試驗、功能性隨機試驗，其中模擬長壽命試驗和功能試驗為隨機振動；靜載試驗采用模擬負載的型式。模擬長壽命試驗條件、沖擊試驗條件、功能試驗條件分別如表2-表4所示，垂向模擬長壽命試驗控制譜曲線、垂向沖擊試驗控制波形、垂向功能試驗控制譜曲線分別如圖11-14所示。試驗結(jié)束后，地鎖機構(gòu)功能正常，自動和手動模式下能正常上鎖解鎖，連接件無松動。

表2 模擬長壽命試驗條件

表3 沖擊試驗條件

表4 功能試驗條件

圖10 沖擊振動試驗實物圖

圖11 試驗件垂向模擬長壽命試驗控制譜曲線

圖12 試驗件垂向沖擊試驗控制波形(正向)

圖13 試驗件垂向沖擊試驗控制波形(負向)

圖14 試驗件垂向功能試驗控制譜曲線

該智能裝卸系統(tǒng)已經(jīng)在時速350 km高速貨運動車組完成了安裝與調(diào)試，并已通過相關(guān)驗收。該智能裝卸系統(tǒng)實物如圖15所示。經(jīng)過初步驗證，該系統(tǒng)可以有效縮短裝卸時間，降低人力成本，減輕裝卸人員的勞動強度，同時顯著提升運輸效率。

圖15 智能裝卸系統(tǒng)實物圖

3 結(jié)束語

基于時速350 km高速貨運動車組平臺，開發(fā)了高速貨運列車智能裝卸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由橫向移載單元、縱向移載單元、地鎖、電氣控制等子系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了集裝器自動裝載、卸載以及在車廂內(nèi)部的鎖固、解鎖、移載等功能。該系統(tǒng)完成了相關(guān)的型式試驗，結(jié)果符合設(shè)計要求。經(jīng)過初步驗證，可以有效縮短裝卸時間，降低人力成本，減輕裝卸人員的勞動強度，提升運輸效率，為貨運裝卸系統(tǒng)的自動化、智能化提供了切實可行的解決方案，亦為后續(xù)大規(guī)模的應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。