編組站車輛制動風管自動摘接智能技術研究

欒德杰，楊華昌，馮 軍，閆 石

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所，北京 100081)

0 引言

作為“貨物列車的制造工廠”，編組站的主要任務是根據(jù)列車編組計劃的要求辦理貨物列車的解體和編組工作。除直通列車外，貨物列車自區(qū)間進入編組站后，首先進入車站到達場，然后分別經(jīng)列檢作業(yè)、貨檢作業(yè)、排風作業(yè)、解體作業(yè)、集結作業(yè)、編組作業(yè)和發(fā)車作業(yè)后離開本編組站進入下一區(qū)間。據(jù)統(tǒng)計，鐵路車輛在編組站的停留時間約占車輛總周轉時間的1/3[1]，編組站的作業(yè)效率直接影響到鐵路運輸整體效率和收益。隨著國家打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)行動的推進和中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)貨運增量行動的開展，編組站效率的提升更加成為保證路網(wǎng)暢通、提升運輸效率的關鍵[2]。目前，編組站的諸多作業(yè)仍然主要依靠作業(yè)人員手動完成，如駝峰解體車鉤提鉤作業(yè)、制動風管的摘斷和連接作業(yè)等，影響編組站整體編解效率的提升，且該類作業(yè)勞動強度高、工作壓力大、操作不當極易發(fā)生人身傷亡等事故。

根據(jù)《鐵路調車作業(yè)》(TB/T30002—2020)規(guī)定，排風摘管作業(yè)程序包括：聯(lián)系確認、排風摘管、復檢處理。針對排風摘管作業(yè)項目，作業(yè)人員每次摘風管過程包括彎腰、低頭、排風、摘管，整套動作必須連貫才能做好，以某路網(wǎng)性編組站為例，每班有8人(上、下行方向各4人)進行排風摘管作業(yè)，每人每天平均作業(yè)10多趟車、走行20多km，作業(yè)人員勞動強度較大，尤其在高溫和雨雪天氣時，更容易出現(xiàn)過度疲勞，既增加了列檢作業(yè)人員的安全隱患，也變相加長了貨物列車在編組站的中轉停留時間，進而影響了編組站整體作業(yè)效率的提升。

近年來，對于駝峰峰頂自動提鉤技術的研究相對較多，但研究大多集中在理論研究或實驗室仿真試驗層面[3-4]，而對于制動風管自動摘接技術的研究，在已公開的相關文獻中相對較少，僅在20世紀80年代有過借助車輛溜放力或機車之拉力摘斷制動風管的報道[5]。目前編組站仍然普遍采用人工手動摘斷或連接制動風管的作業(yè)方式。因此，研究編組站車輛制動風管自動摘接智能技術，對于提高編組站整體編解效率具有很高的現(xiàn)實意義。

1 制動風管自動摘接系統(tǒng)架構分析

制動風管是連接兩輛車輛制動主管的軟管，其端部裝有連接器，摘接制動風管就是把兩制動風管的連接器摘斷或連接(以下簡稱“摘接”)，制動風管連接狀態(tài)示意圖如圖1所示。為了降低職工勞動強度，減少作業(yè)風險、提高編組站整體作業(yè)效率和編組站整體作業(yè)的信息化、自動化、智能化水平，綜合考慮編組站站場規(guī)模、解編輛數(shù)、多臺機器人同步摘接等因素，研究設計適用于編組站的車輛制動風管自動摘接智能機器人(以下簡稱“智能機器人”)整體技術方案。

圖1 制動風管連接狀態(tài)示意圖Fig.1 Schematic diagram of brake hose connection

1.1 系統(tǒng)總體架構

適用于編組站作業(yè)特點的智能機器人系統(tǒng)采用分層分布式結構，總體架構分為機器人控制層、通信控制層、規(guī)劃決策層、監(jiān)控顯示層和共享數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構Fig.2 Overall system architecture

（1）機器人控制層。機器人控制層是智能機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構，智能機器人通過多源數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)精準定位，并將自身精確位置和運行狀態(tài)實時上傳給控制中心，結合控制中心下達的運動指令控制機器人底盤走行和機械臂位姿調整。同時實現(xiàn)規(guī)劃路徑上的動態(tài)障礙物的避障處理和關鍵物體的圖像識別，此外實時管理自身電池狀態(tài)并實時向控制中心和手持終端上傳狀態(tài)信息。

（2）通信控制層。通信控制層是智能機器人系統(tǒng)的通信基礎，系統(tǒng)內不同業(yè)務層之間及同一層不同模塊間按需進行有線或無線通信。智能機器人通過從編組站信號系統(tǒng)(包括駝峰機車無線遙控系統(tǒng)、駝峰自動化溜放系統(tǒng)等)接收相關信號設備狀態(tài)和實時作業(yè)信息，用于輔助智能機器人進行制動風管自動摘接作業(yè)。通過與內部組件(電機驅動器、機械臂和末端機械手等)通信，智能機器人可按照規(guī)劃好的路徑完成底盤電機驅動器、機械臂各關節(jié)及末端機械手的驅動，最終完成制動風管自動摘接作業(yè)。通信控制層實現(xiàn)不同網(wǎng)絡之間的物理隔離和系統(tǒng)內整體通信流量控制及各業(yè)務層間通信狀態(tài)的實時監(jiān)控，是系統(tǒng)綜合運行維護的重要支撐。

（3）規(guī)劃決策層。規(guī)劃決策層是智能機器人系統(tǒng)的調度核心，通過與編組站信號系統(tǒng)接口，接收編組計劃信息，并將具體編解信息下達至相應存車線的智能機器人，根據(jù)智能機器人實時位置規(guī)劃制動風管摘接作業(yè)最優(yōu)路徑。對車站內多臺智能機器人運動狀態(tài)實時監(jiān)控并采用協(xié)同調度算法進行多臺智能機器人協(xié)同調度，確保站場內多臺智能機器人能夠并行、有序作業(yè)。

（4）監(jiān)控顯示層。監(jiān)控顯示層是智能機器人系統(tǒng)的人機交互平臺，通過集中顯示站場內智能機器人的實時運行情況，以友好的人機交互形式展示給終端用戶，便于指揮人員隨時人工干預或通過手持終端遠程控制智能機器人實現(xiàn)人機協(xié)作。此外，通過對站場內監(jiān)控視頻的集中顯示，便于指揮人員掌握整體站場車流到達、編組和出發(fā)情況，為站場內多臺智能機器人的綜合任務調度提供決策基礎。

（5）共享數(shù)據(jù)庫。共享數(shù)據(jù)庫是智能機器人系統(tǒng)的存儲核心，通過分庫分表存儲策略將系統(tǒng)內不同業(yè)務數(shù)據(jù)進行分類存儲，包括視頻數(shù)據(jù)(站場綜合采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)、智能機器人作業(yè)視頻數(shù)據(jù)等)、控制數(shù)據(jù)(不同智能機器人路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)、任務調度數(shù)據(jù)、信號系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)等)、定位和感知數(shù)據(jù)(包括差分北斗導航定位，即BDS-RTK數(shù)據(jù)；慣性傳感器，即IMU數(shù)據(jù)；激光雷達，即LiDAR點云數(shù)據(jù)等)和其他運行數(shù)據(jù)等。

1.2 系統(tǒng)硬件架構

根據(jù)智能機器人系統(tǒng)總體架構，系統(tǒng)硬件設計包括站場內機器人子系統(tǒng)、車站控制機房內控制子系統(tǒng)和調度指揮中心內監(jiān)控子系統(tǒng)。其中，車站站場內，根據(jù)站場規(guī)模和編解能力，系統(tǒng)在每條或者相鄰若干條存車線以存車線中心為界設置2臺智能機器人，并為其設置各自獨立的作業(yè)區(qū)域電子圍欄(考慮摘接效率因素，電子圍欄可有適當重疊區(qū)域)，智能機器人接收控制子系統(tǒng)規(guī)劃好的走行路徑自動前往摘接作業(yè)區(qū)域(特殊場景下，也可自行規(guī)劃路徑)，并結合自身傳感器完成走行過程中的障礙物避讓、運動底盤和機械臂控制、制動風管連接器和相關控制閥的位姿識別、機器人的視覺伺服及制動風管的摘接和控制閥的開關等動作，同時與控制中心保持全過程雙向通信，實時上傳自身位置、速度、視覺、位姿等各狀態(tài)至控制子系統(tǒng)。車站控制機房內，設置有機器人系統(tǒng)相關路徑規(guī)劃、定位、監(jiān)控、通信、存儲和車站相關信號系統(tǒng)接口等服務器，通過車站相關信號系統(tǒng)接收編組信息，獲得站場存車線內存車輛數(shù)、存車類型、存車位置等信息，根據(jù)智能機器人當前位置及目標作業(yè)位置進行精確定位，結合高精度地圖對站場作業(yè)的智能機器人集中式路徑規(guī)劃，并將各處采集的視頻信息、實時作業(yè)信息、導航定位信息綜合處理、存儲等。車站調度指揮中心內，設置有站場作業(yè)綜合狀態(tài)和視頻顯示和當前作業(yè)的各臺智能機器人實時作業(yè)狀態(tài)和視頻顯示，為作業(yè)指揮人員提供友好的人機界面。系統(tǒng)硬件架構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件架構Fig.3 System hardware architecture

2 系統(tǒng)關鍵技術

智能機器人系統(tǒng)采用的關鍵技術包括：智能機器人設計技術、視頻監(jiān)控下的動態(tài)目標識別技術、智能機器人路徑規(guī)劃技術、智能機器人運動控制技術、柔性環(huán)境作業(yè)機器人的力感知與力控制技術和視頻綜合監(jiān)控技術等，智能機器人自動摘接作業(yè)過程如圖4所示。

圖4 智能機器人自動摘接作業(yè)過程Fig.4 Automatic uncoupling and connecting process of the intelligent robot

2.1 智能機器人設計技術

通過對編組站車輛制動風管摘接作業(yè)過程分析，摘管作業(yè)按照“一關前、二關后、三摘管、四提鉤”順序摘管，不能顛倒或遺漏，摘管方法分為正手摘管和反手摘管2種。接管作業(yè)按照“一檢查、二接管、三開后、四開前”的順序接管。制動風管的連接類型分為4種：同側正面、同側反面、異側右手位、異側左手位[6-8]。根據(jù)不同連接類型，智能機器人對應的操作均有不同。智能機器人組成結構圖如圖5所示，智能機器人整體示意圖如圖6所示。

圖5 智能機器人組成結構圖Fig.5 Composition structure of the intelligent robot

圖6 智能機器人整體示意圖Fig.6 Overall schematic diagram of the intelligent robot

智能機器人關鍵部件和工作方式設計如下。

（1）機械臂設計。采用6軸機械臂，工作半徑≥800 mm，有效載荷≥5 kg，自身重量≤20 kg。具備力矩控制和運動保護功能，且能夠在力矩過大時采取保護措施，機械臂末端配置雙機械手，實現(xiàn)對制動風管連接器的抓握和摘接。

（2）摘接方式設計。摘接方式可以分為下方摘接和側方摘接，考慮對站場施工改造、基礎設施投入及對既有業(yè)務的影響盡可能低，采取側方摘接制動風管的方式，需要占用軌旁道路，并進行智能機器人實時動態(tài)路徑規(guī)劃。

（3）運動控制設計。智能機器人運動控制方式分為軌道式和輪式[9]。對于軌道式運動來講，運行穩(wěn)定性好、控制較為簡單，可多臺智能機器人同時作業(yè)，但無論是軌道內鋪軌還是軌旁鋪軌對站場改造較大，且新鋪的軌道可能對既有業(yè)務或人員走行帶來影響，此外，設備維護也較為不便；對于輪式運動來講，不需要對既有站場進行大規(guī)模改造，靈活性好，方便進出車站且維護難度相對較低。考慮到編組站站場特點、存車線間距、施工復雜度、轉彎半徑和運動平穩(wěn)性等要素，采用基于麥克納姆輪驅動的輪式小車，可原地轉向，占用空間較小。

（4）導航定位設計。為保證機器人行進過程中不偏離安全軌跡，可通過在地面設立導引條并設置作業(yè)電子圍欄，通過將BDS-RTK和IMU數(shù)據(jù)融合，并結合LiDAR點云數(shù)據(jù)與高精度地圖匹配，必要時再結合里程計算法來共同實現(xiàn)對機器人的精準定位。

2.2 視頻監(jiān)控下的動態(tài)目標識別技術

在智能機器人向車輛連接處運動過程中，實時圖像處理器將激光雷達點云數(shù)據(jù)和雙目視覺圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過各自預處理、配準和融合后[10]，利用深度學習算法(如CNN，RNN，GNN及相關改進算法等)實現(xiàn)對制動風管摘接的關鍵信息進行識別，包括折角塞門自閥手柄、制動風管連接器、車鉤提鉤桿的類型、狀態(tài)、位置和姿態(tài)等的識別和定位。所采用的攝像頭與機械臂末端固定在一起(即eyein-hand模式)，由于目標物體的成像大小隨著機器人的運動不斷變化，且制動風管連接器體可能隨車體或隨風晃動，因而對折角塞門自閥手柄、車鉤提鉤桿識別和制動風管采用動態(tài)目標識別技術進行識別，主要利用基于背景先驗知識的顯著性檢測方法對圖像進行預處理完成圖像邊緣提取，然后利用動態(tài)模板匹配算法進行物體識別[11]，利用識別結果完成智能機器人底盤運動微調和機械臂的路徑規(guī)劃。

2.3 智能機器人路徑規(guī)劃技術

作為機器人研究領域的重要分支，機器人路徑規(guī)劃技術依據(jù)某個或某些優(yōu)化準則(如工作代價最小、行走路線最短、行走時間最短等條件)找出機器人從起始位置狀態(tài)到目標位置狀態(tài)的最優(yōu)路徑。綜合考慮硬件算力、功耗、實時性和作業(yè)沖突檢測要求，智能機器人的作業(yè)路徑規(guī)劃功能(含機器人當前位置至制動風管摘接作業(yè)點的路徑和機器人當前位置至充電樁的路徑)默認由控制中心路徑規(guī)劃服務器完成。根據(jù)從車站信號控制系統(tǒng)獲得的作業(yè)計劃和存留車位置等信息，系統(tǒng)路徑規(guī)劃服務器自動對調車計劃進行分解，并生成機器人作業(yè)序列。智能機器人按路徑規(guī)劃服務器所規(guī)劃好的路徑走行，對于作業(yè)路徑上的動態(tài)障礙避讓，由智能機器人和路徑規(guī)劃服務器交互完成。在路徑規(guī)劃過程中利用全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃協(xié)同處理，目前路徑規(guī)劃方法主要分為2類：一類是傳統(tǒng)的路徑規(guī)劃方法，如人工勢場法、柵格法、A*算法、RRT算法等；另一類是與智能算法相結合的路徑規(guī)劃方法，如遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法、粒子群算法、基于視覺的智能算法等[12]。智能機器人路徑規(guī)劃采用基于RRT算法和人工勢場法的路徑規(guī)劃技術。

2.4 智能機器人運動控制技術

智能機器人運動控制包括機器人底盤運動控制和作業(yè)機械臂運動控制2部分：底盤運動控制主要包括底盤的橫向控制和縱向控制。其中橫向控制主要基于機器人與車列之間及站場內障礙物(如作業(yè)人員、移動物體等)的空間位置關系，通過機器人底盤橫向偏離角度和角速度來實現(xiàn)；縱向控制主要基于作業(yè)效率要求和機器人與目標作業(yè)點之間的距離，通過控制前進方向的速度、加速度來實現(xiàn)。目前機器人底盤橫向控制主要基于底盤動力學特性，運用線性二次型調節(jié)器(Linear Quadratic Regulator，LQR)控制算法、滑模控制(Sliding Mode Control，SMC)、模型預測控制(Model Predictive Control，MPC)等；機器人底盤縱向控制主要是基于車輛動力學的加減速策略和軌跡預測控制等。作業(yè)機械臂運動控制主要分為關節(jié)空間控制和操作空間控制，具體的控制方法有基于機械臂動力學模型的計算轉矩類控制(Computed-Torque Control，CT)、自適應控制、優(yōu)化和魯棒控制及學習類控制等。智能機器人運動控制采用CT和學習類控制技術。

2.5 柔性環(huán)境作業(yè)機器人的力感知與力控制技術

由于制動風管是柔性結構，需要考慮智能機器人作業(yè)時的夾持力與扭轉力矩。首先需要精確的力感知，通過機器人末端和各關節(jié)的力傳感器及相應的傳感數(shù)據(jù)預處理，實現(xiàn)夾持力和扭轉力矩的精確測量；然后通過力控制實現(xiàn)對制動風管的可靠摘接作業(yè)。目前力控制的方法包括：基于力傳感信息的力位混合控制、阻抗控制/導納控制等[13]及結合神經(jīng)網(wǎng)絡等智能技術的力控制方法。智能機器人末端機械手配有力傳感器，采用基于力傳感信息的力位混合控制對制動風管摘斷和連接過程進行力感知和力控制。

2.6 視頻綜合監(jiān)控技術

智能機器人站場作業(yè)實時視頻監(jiān)控包括位于機器人平臺上的自身作業(yè)視頻監(jiān)控和站場多機器人綜合作業(yè)視頻監(jiān)控。這2部分監(jiān)控除傳輸方式不同(前者無線傳輸、后者有線傳輸)外，均涉及視頻采集、視頻壓縮編碼、視頻傳輸、視頻解碼、視頻顯示等環(huán)節(jié)，而為了在綜合顯示屏對全站作業(yè)智能機器人集中監(jiān)控和站場內多路攝像頭采集數(shù)據(jù)的綜合顯示，采用SIFT和SUFR算法進行站場內多路攝像頭采集視頻的圖像拼接[14-15]。視頻綜合顯示處理流程圖如圖7所示。

圖7 視頻綜合顯示處理流程圖Fig.7 Flow chart of integrated video display processing

3 技術應用預期效果分析

制動風管自動摘接智能技術的實施，可將作業(yè)人員從繁重的重復摘接作業(yè)中解放出來，由人工手動作業(yè)升級為機器作業(yè)、人工監(jiān)督，可顯著提高編組站作業(yè)自動化水平，并有效降低作業(yè)人員人身傷害等事故發(fā)生概率，對于編組站整體作業(yè)能力提升具有重要意義。根據(jù)編組站站場情況和作業(yè)特點，可將作業(yè)站場分區(qū)域劃分，如對有15條存車線的到達場，可將存車線中心位置作為分界點，每4條存車線為1個獨立作業(yè)區(qū)域，共設為8個區(qū)域，每個區(qū)域設置1臺智能機器人，并在適當區(qū)域設置自動充電樁，由控制中心統(tǒng)一調度站場內所有智能機器人完成摘接作業(yè)全過程。通過設置多臺智能機器人同步作業(yè)，在減輕人工勞動強度的同時有效提高制動風管摘接效率，壓縮列檢作業(yè)整體時間，提高編組站貨物列車周轉速度，進而實現(xiàn)制動風管摘接作業(yè)遠程化、自動化和智能化，具體技術應用預期效果體現(xiàn)在以下方面。

（1）遠程化。制動風管自動摘接技術在編組站現(xiàn)場應用后，作業(yè)人員由必須前往現(xiàn)場進行人工摘接作業(yè)改為在站場監(jiān)控室內對智能機器人實時作業(yè)進行遠程監(jiān)督，在智能機器人正常作業(yè)過程中，作業(yè)人員無需前往站場內，從而大大降低作業(yè)人員勞動強度，明顯改善作業(yè)人員的工作條件和工作效率。通過調度指揮中心統(tǒng)一指揮，在實時監(jiān)控智能機器人作業(yè)的同時，作業(yè)人員還可通過無線方式遠程控制智能機器人行進、摘接作業(yè)，有效完成多臺智能機器人的作業(yè)調度和并行作業(yè)指揮。

（2）自動化。智能機器人通過與車站相關信號控制系統(tǒng)接口，自動接收信號控制系統(tǒng)作業(yè)相關信息、實時通信、自動規(guī)劃路徑并自動尋跡、自動上報作業(yè)結果，在獲取相關系統(tǒng)作業(yè)信息的同時可將智能機器人作業(yè)關鍵信息反饋給信號控制系統(tǒng)，作為站場相關信號控制系統(tǒng)安全防護的基礎信息。

（3）智能化。智能機器人基于激光雷達和毫米波雷達點云數(shù)據(jù)、攝像機圖像數(shù)據(jù)、北斗導航定位數(shù)據(jù)和慣性傳感器數(shù)據(jù)等信息融合處理，實現(xiàn)作業(yè)關鍵點智能識別、目標運行路徑智能規(guī)劃、行進過程自動避障、摘接作業(yè)自動完成、設備電源智能管理及自動充電等。

綜上所述，制動風管自動摘接技術實施后，多個區(qū)域智能機器人可根據(jù)作業(yè)計劃并行進行制動風管的摘接作業(yè)，路網(wǎng)性編組站上、下行方向排風制動作業(yè)人員數(shù)量預計可在既有作業(yè)人員總數(shù)基礎上減少50%以上，且作業(yè)人員由室外作業(yè)移至室內監(jiān)控，將有效杜絕作業(yè)人員摘接作業(yè)過程中的人身傷害等危險。

4 結束語

鐵路編組站的發(fā)展趨向于信息化、自動化和智能化，作為智能編組站先進技術的組成部分，制動風管自動摘接智能技術的研究可將作業(yè)人員從繁重的重復人工摘接作業(yè)中解放出來，降低作業(yè)人員勞動強度和作業(yè)人員人身傷亡事故的發(fā)生概率。智能機器人通過與車站相關信號控制系統(tǒng)接口，可將制動風管摘接狀態(tài)實時反饋給車站值班人員、調車機司乘人員，便于轉場前的試風作業(yè)及時進行。此外，通過多臺制動風管智能機器人并行協(xié)同作業(yè)，可顯著加速編組站車輛周轉速度，有效提高編組站車輛編解效率，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。