鐵路貨運生產作業與管控平臺背景下裝卸機械智能化發展探討

張方明

(中國鐵路上海局集團有限公司 蚌埠貨運中心，安徽 蚌埠 233017)

0 引言

隨著鐵路貨運改革的不斷深入，貨運票據電子化和集中辦理等業務辦理模式已經逐步實施，特別是鐵路貨運生產作業與管控平臺(以下簡稱“管控平臺”)的出現，加速貨運生產自動化和智能化發展進程[1]。通過將物聯網、大數據、云計算、人工智能(AI)等新型信息技術與先進傳感器相互融合構成了目前智能裝卸的底層技術，誕生了以自動化軌道吊為主的港口自動化作業以及各類自主移動機器人(AMR)的智能倉儲作業模式。然而，在智能裝卸方面，鐵路與港口、快遞物流差距明顯，近些年鐵路開展了遠程控制門式起重機等智能化探索，但是高昂的投入成本以及較少的應用場景使得這些成熟的技術難以適應鐵路裝卸發展。鐵路貨運在體量、貨源和裝卸特點上與其他運輸方式有著本質不同，面對物流智能化的新形勢以及管控平臺帶來的新機遇，亟需分析鐵路裝卸機械智能化發展存在的問題。

1 鐵路裝卸機械發展現狀

鐵路裝卸機械傳統主力機型主要有橋門式起重機、叉車、裝載機等，隨著現代物流業的發展，集裝箱正面吊、集裝箱專用門式起重機、電瓶叉車等設備逐漸增多。目前鐵路貨源仍以“黑貨”大宗物資為主，“白貨”比重逐年增加，尤其是集裝箱運輸發展迅速。隨著貨源以及運輸方式的改變，鐵路裝卸機械數量配比發生了巨大變化，與集裝箱有關的裝卸機械數量增幅巨大，而與煤炭、礦粉等散堆裝貨物有關的裝卸機械如卸煤機、裝載機的數量則急劇下滑。隨著技術的進步和政策的變化，裝卸機械的智能化、信息化和自動化水平將越來越高，但目前鐵路裝卸機械智能化水平仍處于初級階段。下面以蚌埠貨運中心為例，分析鐵路裝卸機械發展情況。

蚌埠貨運中心轄區地處皖北，西臨河南，東接江蘇，煤炭、糧食資源豐富，貨運量穩居中國鐵路上海局集團有限公司(以下簡稱“上海局集團公司”)前列，管內站點眾多，但綜合性物流基地較少，制造業分布和經濟發展不均衡，具備鐵路貨運的典型特征。蚌埠貨運中心現有各類裝卸機械89臺(不含外入設備)，其中各類起重機械14臺、叉車37臺、裝載機25臺，此外還有少量正面吊、扒料機等其他設備，蚌埠貨運中心裝卸機械類型與數量如表1所示。這些裝卸設備全部為人工操作，沒有自動化和智能化，信息化水平較低，需要大量輔助作業人員[2]。蚌埠貨運中心裝卸機械數量不足上海局集團公司裝卸機械總量的10%，但2022年貨物發送和到達量分別占上海局集團公司近25%和20%，其中“黑貨”占比超85%是以較少的機械數量完成更多貨物運量的重要因素。“白貨”裝卸需要更多的機械和人力，隨著“白貨”比重逐年增加，現有的裝卸機械和人員配置將不能滿足裝卸需求。

表1 蚌埠貨運中心裝卸機械類型與數量 臺Tab.1 Types and quantities of loading and unloading machinery in Bengbu Freight Center

2 鐵路裝卸機械智能化發展問題分析

鐵路裝卸機械目前的智能化、信息化程度落后，不僅與港口裝卸有較大差距，也達不到“管控平臺”應用推廣的基本要求，當前制約鐵路裝卸機械智能化發展的突出問題主要包括以下方面。

（1）機械裝備落后，智能化水平低。鐵路裝卸機械裝備機型陳舊、技術落后，智能化、自動化水平與港口及快遞物流差距明顯。現有的裝卸機械為傳統機型，缺乏環境感知模塊和自動駕駛能力，機械智能化水平低，與配有豐富傳感器和安全預警的自動化裝卸機械相比，傳統機械需要大量人力操作，不僅人力成本巨大，作業時間受影響，裝卸作業效率低，安全把控更加復雜。而在港口裝卸中的遠程操控門式起重機采用自動堆箱技術，通過激光雷達等先進傳感裝置，實現自動化運行，并使用無人智能導引運輸車與碼頭操作系統對接，實現無人駕駛、自動導航、路徑優化以及安全避障等智能化功能。裝卸機械智能化不足導致自動化水平低，很多作業需要借助大量人力完成，比如成件包裝貨物裝卸中的拆剁和堆碼作業均由人力完成，一方面堆碼質量參差不齊，另一方面勞動力不足，影響裝卸作業。智能裝卸對作業場地和機械設備有著較高要求，然而，蚌埠貨運中心配置的大量機械以內燃動力為主，自動化控制難度大，通過裝卸機械的多功能化滿足多樣化的貨物種類裝卸需求，間接加大了智能化難度，另外，缺乏對貨區貨位的精細劃分和精準管理，目前的貨場環境不能滿足智能裝卸機械應用的基本要求。

（2）信息化程度不足，缺乏互聯互通。蚌埠貨運中心管內鐵路裝卸機械的信息化設備主要有無線電通信和視頻監控，雖設置了大量攝像頭，但是不具備圖像識別功能，沒有配置智能門禁系統，無法采集車號和箱號。裝卸機械缺少與作業相關的信息采集功能，也沒有進行數據聯網，與作業生產有關的信息無法直接獲取。例如，橋門式起重機進行集裝箱作業時，集裝箱位置信息無法自動采集，確認不了集裝箱移動的實時位置，需要人工確認；汽車衡、集裝箱超偏載檢測數據缺乏互聯互通，大量信息傳遞依靠紙質傳遞和人力錄入系統；裝卸排班單和作業票手工填寫、作業中的操作指令通過無線電對講機進行傳遞和指揮，不僅信息傳輸效率低，通過人力傳輸信息容易出錯。但在港口和快遞物流中，通過采用5G通信技術與攝像頭、遠程操作系統、定位裝置、管控平臺相互連接，實現裝卸作業的自動化控制，在智能駕駛方面已進行5G電動智能重卡路測，通過毫米波雷達、高清攝像頭、多重傳感器，依托5G通信技術進行信息互聯，無人駕駛級別達到L4級，實現全程規避人為干預。目前，蚌埠貨運中心配置網絡為局域網，無線傳輸覆蓋不足，裝卸機械的數據采集和傳輸的硬件模塊搭建與“管控平臺”的目標要求相差較大。

（3）維修保養體系不完善，設備運行穩定性差。鐵路裝卸作業環境較差，在裝卸過程中由于零部件的磨損、疲勞、蝕損，導致機械的性能惡化，極易造成機械的故障和損壞[3]。現有的維修保養體系實行“計劃預防修”的檢修模式，按照固定的檢修周期實施，包括定期保養、故障維修、中(項)修和大修，存在“過度修”和“不足修”問題[4]。隨著傳感器技術的發展，設備故障監控和診斷系統已經廣泛應用，在內燃汽車領域中，車載自動診斷系統(OBD)使汽車故障的診斷做到標準化，新能源汽車還可以利用空中下載技術(OTA)技術做到對電子控制單元(ECU)進行遠程升級，以修復缺陷，改善性能。在港口和快遞物流智能裝卸機械中也廣泛應用機械故障預測與健康管理系統(PHM)，對智能裝卸機械的運行狀態進行實時監測，進行自主故障監控和診斷。目前，鐵路裝卸機械采用以人為主的檢修模式，發現問題較為滯后，由于現有設備缺少相應傳感器，無法實現設備自檢、故障診斷功能，不能進行自檢信息采集分析，缺乏對機械和零部件全壽命周期數據掌握，造成檢修較為盲目。蚌埠貨運中心管內鐵路貨場分散，存在設備日常維護保養質量不高、維修時效性不強的問題，設備運行穩定性得不到有效保證，不利于智能裝卸機械的應用。

針對上述鐵路裝卸機械智能化發展問題，應當積極采取以下對策，對現有裝卸機械和基礎設施進行改造升級，充分發揮“管控平臺”的作用，實現裝卸機械由“功能機械”向“智能機械”的轉變。

3 管控平臺背景下鐵路裝卸機械智能化發展方向

“管控平臺”的運用全面提升鐵路貨運裝卸作業流程智能化水平，但是在裝卸過程智能化方面，需要考慮機械、環境等多種因素，只有“管控平臺”和智能裝卸機械共同發揮作用才能穩步推進其智能化發展。然而，鐵路貨運體量巨大，目前已建成鐵路貨場2000多個[5]，“管控平臺”和智能裝卸機械的推廣，需要搭建一系列軟硬件設施，將會產生巨額資金成本。因此，鐵路裝卸機械智能化升級必須考慮應用和成本之間的平衡，從不同作業場景和需求入手，綜合推進。

3.1 加大智能機械技術研發和運用，提升裝卸智能化水平

智能裝卸機械適用于成件包裝貨物和集裝箱裝卸，雖然鐵路貨物中散堆裝貨物比重較大，但大部分在專用線完成裝卸，且以較少人員和機械便可完成。而“白貨”的比重逐年增加且智能化需求迫切，應當集中有效資源推動“白貨”裝卸機械的智能化應用和發展。“白貨”裝卸以成件包裝貨物和集裝箱為主，更適用于智能裝卸機械，如集裝箱適合采用遠程操作門式起重機等大型智能裝卸機械，成件包裝貨物宜采用自動叉車、AMR等小型裝卸機械。

3.1.1 利用成熟的智能機械產品和技術，提高成件包裝貨物裝卸效率

成件包裝貨物智能裝卸在快遞物流中較為普遍，但鐵路運輸貨物與快遞包裹在貨物包裝、貨物重量以及裝卸模式等方面存在巨大差異，鐵路成件包裝貨物與快遞物流裝卸作業有著不同的作業場景和功能需求，小型智能裝卸機械的應用不能照搬快遞物流模式，要根據鐵路作業特點以及集裝箱、棚車、敞車、汽車貨廂等不同作業環境，采用不同的智能裝卸機械產品和技術，主要有以下應用場景。

（1）復雜環境下的托盤貨物轉運。托盤貨物在列車車廂與汽車貨廂之間轉運途中可能經過站臺、雨棚、倉庫等復雜環境，要求精準定位，可通過基于激光雷達的同步定位與建圖(SLAM)導航、PGV二維碼導航自由切換的AMR，既能實時感知環境變化和自主路徑規劃，又能解決在狹窄的環境、空曠環境以及環境變化比較大的場景下的準確定位和穩定導航，實現不同環境下的托盤貨物轉運。針對車廂內部作業場景，可以采用自動叉車駛入式裝卸，通過3D激光混合視覺導航SLAM精準識別復雜地面路況，通過車端環境感知對車廂內壁和貨物進行動態檢測，結合高精度控制模塊，基于高精度伺服控制技術，自適應調整車身姿態精準插取貨物，實現毫米級精準定位。使用基于SLAM技術的自動叉車和AMR點對點精準定位的優勢，實現貨物精準擺放，借助托盤實現貨物轉運、倉內接駁到駛入車廂的全流程作業。

（2）成件包裝貨物的抓取和堆碼。成件包裝貨物在棚車、敞車、集裝箱、汽車貨廂內的抓取和碼放不能通過AMR和自動叉車實現，對于集裝箱和棚車以及封閉式汽車貨廂由于受到高度空間限制，可采用“移動底座+感知桅桿+高自由度吸盤機械臂”組成的智能拆碼垛機器人，感知桅桿上集成激光3D相機及先進傳感器，采用3D視覺技術實現精準定位和高精度糾偏，通過視覺識別技術有效獲取貨物的位置與邊界，催動機械臂準確吸取貨物，通過與柔性輸送線對接，實現棚車和集裝箱內的成件包裝貨物裝卸作業。對于敞車、敞頂箱和敞開式汽車貨廂除了拆碼垛機器人之外，還可以采用“激光雷達+3D視覺+桁架機械手”的智能自動裝卸系統，通過激光雷達進行車輛定位以及尺寸測量，通過基于3D視覺及目標識別檢測算法實現精準定位和識別各類成件包裝貨物，自動規劃桁架機械手運動軌跡進行貨物裝卸作業。

（3）不同種類貨物的裝載與路徑規劃。通過與廠家協作，制定符合鐵路運輸的包裝標準體系，在外包裝上特定區域進行反光條或者二維碼標記，并通過“管控平臺”提前對客戶提交的數據進行整合，獲取不同種類貨物的詳細信息。通過機器視覺和掃碼終端自主識別貨物的種類、大小、重量，結合視覺SLAM和3D相機引導智能設備對貨物進行裝卸。與其他貨物裝卸不同的是，雜貨作業需要引入大數據技術和人工智能深度學習算法，針對貨物的大小、重量、性質進行裝卸路徑規劃和裝卸方案生成，憑借智能裝卸機械的高定位精度和對程序指令的嚴格執行，將貨物放置在合適的準確位置，提升裝卸堆碼質量。針對多樣化的貨物裝卸需求，通過智能裝卸機械迭代升級過程中的應用和技術積累，根據鐵路裝卸作業復雜環境下不同作業特點和作業標準，優化形成標準體系，增大標準化機械數量規模，攤銷研發和購置成本。依托“管控平臺”數據整合能力，以體系化、標準化的智能裝卸機械應對復雜多變的非標化貨場環境。

3.1.2 依托“管控平臺”信息化升級，構建集裝箱裝卸智能輔助系統

集裝箱智能裝卸通過自動化門式起重機等大型智能裝卸設備已經實現，并在港口裝卸中廣泛應用，但對于在鐵路裝卸中應用要充分考慮到鐵路貨場環境、安全以及成本因素。應從集裝箱箱區、箱位實時定位需求出發，在維持“管控平臺”正常運行、滿足運輸生產需求的基礎上，利用“管控平臺”帶來的信息化技術，通過自主研發，構建以人為主的智能輔助系統。采用以下方法。

（1）門式起重機吊具定位。為解決集裝箱定位問題，鐵路試點智能門式起重機，借鑒港口模式使用一系列先進傳感器實現高精度定位，采用GNSS-RTK、UWB、RFID磁釘定位等技術路線[6]，定位精準但成本較高。可通過在門式起重機大、小車走行軌道側面設置標記，根據集裝箱位置設置帶有編號的非連續性標記，定位標記如圖1所示，使用攝像頭采集，圖像采集裝置如圖2所示，圖像信號實時傳輸至司機室內“管控平臺”移動終端上，并通過顯示裝置放大圖像信息，司機清楚地觀察標記指針與標記定位點進行精準定位，到達準確位置后，由吊具開閉鎖信號觸發進行圖像采集，經過圖像識別標記編號數字信息上傳“管控平臺”，以確定集裝箱位平面坐標。將已有的吊具高度數值接入“管控平臺”，通過設置閾值，以確定集裝箱所在位置層數，從而確定集裝箱的具體空間位置。

圖1 定位標記Fig.1 Positioning mark

圖2 圖像采集裝置Fig.2 Image acquisition device

通過設置攝像頭和標記參照物，在滿足“管控平臺”集裝箱位置采集功能需求的同時，構建基于“管控平臺”的智能輔助系統，有利于起重機司機在多樣化復雜作業中進行精準定位，結合“管控平臺”數據分析進行走行路徑優化，形成準確的指令信息，在移動終端的引導下，規范集裝箱和貨物擺放，提高作業效率的同時，降低操作難度，緩解司機作業壓力。

（2）正面吊位置確定。正面吊具有機動靈活、穩定性好和堆場利用率高的優點，逐漸成為鐵路集裝箱裝卸的中堅力量，與門式起重機不同的是，正面吊體積小，可以根據正面吊自身位置確定吊具位置，進而確定集裝箱位置。但定位難點在于正面吊構造和叉車相似，屬于流動式裝卸機械，無法通過設備自身進行定位，需要對貨場場地進行改造。通過對集裝箱箱位標記位置信息，在正面吊抓取集裝箱時，采用“透明底盤”技術，對地面標記信息進行采集和識別，獲取正面吊抓取集裝箱時的位置數據，從而確定集裝箱的平面坐標位置，結合正面吊吊具高度數據，確定集裝箱的空間位置。同樣地，可在地面設置定位標記點，通過“透明底盤”顯示界面中電子標線與定位標記點的相對位置，幫助司機對車身姿態和位置進行直觀感知，提高作業效率，保障作業安全。

（3）“管控平臺”信息共享。隨著自動叉車、AMR的應用和集裝箱裝卸設備信息化改造，帶來海量的數據采集傳感器，應做好不同設備、不同類型傳感器之間的數據傳輸，并對原有的超偏載檢測裝置、汽車衡、軌道衡等設備進行數字接口改造升級，形成統一標準。通過將采集的各類數據接入“管控平臺”形成及時、準確、完整、共享的信息傳輸系統，對車號、箱號、汽車衡、超偏載數據進行信息整合，省去紙質傳輸和人力錄入環節，提高工作效率的同時保證了數據信息的準確。在智能裝卸中，裝卸機械成為重要的數據采集終端，保證信息流和實物流的實時對應，確保所有裝卸過程都可監控和追溯，通過“管控平臺”數據整合和信息共享，為運營和決策提供依據。

3.2 提高裝卸機械維護檢修智能化水平，增強智能裝卸機械可靠性

智能裝卸機械所含零部件更多，直接影響設備的故障率和可靠性，而智能裝卸機械的自動化無人化又對設備的穩定性和可靠性提出更高要求，現有維護和檢修水平達不到要求，會對裝卸作業安全和效率產生重大影響。

在“管控平臺”作業流程不斷智能化的背景下，許多現在必須由人工完成的任務都可通過更加智能化的方式方法來解決，比如在外勤巡檢方面已經有無人機巡檢、監控巡視等多種形式探索[7]。隨著智能物流技術的發展，能夠做到各個環節高標準控制，應積極探索裝卸機械智能化維護和檢修，應用先進技術打破傳統的維護和檢修模式，達到提高設備運行穩定性、增強智能裝卸機械系統可靠性的目標。

智能裝卸機械擁有豐富的傳感裝置和完善的信息傳輸系統，可以對自身運行狀態進行自檢，形成自檢報告，上傳“管控平臺”，應對裝卸機械進行全面升級，開展基于“管控平臺”的PHM，利用先進的傳感器技術，獲取機械運行狀態信息，并借助“管控平臺”進行數據分析，對智能裝卸機械的運行穩定性進行預測，依據其健康狀態預測機械性能及關鍵零部件的可靠性和檢修時機等，對可能發生或已經發生的故障進行診斷、分析、預報、預警，確定故障的類別、部位、程度和原因，提出有針對性的維修策略，使裝卸機械恢復到正常狀態[8]。

蚌埠貨運中心內燃機械較多，可通過設置傳感器，加裝OBD系統等終端數據設備，解析CAN總線數據，記錄關鍵零部件運行數據，獲取設備運行狀態參數，進行設備自主故障檢測，對裝卸機械運用過程中的故障信息自動上傳至“管控平臺”設備信息模塊，在關鍵零部件性能急速衰減前進行提前預警，為設備維護保養提供科學依據，通過智能化維護和檢修，實現裝卸機械及零部件全壽命周期數據管理，提高設備運行穩定性[9]。

4 結束語

“管控平臺”為鐵路貨運智能化發展帶來了技術和應用場景，通過裝卸機械智能化擴展“管控平臺”業務功能，打通“管控平臺”貨運生產作業全流程管理向具體作業過程管理的壁壘，實現裝卸流程和裝卸過程自動化的結合，更加便捷；依托“管控平臺”信息整合，構建集裝箱裝卸智能輔助系統，通過人的參與提升復雜場景處理能力，更加高效；通過智能裝卸機械更加豐富的傳感裝置，構建裝卸機械維護檢修智能化保障體系，全面提升裝卸機械核心安全指標，更加安全。

對于蚌埠貨運中心等貨運基礎設施較差的地區，智能化建設投入巨大，在節支降耗背景下技術改造經費有限，智能技術規模化應用尚待孵化，智能裝卸發展應遵循“應用滿足、問題導向、試點推進”的基本原則[10]。首先滿足“管控平臺”推廣的硬件需要，解決功能實現的技術問題，依托“管控平臺”帶來的硬件設施和軟件支持，兼顧成本、安全和效率，研發智能輔助系統。利用先進技術，開展更高級別的智能機械研發，依托鐵路貨運龐大體量，攤銷研發成本。通過使用過程發現問題，及時反饋，開展技術迭代，形成適合鐵路作業特點的智能化裝卸機械和作業模式體系，探索具有中國鐵路特色的裝卸機械智能化發展之路。