駝峰解體自動提鉤裝置設計與關鍵技術研究

周琪

摘 要：鐵路編組站已逐步走向全面自動化，但是駝峰車輛溜放依舊保持著人工摘鉤的傳統作業方式，較大影響了編組站的作業效率和技術水平。通過對貨車車輛在編組站駝峰溜放作業時的工況以及受力進行分析，建立車組解編時駝峰提鉤點位置數學計算模型，推算駝峰提鉤的有效位置，利用圖像識別、雷達測速、工業機器人等技術手段，研究獲取駝峰主體信號、勾計劃、目標定位、速度測控等信息的方法以及機器人的作業模式和系統能耗，分析研制過程中的關鍵技術，進而確定采用行走式機器人來實現編組站駝峰摘鉤作業自動化的可行性。

關鍵詞：駝峰;自動提鉤;編組站;機器人

中圖分類號：U284.66文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0113-04

Abstract： At present， the railway marshalling station has gradually moved towards full automation， but the traditional operation method of manual unhooking of hump vehicles is still maintained， which greatly affects the operation efficiency and technical level of the marshalling station. This paper analyzed the working conditions and forces of truck vehicles through hump slip operation in marshalling station， established the mathematical calculation model of hump lift point position， calculated the effective position of hump lift hook， studied the methods of obtaining information of hump main signal， hook plan， target location and speed measurement and control ，as well as the robot's operation mode and system energy consumption by means of image recognition， radar speed measurement and industrial robot， analyzed the technical difficulties in the process of development， and then determined the feasibility of using walking robot to realize the automation of hump hook picking in marshalling station.

Keywords： hump;automatic hook lifting;marshalling station;robot

1 研究背景

隨著我國鐵路的高速發展，編組站的自動化程度不斷提升，列車推峰和溜放都已經實現了自動化。但是，在駝峰分解列車時依舊采用傳統的人工摘鉤模式，作業人員工作環境差、勞動強度大、安全風險高，同時還存在因調車作業單污損后錯提和漏提的情況，極大地影響了編組站的作業效率，與國家實施“公轉鐵”后鐵路運量的急速增長極不適應，是現代化編組站急需解決的關鍵問題。近年來，編組站綜合集成自動化系統（Computer Integrated Process System，CIPS）、新一代編組站綜合自動化（SAM）系統等已投入使用，圖像識別、工業機器人、精準測速等技術日趨成熟并廣泛應用，可見，設計一款駝峰解體自動摘鉤裝置，在列車5～7 km/h的推峰速度下，由提鉤機器人按計劃摘開車鉤，部分代替人工完成提鉤、護鉤等作業已具備成熟的理論基礎和技術水平，研究開發駝峰解體自動提鉤裝置的條件已經具備[1-3]。采用自動摘鉤裝置來協助或替代駝峰線上作業人員去完成危險且繁雜的摘鉤作業后，可以全面提升編組站自動化水平，從而實現編組站改編能力、駝峰作業人員勞動生產率、調車作業安全保障水平以及編組站管理能力的全面提高。

2 工況分析

駝峰解體自動提鉤裝置安裝在峰頂平臺位置，工作環境處于室外，要適應風、霜、雨、雪、霧等各種惡劣天氣，要適應強日照和夜間作業，要具備抵抗車廂散落物對設備的沖擊破壞的能力，要滿足無防護狀態下的安全作業需要。根據編組場駝峰作業要求，設備正常情況下全年365 d、每天24 h待機，隨時根據作業計劃進行提鉤作業，分解列車。

3 駝峰提鉤位置計算模型

3.1 數學模型的創建

車輛編組從駝峰峰頂平臺向調車場溜放的過程中，其受到自身及外界的作用力主要有車輛本身重力[Q]、推力[F]、車輛阻力[R總]、支撐力[P]（見圖1）。圖1中，[S]為到達場到車組脫鉤點的距離;[L]為到達場到駝峰信號機的距離;[L1]為該溜放車組的長度，[α]為斜坡和水平面的夾角[4-5]。

在車組從推送坡推送至峰頂平臺，其溜放車的車鉤處于壓鉤狀態下，車鉤容易被提開，稱為提鉤點;當車組繼續推送，車組間的車鉤就會繃緊，車鉤提不開，稱為脫鉤點（或繃鉤點）。該模型是在車鉤繃鉤臨界點分析車組的力。假設在脫鉤點時瞬間達到二力平衡，此時車輛縱向受到一個重力分力[Q1]、阻力[R總]和機車的推力[F]，其關系如式（1）所示。

車組走行過程中因與軌道、空氣接觸，會受到各種阻力，如車輛的基本阻力、曲線阻力、風阻力、道岔阻力等。根據二力受力平衡原理，建立駝峰提鉤位置數學模型，即式（2）、（3）。

式中：[R基]為駝峰推送車輛的單位基本阻力;[m]為車輛質量;[V0]為車輛初速度;[Vt]為時間[t]后車輛的速度。

3.2 提鉤位置模型計算

以C70車為例計算該模型的合理性。C70貨車標記載重為70 t，換長為1.3，以駝峰主體信號機為原點，分別計算駝峰溜放1輛、2輛……12輛時最小的提鉤點距離[Lmin];以駝峰主體信號機為原點，每勾車組的換長作為提鉤點的最遠距離，確定最遠提鉤距離[Lmax]。提鉤點距離計算結果如表1所示。

4 系統方案的研究

駝峰作業自動提鉤裝置主要由信息采集系統、控制系統和摘鉤機器人三大部分組成，如圖2所示。從編組站綜合集成自動化系統以及安裝在峰頂平臺的圖像采集、速度測試、車號識別等裝置獲取的信息經計算機計算并分析判定后傳輸給控制系統，控制系統形成速度指令、位置指令、動作指令，機器人在接到相關指令后迅速匹配鉤提桿形式及位置、車輛速度，指揮機械手臂完成摘鉤和護鉤動作[6-8]。

4.1 信息采集系統

信息采集系統主要負責四個方面的信息收集，包括在既有CIPS或SAM系統中提取勾計劃、通過車號自動識別系統查詢鉤提桿形式及位置、利用圖像識別確定鉤提桿位置、采用攝像裝備監控作業狀況等，相關信息分類進入計算機進行判別。

4.2 控制系統

車站集中控制與車號處理系統將地面識別系統采集到的車輛信息傳送到控制系統，控制系統將提取出的車號與勾計劃進行匹配，判斷是否提鉤，并將提鉤指令下達給提鉤機器人。

4.3 提鉤機器人

在駝峰作業區域，每條推峰線路兩側各設置一套自動提鉤機器人，提鉤機器人按照控制系統發出的指令完成提鉤和護鉤動作。一套機器人作業時，另一套提鉤機器人在作業區始端待命，防止設備故障時影響駝峰解編作業。

5 機器人、導軌及能源系統的選擇

考慮到室外環境，為適應大行程、高精度、高速運行等條件，機器人采用地面輪軌行走，行走采用齒輪齒條傳動的方式。行走軌道敷設高度與作業通道地面一致，便于人工輔助作業。機器人伺服電機功率約為1.1 kW，設備安裝在建筑限界外，停用時，機械臂橫向股道外側，不影響人工作業。

考慮到設備運行的穩定性，行走采用雙軌，軌距約為500 mm（需要勘測現場情況）。導軌材料采用Q345合金鋼。該合金材料為當前市場常用材料，焊接性能和加工性能優良，性價比高，同時可以滿足設備強度要求。

整套裝置采用外接電源的方式，外部電源的功率為6 kW，外接電源敷設。驅動機器人行走的伺服電機，根據機械臂自重和作用力大小，電機參數為：電壓220 V、功率1.1 kW，驅動機械臂、機械手的伺服電機參數為：電壓220 V、功率3 kW，控制系統的參數為：交流電電壓220 V、功率0.5 kW。

6 關鍵技術的處理

6.1 駝峰主體信號的識別及反饋

建立一套駝峰信號采集子系統用于獲取駝峰主體信號，系統由采集設備和工控機組成。

采集設備主要由電源屏采集器和信號機電燈電流采集板組成。其中，電源屏采集器實時監測電源屏輸入/輸出電壓、電流、頻率、相位，信號機電燈電流采集板實時采集駝峰信號機燈絲繼電器（DJ）工作交流電流。電源屏信息通過485接口傳輸信息，燈絲監測采用CAN總線傳輸信息。監測信息傳輸給工控機后，由工控機進行隔離轉換處理，并進行邏輯判斷和顯示意義匹配，同時將駝峰主體信號機的顯示意義以指令的方式發送給機械臂控制系統。

6.2 勾計劃的獲取和識別

目前，在現場中使用的勾計劃系統主要是CIPS或SAM編組站綜合集成自動化系統，屬于不同的公司開發。自動提鉤系統在廠家提供的數據接口以及接口協議基礎上開發對應的數據接口軟件，對勾計劃系統中的數據進行提取和處理，并將數據保存在控制計算機中。作為自動提鉤系統的數據源，這種數據獲取方式是最直接的，可以確保關鍵數據的有效性和完整性，而且開發數據接口周期短，工作量小，系統相互匹配性強，對其他設備不會造成影響。

6.3 速度測控技術

綜合運用輪軸速度傳感器和雷達速度傳感器進行測速。車輛運行過程中，同時使用輪軸速度傳感器和雷達速度傳感器進行測速，并對輪軸速度傳感器的速度信息和雷達速度傳感器的速度信息進行比較，當輪軸速度傳感器的速度信息與雷達速度傳感器的速度信息差值在容許范圍內，輪軸速度傳感器信息作為基準速度信息;當差值超出容許范圍，采用雷達速度傳感器的速度信息進行速度補償。系統軟件主要是對測速傳感器的測量數據進行計算處理，并將結果發送至機械臂控制系統。

6.4 定位技術

運用圖像識別、激光雷達技術進行立體匹配，通過在多個點的集合中找出對應關系而求得各點的視差，然后根據視差信息和投影模型恢復原始景物的三維空間信息，計算目標提鉤桿的三維坐標。摘鉤作業過程中，車輛保持運動，機械臂需要在運動中完成摘鉤作業，非勻速狀態下的速度匹配后，需要快速進行圖像識別并進行判斷和執行指令。由于峰頂平臺和機器人走行軌道長度有限，要求圖像處理快速高效，所以選擇區域特征匹配算法對圖像進行立體匹配，同時可確保計算結果的精確性。

6.5 摘鉤作業環境及摘鉤力測試

我國貨車車型繁多，生產年代不同，標準不一。車輛本身的提鉤種類較多，按作用方式分為上提鉤和下提鉤兩大類。加之結構各式各樣，車輛側面還有很多其他裝置，如手閘制動桿、風管路接頭、制動踏板等分布在車鉤把的上下左右，阻礙機械手伸進和提鉤動作。車輛提鉤桿本身位置也不固定，使機械手不易抓住。各種結構復雜因素增加了自動提鉤的難度。用彈簧測力計測試32臺靜止車體上的提鉤力可知，實測值分布在30～200 N，多數集中在50～80 N。

7 結語

鐵路編組站作業效率直接影響鐵路運輸系統的整體運輸效率與運輸秩序，提高編組站作業效率是提升路網整體輸送能力和運輸送達速度的關鍵，是適應鐵路運量快速增長的有效手段。研究設計駝峰作業自動提鉤裝置，改變傳統人工作業模式，可以協助或替代駝峰線上作業人員的工作，極大改善工人的工作環境，降低安全風險，提高作業效率，打通影響編組站作業綜合自動化的瓶頸環節。當前，人工智能產業中圖像識別、激光雷達和工業機器人已被廣泛應用到各領域，而且技術日趨成熟。將機器人自動提鉤技術運用到駝峰作業中，能克服人工提鉤勞動強度大、安全性差以及提鉤效率低的弊端。

通過研究可知，用行走式機器人來實現編組站摘鉤作業自動化在技術上是可行的，但駝峰解體自動摘鉤系統是一個亟待解決的世界難題，至今還是制約編組站全面自動化的關鍵所在。要真正實現駝峰解體自動化，就要確保運動狀態下機器人的識別能力、分析能力、判斷能力，確保其能準確完成各項指令。

參考文獻：

[1]安迪，馬玉坤，宋海鋒，等.編組站提鉤自動化智能識別設計[J].鐵道運輸與經濟，2020（3）：54-60.

[2]隋英楠，牛瑞雪，郝佳軒，等.駝峰解體提鉤自動裝置設計研究[J].建筑工程技術與設計，2018（6）：1254.

[3]張所斌.基于自動摘鉤機器人模型的設計與制作[D].成都：西南交通大學，2017：12-14.

[4]王戰中，趙賽，劉超穎，等.鐵路貨運懸掛式自動摘鉤裝置設計與運動仿真[J].機械設計與制造，2013（6）：215-220.

[5]何霄.駝峰提鉤自動化系統中目標捕捉的研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2013：33-38.

[6]臧立超.鐵路貨車摘鉤機器人設計與仿真研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2013：13-20.

[7]何霄，李國寧，翟琛.基于雙目立體視覺技術的駝峰自動摘鉤設備研究[J].科學技術與工程，2013（6）：1526-1531.

[8]王小東，謝金虎，崔炳謀，等.駝峰解體作業中自動提鉤機制的研究[J].鐵路計算機應用，2008（4）：5-8.