張翔宇 楊曦 張赫

1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司徐州鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，江蘇徐州 221000；2.中國中鐵四局集團(tuán)第四工程有限公司，合肥 230041

高速鐵路裝配式構(gòu)件廠生產(chǎn)的構(gòu)件種類多、數(shù)量大，而構(gòu)件廠占地面積有限，因此裝配式構(gòu)件的運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)工作的組織和管理較為困難。構(gòu)件在運(yùn)輸過程中常因碰撞而損壞，構(gòu)件的出廠質(zhì)量也難以保證［1］。目前，學(xué)者們針對運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)工作的安全性和效率作了大量研究。吳海等［2］在綜合分析多種運(yùn)輸方式的基礎(chǔ)上對運(yùn)輸裝備進(jìn)行了改進(jìn)。賀智敏［3］對構(gòu)件在養(yǎng)護(hù)過程中可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題進(jìn)行分析，總結(jié)了影響構(gòu)件質(zhì)量的主要因素。高菲菲［4］從混凝土的材料出發(fā)，對構(gòu)件的養(yǎng)護(hù)工藝進(jìn)行了研究，制定了合理的養(yǎng)護(hù)制度。鞏高鑠等［5］分析了裝配式構(gòu)件生產(chǎn)流程，設(shè)計(jì)了構(gòu)件實(shí)時(shí)追蹤系統(tǒng)對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控。郎祎等［6］將信息技術(shù)應(yīng)用到高速鐵路裝配式構(gòu)件廠的管理中，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。張樹輝等［7］從裝配式構(gòu)件廠組織架構(gòu)和管理體系兩方面探討了提升產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

以往研究集中于運(yùn)輸裝備改造、養(yǎng)護(hù)工藝改進(jìn)、管理體系改善等，但在應(yīng)用中還是依賴于人工操作，實(shí)際效果難以保證。為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程信息化、自動(dòng)化，課題組對高速鐵路裝配式構(gòu)件智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，將自動(dòng)導(dǎo)引車［8］（Automated Guided Vehicle，AGV）改造為智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車，將倉庫管理信息及構(gòu)件信息作為原始數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)記錄構(gòu)件及作業(yè)車輛位置、狀態(tài)，并在中央控制系統(tǒng)的管理下自動(dòng)有序作業(yè)，為高速鐵路建設(shè)節(jié)省費(fèi)用、縮短工期。

1 高速鐵路裝配式構(gòu)件智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)包括倉庫管理模塊、任務(wù)執(zhí)行模塊和安全模塊。

1）倉庫管理模塊

倉庫管理模塊負(fù)責(zé)運(yùn)輸與存放過程中存儲區(qū)所有庫位的信息監(jiān)控與更新工作，并為運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)任務(wù)的分配和執(zhí)行提供信息。倉庫管理模塊的功能：記錄構(gòu)件出入庫時(shí)間、出入庫構(gòu)件種類、每日出入庫構(gòu)件數(shù)量、構(gòu)件移庫歷史，實(shí)時(shí)顯示存儲區(qū)庫存信息。

2）任務(wù)執(zhí)行模塊

任務(wù)執(zhí)行模塊主要由智能運(yùn)輸車與智能養(yǎng)護(hù)車組成。車輛通過與倉庫管理模塊相連接，根據(jù)存儲情況及構(gòu)件信息，運(yùn)輸車與養(yǎng)護(hù)車自動(dòng)進(jìn)行構(gòu)件搜索和線路優(yōu)化，根據(jù)下達(dá)的指令實(shí)現(xiàn)構(gòu)件安全運(yùn)輸與全面養(yǎng)護(hù)，并自動(dòng)反饋構(gòu)件狀態(tài)，更新倉庫管理模塊中的構(gòu)件信息。

3）安全模塊

運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)車在運(yùn)行過程中主要存在碰撞障礙物，托運(yùn)的構(gòu)件發(fā)生偏斜、傾倒等安全隱患。安全模塊由防碰撞系統(tǒng)和構(gòu)件姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。防碰撞系統(tǒng)由車體前后倉門和前后對角處激光防撞傳感器組成，當(dāng)距障礙物距離小于設(shè)定的安全距離時(shí)電路斷路器將啟動(dòng)，終止任務(wù)并發(fā)出警報(bào)。構(gòu)件姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由專用運(yùn)輸架及其上的傳感器構(gòu)成，當(dāng)傳感器監(jiān)測到多點(diǎn)不平衡力且超過設(shè)定的安全閾值時(shí)停止運(yùn)行并發(fā)出警報(bào)，工作人員在確認(rèn)安全的情況下近前加固處理。

1.2 構(gòu)件運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)流程設(shè)計(jì)

1.2.1 構(gòu)件運(yùn)輸流程

智能運(yùn)輸車的基本功能是根據(jù)裝配式構(gòu)件的生產(chǎn)速度及時(shí)將生產(chǎn)的構(gòu)件運(yùn)輸至存儲區(qū)。自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)的裝配式構(gòu)件吊裝至三個(gè)下料點(diǎn)臺座上，通過下料點(diǎn)上位機(jī)給智能運(yùn)輸車下達(dá)命令。智能運(yùn)輸車根據(jù)呼叫位置、呼叫時(shí)間分配任務(wù)。智能運(yùn)輸車完成取料作業(yè)后按照系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)劃的路徑運(yùn)行至程序分配的存儲空位點(diǎn)，完成放料作業(yè)后原路返回至生產(chǎn)線等待下一輪的運(yùn)輸任務(wù)。

1.2.2 構(gòu)件養(yǎng)護(hù)流程

智能養(yǎng)護(hù)車通過上位機(jī)設(shè)置的養(yǎng)護(hù)任務(wù)定時(shí)啟動(dòng)程序。根據(jù)庫位存儲情況，自動(dòng)優(yōu)化路線。智能養(yǎng)護(hù)車在噴淋專用通道上以S形路徑連續(xù)行走并自動(dòng)噴淋。噴淋過程中自動(dòng)判別該位置有無裝配式構(gòu)件，無裝配式構(gòu)件則不再進(jìn)行噴淋養(yǎng)護(hù)。在水箱缺水或者電量不足的情況下會自動(dòng)返回至待機(jī)工位補(bǔ)水充電。

2 構(gòu)件智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高速鐵路裝配式構(gòu)件智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)硬件部分須具備智能車輛導(dǎo)航功能、構(gòu)件智能運(yùn)輸功能及智能養(yǎng)護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)高速鐵路裝配式構(gòu)件運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)的智能化和信息化。

2.1 自動(dòng)導(dǎo)航設(shè)計(jì)

智能車輛目前使用比較廣泛的導(dǎo)航方式有磁條導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等［9］。由于裝配式構(gòu)件廠環(huán)境復(fù)雜，障礙物多，因此采用了安全系數(shù)高的磁條導(dǎo)航方式［10］。

根據(jù)規(guī)劃的智能運(yùn)輸車與智能養(yǎng)護(hù)車行進(jìn)路線將磁條埋入地面以下1 cm深度處，如圖1所示。車輛運(yùn)行過程中，通過底盤的磁導(dǎo)航傳感器采集磁場的強(qiáng)度信息，并通過磁條的相對位置進(jìn)行糾偏。同時(shí)，在行進(jìn)路線間隔一定距離埋設(shè)RFID（Radio Frequency Identification）標(biāo)簽，車輛讀取標(biāo)簽后將信息上傳至控制端主機(jī)。主機(jī)根據(jù)標(biāo)簽內(nèi)容確定智能車相應(yīng)空間位置并向智能車發(fā)出行動(dòng)命令。根據(jù)激光雷達(dá)設(shè)備對路線周邊物體的感知對車輛行進(jìn)路線進(jìn)行微調(diào)，自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)精度可達(dá)1 cm。

圖1 埋地導(dǎo)航磁條

2.2 智能運(yùn)輸車的設(shè)計(jì)

智能運(yùn)輸車包括前后端控制倉和裝配式構(gòu)件托舉機(jī)構(gòu)，見圖2。倉門表面布置操控按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)、工作狀態(tài)指示燈以及可顯示車輛內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)的人機(jī)操作面板。在前后倉門表面還設(shè)計(jì)了可以切斷整車工作電源的紅色蘑菇頭急停按鈕。倉內(nèi)有整車的電氣控制系統(tǒng)，包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PCL）、伺服驅(qū)動(dòng)器、斷路器等電氣元件。

圖2 智能運(yùn)輸車構(gòu)造

智能運(yùn)輸車配置2個(gè)驅(qū)動(dòng)單元。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元對2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行操控并采用差速驅(qū)動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。智能運(yùn)輸車的舵輪采用橡膠走行輪，其運(yùn)行阻力主要由滾動(dòng)阻力Fg和坡度阻力Fp組成。計(jì)算公式為

其中：m1為車體質(zhì)量，為1 000 kg；m2為搬運(yùn)的混凝土裝配式構(gòu)件質(zhì)量，設(shè)計(jì)值為3 000 kg；f為廠區(qū)路面滾動(dòng)阻力系數(shù)，通常在0.018～0.02取值；g為重力加速度；α為道路坡度，最大值為3°。

計(jì)算可得Fg=0.78 kN，F(xiàn)p=2 kN。

智能運(yùn)輸車運(yùn)行總阻力矩M為

式中：R為輪徑。

由式（3）可知，輪徑越小則總阻力矩越小。據(jù)此選用了上海同毅超低型舵輪。該舵輪為目前國內(nèi)最小輪徑（0.265 m）的舵輪，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要克服的最大阻力矩為0.736 kN·m。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的高精度控制，2個(gè)舵輪選用行走與轉(zhuǎn)向一體的臥式舵輪。這種雙舵輪組成的輪組具有2個(gè)特點(diǎn)：輪組整體高度低，能很好適應(yīng)構(gòu)件臺座高度的要求；采用伺服電機(jī)并搭配絕對值編碼器能夠?qū)崿F(xiàn)各種工況下走行與轉(zhuǎn)向的高精度控制，搭載構(gòu)件的質(zhì)量達(dá)到最大設(shè)計(jì)值3 000 kg時(shí)，最高行駛速度可達(dá)45 m∕min。

智能運(yùn)輸車以自動(dòng)伺服頂升板作為構(gòu)件的托舉與運(yùn)輸平臺。頂升機(jī)構(gòu)中2根螺旋升降桿通過2個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器一對一控制，最大頂升高度可達(dá)70 mm，頂升速度10 mm∕s。2個(gè)驅(qū)動(dòng)器同步上升和下降，確保構(gòu)件在頂升板上快速平穩(wěn)移動(dòng)。當(dāng)混凝土構(gòu)件被放置到取料臺座時(shí)智能運(yùn)輸車通過向上移動(dòng)頂升板完成取料動(dòng)作，將構(gòu)件運(yùn)輸至存儲位置后降低頂升板放置構(gòu)件。

2.3 智能養(yǎng)護(hù)車的設(shè)計(jì)

智能養(yǎng)護(hù)車由自動(dòng)導(dǎo)航底盤和上部智能噴淋裝置組成，見圖3。自動(dòng)導(dǎo)航底盤包括自動(dòng)充電口與操作面板，并通過螺栓與上部噴淋裝置連接固定。噴淋裝置包括水泵、自動(dòng)充電口、自動(dòng)補(bǔ)水口、噴管、霧化噴頭等裝置。

圖3 智能養(yǎng)護(hù)車構(gòu)造

為了提高存儲區(qū)的利用率，規(guī)劃存儲區(qū)采用通道方式，每兩條運(yùn)輸通道中間有一條噴淋通道。為提高噴淋效率，智能養(yǎng)護(hù)車的噴水管道采用雙翼模式，噴淋車噴淋作業(yè)時(shí)可同時(shí)對兩側(cè)的構(gòu)件進(jìn)行噴淋養(yǎng)護(hù)。考慮到噴水管在高壓水流作用下會產(chǎn)生抖動(dòng)，所以采用了噴水管與鋼管相結(jié)合的設(shè)計(jì)，這樣不僅保證了水流噴灑方向的穩(wěn)定，而且提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

為了實(shí)現(xiàn)噴水壓力可調(diào)并保持水壓穩(wěn)定，防止電流或電壓過大、設(shè)備過熱，噴淋裝置采用帶逆變器的DC48?AC380的電源。同時(shí)，為保證噴淋系統(tǒng)供水及時(shí)，在智能養(yǎng)護(hù)車待機(jī)工位設(shè)置供水裝置，噴淋車水箱內(nèi)部設(shè)置液位檢測裝置，通過當(dāng)前液位高度判斷是否對水箱進(jìn)行補(bǔ)給。

智能養(yǎng)護(hù)車根據(jù)倉庫管理信息對存儲構(gòu)件進(jìn)行選擇性噴淋。若當(dāng)前庫位構(gòu)件已完成養(yǎng)護(hù)周期，或當(dāng)前庫位空則不噴淋，做到智能識別，智能養(yǎng)護(hù)，精確執(zhí)行噴淋任務(wù)，節(jié)約水資源。

3 構(gòu)件智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)軟件由調(diào)度模塊和倉庫管理模塊兩部分組成。調(diào)度模塊通過任務(wù)調(diào)度模式來協(xié)調(diào)運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)作業(yè)的執(zhí)行和輔助管理各個(gè)任務(wù)單元，并通過實(shí)時(shí)接收和傳遞任務(wù)指令來協(xié)作完成執(zhí)行任務(wù)的車輛與倉庫管理模塊之間的通信，便于倉庫管理模塊對車輛實(shí)時(shí)控制。

3.1 調(diào)度模塊

3.1.1 路徑控制子模塊

為了降低智能運(yùn)輸車與養(yǎng)護(hù)車行走過程中對網(wǎng)絡(luò)的依賴性，通過下發(fā)路線對車輛運(yùn)行進(jìn)行控制。采用路線規(guī)劃算法計(jì)算出最優(yōu)行走路線（圖4）后，將路線上的動(dòng)作點(diǎn)及點(diǎn)上的動(dòng)作在啟動(dòng)之前一起下發(fā)到智能運(yùn)輸車與養(yǎng)護(hù)車的控制主機(jī)上。車輛啟動(dòng)后若檢測到地標(biāo)（坐標(biāo)）變化則自動(dòng)查詢緩存中有無對應(yīng)的地標(biāo)（坐標(biāo)）。若有則執(zhí)行對應(yīng)的動(dòng)作，若無則保持現(xiàn)有狀態(tài)。動(dòng)作指令的緩存信息中包括本次任務(wù)往返路線上所有的地標(biāo)信息，包含直行倒退、旋轉(zhuǎn)、加速、減速、停車、舉升、下放、無（表示與前一個(gè)地標(biāo)執(zhí)行相同的動(dòng)作）等指令。同一個(gè)地標(biāo)在運(yùn)輸車與養(yǎng)護(hù)車往返時(shí)的含義可能不同，如第一次經(jīng)過該標(biāo)簽時(shí)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，返回時(shí)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°；出發(fā)時(shí)為加速，返回時(shí)為減速。為防止轉(zhuǎn)彎速度過快導(dǎo)致車輛發(fā)生側(cè)翻，通常轉(zhuǎn)彎點(diǎn)的前一個(gè)地標(biāo)為減速，后一個(gè)地標(biāo)為加速，使車輛回到正常運(yùn)行速度。

圖4 智能運(yùn)輸車最優(yōu)行走路線

3.1.2 交通管制子模塊

當(dāng)有多個(gè)智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車同時(shí)執(zhí)行任務(wù)，在有限的空間中車輛可能發(fā)生碰撞。調(diào)度模塊為多臺智能運(yùn)輸車和養(yǎng)護(hù)車分配相應(yīng)的任務(wù)，下發(fā)相應(yīng)路線并通過輪番查詢的方式獲取車輛的實(shí)時(shí)位置，計(jì)算車輛運(yùn)行過程中的碰撞點(diǎn)、互鎖點(diǎn)、死鎖點(diǎn)等，針對容易會車的地標(biāo)和路段進(jìn)行交通管制。調(diào)度模塊給每個(gè)執(zhí)行任務(wù)中的車輛配置相應(yīng)的優(yōu)先級，保證優(yōu)先級高的車輛先行通過。若車輛運(yùn)行路線有重疊，車輛按照相應(yīng)的優(yōu)先級依次通過重疊路段，避免會車、擁堵。

3.2 倉庫管理模塊

倉庫管理模塊負(fù)責(zé)運(yùn)輸過程中存儲區(qū)所有庫位信息的監(jiān)控與更新。智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車均依據(jù)倉庫管理模塊提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)件的運(yùn)輸和養(yǎng)護(hù)。倉庫管理模塊操作終端主界面見圖5。中間顯示存儲區(qū)信息，包括運(yùn)行路線、站點(diǎn)、通道、庫位。黃色線條代表倉庫內(nèi)智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車的行進(jìn)路線，線條上黑色小點(diǎn)為需要轉(zhuǎn)向和執(zhí)行任務(wù)（托起、放下、噴淋）的位置。庫位用不同顏色表示狀態(tài)，藍(lán)色庫位表示已占用，紅色庫位表示已分配、等待構(gòu)件存入的庫位，綠色庫位表示空閑庫位。底部顯示智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車當(dāng)前狀態(tài)信息和任務(wù)信息，右邊為入庫、出庫、移庫、噴淋的功能按鈕。

圖5 倉庫管理模塊操作終端主界面

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

連云港至徐州鐵路LXZQ?1標(biāo)段位于連云港市海州區(qū)及東?？h境內(nèi)，正線里程DK0+000—DK48+788.63，長度47.701 km（不包含已建成段），鋪軌長度362.19 km。沿線車站工程含新建連云港站工程、新建東海站工程、邳州東站改造工程。標(biāo)段內(nèi)橋涵工程含大橋7座，橋梁總長42.242 km，占線路總長度的89%；中橋1座，小橋3座；涵洞共計(jì)29個(gè)。同時(shí)，為給后期運(yùn)營期動(dòng)車保養(yǎng)和維修工作提供場地，設(shè)立1個(gè)動(dòng)車存車場和1個(gè)動(dòng)車維修場。

4.2 生產(chǎn)任務(wù)及效益

為保證工程順利進(jìn)行，于DK25+000線路右側(cè)500 m處設(shè)立連徐鐵路裝配式構(gòu)件廠，實(shí)現(xiàn)DK0+000—DK48+788.63區(qū)段裝配式構(gòu)件的供應(yīng)。裝配式構(gòu)件廠的構(gòu)件類型有遮板、欄桿、電纜槽蓋板等，構(gòu)件數(shù)量超過79萬塊，鋼筋5 000 t，混凝土3萬m3，預(yù)埋件470 t。詳細(xì)生產(chǎn)任務(wù)見表1。構(gòu)件總數(shù)792 760塊。

表1 裝配式構(gòu)件生產(chǎn)任務(wù)

為驗(yàn)證智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益，連徐鐵路裝配式構(gòu)件廠設(shè)計(jì)了一條試驗(yàn)生產(chǎn)線。試驗(yàn)生產(chǎn)線生產(chǎn)構(gòu)件的速度同傳統(tǒng)生產(chǎn)線一致，每小時(shí)生產(chǎn)20塊配件。試驗(yàn)生產(chǎn)線采用智能運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)件的運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)，根據(jù)廠區(qū)大小，每臺智能運(yùn)輸車平均每小時(shí)能完成10.4塊配件的運(yùn)輸，因此為試驗(yàn)生產(chǎn)線配備2臺智能運(yùn)輸車和1臺智能養(yǎng)護(hù)車。而傳統(tǒng)生產(chǎn)線須配備1輛叉車和2個(gè)工人進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)，同時(shí)還須配備1個(gè)工人進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理。

將試驗(yàn)生產(chǎn)線運(yùn)輸與養(yǎng)護(hù)的成本同傳統(tǒng)生產(chǎn)線進(jìn)行比較。傳統(tǒng)生產(chǎn)線中叉車臺班費(fèi)為45元，每臺班油費(fèi)為840元，人工費(fèi)為200元∕人，即傳統(tǒng)生產(chǎn)線每臺班成本為1 485元。而試驗(yàn)生產(chǎn)線中智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車臺班費(fèi)為275元∕輛，每臺班電費(fèi)為22.5元，試驗(yàn)生產(chǎn)線每臺班成本為847.5元，較傳統(tǒng)生產(chǎn)線每臺班可節(jié)省637.5元。

5 結(jié)語

本文基于機(jī)械化、專業(yè)化、數(shù)字化、智能化的建造理念，在硬件方面研發(fā)了基于AGV小車改造的智能運(yùn)輸車和智能養(yǎng)護(hù)車；在軟件方面開發(fā)了調(diào)度模塊對智能運(yùn)輸車與智能養(yǎng)護(hù)車的運(yùn)行進(jìn)行管控，開發(fā)了倉庫管理模塊對構(gòu)件的存放進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了信息化管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化作業(yè)的研究目標(biāo)。

通過在連徐鐵路裝配式構(gòu)件廠中的應(yīng)用，2臺智能運(yùn)輸車與1臺智能養(yǎng)護(hù)車可以與產(chǎn)品生產(chǎn)速度相匹配，基本可以實(shí)現(xiàn)無人化、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。與傳統(tǒng)生產(chǎn)線相比，試驗(yàn)生產(chǎn)線不僅節(jié)約了運(yùn)輸、養(yǎng)護(hù)、倉庫管理的人力成本，而且充分利用了存儲空間，構(gòu)件擺放整齊美觀。同時(shí)，保證了數(shù)據(jù)可查詢、可追溯，提高了構(gòu)件質(zhì)量和生產(chǎn)、管理效率。