高速鐵路裝配式構件智能運輸與養護系統研究

張翔宇 楊曦 張赫

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

高速鐵路裝配式構件廠生產的構件種類多、數量大，而構件廠占地面積有限，因此裝配式構件的運輸和養護工作的組織和管理較為困難。構件在運輸過程中常因碰撞而損壞，構件的出廠質量也難以保證［1］。目前，學者們針對運輸與養護工作的安全性和效率作了大量研究。吳海等［2］在綜合分析多種運輸方式的基礎上對運輸裝備進行了改進。賀智敏［3］對構件在養護過程中可能出現的質量問題進行分析，總結了影響構件質量的主要因素。高菲菲［4］從混凝土的材料出發，對構件的養護工藝進行了研究，制定了合理的養護制度。鞏高鑠等［5］分析了裝配式構件生產流程，設計了構件實時追蹤系統對生產進行監控。郎祎等［6］將信息技術應用到高速鐵路裝配式構件廠的管理中，提高了生產效率和產品質量。張樹輝等［7］從裝配式構件廠組織架構和管理體系兩方面探討了提升產品質量的方法。

以往研究集中于運輸裝備改造、養護工藝改進、管理體系改善等，但在應用中還是依賴于人工操作，實際效果難以保證。為實現生產過程信息化、自動化，課題組對高速鐵路裝配式構件智能運輸與養護系統進行了研究，將自動導引車［8］（Automated Guided Vehicle，AGV）改造為智能運輸車和智能養護車，將倉庫管理信息及構件信息作為原始數據，實時記錄構件及作業車輛位置、狀態，并在中央控制系統的管理下自動有序作業，為高速鐵路建設節省費用、縮短工期。

1 高速鐵路裝配式構件智能運輸與養護系統總體設計

1.1 總體架構

智能運輸與養護系統包括倉庫管理模塊、任務執行模塊和安全模塊。

1）倉庫管理模塊

倉庫管理模塊負責運輸與存放過程中存儲區所有庫位的信息監控與更新工作，并為運輸與養護任務的分配和執行提供信息。倉庫管理模塊的功能：記錄構件出入庫時間、出入庫構件種類、每日出入庫構件數量、構件移庫歷史，實時顯示存儲區庫存信息。

2）任務執行模塊

任務執行模塊主要由智能運輸車與智能養護車組成。車輛通過與倉庫管理模塊相連接，根據存儲情況及構件信息，運輸車與養護車自動進行構件搜索和線路優化，根據下達的指令實現構件安全運輸與全面養護，并自動反饋構件狀態，更新倉庫管理模塊中的構件信息。

3）安全模塊

運輸與養護車在運行過程中主要存在碰撞障礙物，托運的構件發生偏斜、傾倒等安全隱患。安全模塊由防碰撞系統和構件姿態監控系統構成。防碰撞系統由車體前后倉門和前后對角處激光防撞傳感器組成，當距障礙物距離小于設定的安全距離時電路斷路器將啟動，終止任務并發出警報。構件姿態監控系統由專用運輸架及其上的傳感器構成，當傳感器監測到多點不平衡力且超過設定的安全閾值時停止運行并發出警報，工作人員在確認安全的情況下近前加固處理。

1.2 構件運輸與養護流程設計

1.2.1 構件運輸流程

智能運輸車的基本功能是根據裝配式構件的生產速度及時將生產的構件運輸至存儲區。自動化生產線生產的裝配式構件吊裝至三個下料點臺座上，通過下料點上位機給智能運輸車下達命令。智能運輸車根據呼叫位置、呼叫時間分配任務。智能運輸車完成取料作業后按照系統內部規劃的路徑運行至程序分配的存儲空位點，完成放料作業后原路返回至生產線等待下一輪的運輸任務。

1.2.2 構件養護流程

智能養護車通過上位機設置的養護任務定時啟動程序。根據庫位存儲情況，自動優化路線。智能養護車在噴淋專用通道上以S形路徑連續行走并自動噴淋。噴淋過程中自動判別該位置有無裝配式構件，無裝配式構件則不再進行噴淋養護。在水箱缺水或者電量不足的情況下會自動返回至待機工位補水充電。

2 構件智能運輸與養護系統硬件設計

高速鐵路裝配式構件智能運輸與養護系統硬件部分須具備智能車輛導航功能、構件智能運輸功能及智能養護功能，實現高速鐵路裝配式構件運輸與養護的智能化和信息化。

2.1 自動導航設計

智能車輛目前使用比較廣泛的導航方式有磁條導航、激光導航、光學導航、慣性導航等［9］。由于裝配式構件廠環境復雜，障礙物多，因此采用了安全系數高的磁條導航方式［10］。

根據規劃的智能運輸車與智能養護車行進路線將磁條埋入地面以下1 cm深度處，如圖1所示。車輛運行過程中，通過底盤的磁導航傳感器采集磁場的強度信息，并通過磁條的相對位置進行糾偏。同時，在行進路線間隔一定距離埋設RFID（Radio Frequency Identification）標簽，車輛讀取標簽后將信息上傳至控制端主機。主機根據標簽內容確定智能車相應空間位置并向智能車發出行動命令。根據激光雷達設備對路線周邊物體的感知對車輛行進路線進行微調，自動導航系統精度可達1 cm。

圖1 埋地導航磁條

2.2 智能運輸車的設計

智能運輸車包括前后端控制倉和裝配式構件托舉機構，見圖2。倉門表面布置操控按鈕、轉換開關、工作狀態指示燈以及可顯示車輛內部系統參數的人機操作面板。在前后倉門表面還設計了可以切斷整車工作電源的紅色蘑菇頭急停按鈕。倉內有整車的電氣控制系統，包括可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PCL）、伺服驅動器、斷路器等電氣元件。

圖2 智能運輸車構造

智能運輸車配置2個驅動單元。每個驅動單元對2個驅動輪進行操控并采用差速驅動原理實現前進、轉彎等動作。智能運輸車的舵輪采用橡膠走行輪，其運行阻力主要由滾動阻力Fg和坡度阻力Fp組成。計算公式為

其中：m1為車體質量，為1 000 kg；m2為搬運的混凝土裝配式構件質量，設計值為3 000 kg；f為廠區路面滾動阻力系數，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°。

計算可得Fg=0.78 kN，Fp=2 kN。

智能運輸車運行總阻力矩M為

式中：R為輪徑。

由式（3）可知，輪徑越小則總阻力矩越小。據此選用了上海同毅超低型舵輪。該舵輪為目前國內最小輪徑（0.265 m）的舵輪，轉動時需要克服的最大阻力矩為0.736 kN·m。為了實現轉向機構的高精度控制，2個舵輪選用行走與轉向一體的臥式舵輪。這種雙舵輪組成的輪組具有2個特點：輪組整體高度低，能很好適應構件臺座高度的要求；采用伺服電機并搭配絕對值編碼器能夠實現各種工況下走行與轉向的高精度控制，搭載構件的質量達到最大設計值3 000 kg時，最高行駛速度可達45 m∕min。

智能運輸車以自動伺服頂升板作為構件的托舉與運輸平臺。頂升機構中2根螺旋升降桿通過2個伺服驅動器一對一控制，最大頂升高度可達70 mm，頂升速度10 mm∕s。2個驅動器同步上升和下降，確保構件在頂升板上快速平穩移動。當混凝土構件被放置到取料臺座時智能運輸車通過向上移動頂升板完成取料動作，將構件運輸至存儲位置后降低頂升板放置構件。

2.3 智能養護車的設計

智能養護車由自動導航底盤和上部智能噴淋裝置組成，見圖3。自動導航底盤包括自動充電口與操作面板，并通過螺栓與上部噴淋裝置連接固定。噴淋裝置包括水泵、自動充電口、自動補水口、噴管、霧化噴頭等裝置。

圖3 智能養護車構造

為了提高存儲區的利用率，規劃存儲區采用通道方式，每兩條運輸通道中間有一條噴淋通道。為提高噴淋效率，智能養護車的噴水管道采用雙翼模式，噴淋車噴淋作業時可同時對兩側的構件進行噴淋養護。考慮到噴水管在高壓水流作用下會產生抖動，所以采用了噴水管與鋼管相結合的設計，這樣不僅保證了水流噴灑方向的穩定，而且提高了結構強度。

為了實現噴水壓力可調并保持水壓穩定，防止電流或電壓過大、設備過熱，噴淋裝置采用帶逆變器的DC48?AC380的電源。同時，為保證噴淋系統供水及時，在智能養護車待機工位設置供水裝置，噴淋車水箱內部設置液位檢測裝置，通過當前液位高度判斷是否對水箱進行補給。

智能養護車根據倉庫管理信息對存儲構件進行選擇性噴淋。若當前庫位構件已完成養護周期，或當前庫位空則不噴淋，做到智能識別，智能養護，精確執行噴淋任務，節約水資源。

3 構件智能運輸與養護系統軟件設計

智能運輸與養護系統軟件由調度模塊和倉庫管理模塊兩部分組成。調度模塊通過任務調度模式來協調運輸與養護作業的執行和輔助管理各個任務單元，并通過實時接收和傳遞任務指令來協作完成執行任務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時控制。

3.1 調度模塊

3.1.1 路徑控制子模塊

為了降低智能運輸車與養護車行走過程中對網絡的依賴性，通過下發路線對車輛運行進行控制。采用路線規劃算法計算出最優行走路線（圖4）后，將路線上的動作點及點上的動作在啟動之前一起下發到智能運輸車與養護車的控制主機上。車輛啟動后若檢測到地標（坐標）變化則自動查詢緩存中有無對應的地標（坐標）。若有則執行對應的動作，若無則保持現有狀態。動作指令的緩存信息中包括本次任務往返路線上所有的地標信息，包含直行倒退、旋轉、加速、減速、停車、舉升、下放、無（表示與前一個地標執行相同的動作）等指令。同一個地標在運輸車與養護車往返時的含義可能不同，如第一次經過該標簽時為順時針旋轉90°，返回時為逆時針旋轉90°；出發時為加速，返回時為減速。為防止轉彎速度過快導致車輛發生側翻，通常轉彎點的前一個地標為減速，后一個地標為加速，使車輛回到正常運行速度。

圖4 智能運輸車最優行走路線

3.1.2 交通管制子模塊

當有多個智能運輸車和智能養護車同時執行任務，在有限的空間中車輛可能發生碰撞。調度模塊為多臺智能運輸車和養護車分配相應的任務，下發相應路線并通過輪番查詢的方式獲取車輛的實時位置，計算車輛運行過程中的碰撞點、互鎖點、死鎖點等，針對容易會車的地標和路段進行交通管制。調度模塊給每個執行任務中的車輛配置相應的優先級，保證優先級高的車輛先行通過。若車輛運行路線有重疊，車輛按照相應的優先級依次通過重疊路段，避免會車、擁堵。

3.2 倉庫管理模塊

倉庫管理模塊負責運輸過程中存儲區所有庫位信息的監控與更新。智能運輸車和智能養護車均依據倉庫管理模塊提供的數據進行構件的運輸和養護。倉庫管理模塊操作終端主界面見圖5。中間顯示存儲區信息，包括運行路線、站點、通道、庫位。黃色線條代表倉庫內智能運輸車和智能養護車的行進路線，線條上黑色小點為需要轉向和執行任務（托起、放下、噴淋）的位置。庫位用不同顏色表示狀態，藍色庫位表示已占用，紅色庫位表示已分配、等待構件存入的庫位，綠色庫位表示空閑庫位。底部顯示智能運輸車和智能養護車當前狀態信息和任務信息，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 工程應用

4.1 工程概況

連云港至徐州鐵路LXZQ?1標段位于連云港市海州區及東海縣境內，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。標段內橋涵工程含大橋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29個。同時，為給后期運營期動車保養和維修工作提供場地，設立1個動車存車場和1個動車維修場。

4.2 生產任務及效益

為保證工程順利進行，于DK25+000線路右側500 m處設立連徐鐵路裝配式構件廠，實現DK0+000—DK48+788.63區段裝配式構件的供應。裝配式構件廠的構件類型有遮板、欄桿、電纜槽蓋板等，構件數量超過79萬塊，鋼筋5 000 t，混凝土3萬m3，預埋件470 t。詳細生產任務見表1。構件總數792 760塊。

表1 裝配式構件生產任務

為驗證智能運輸與養護系統的經濟效益，連徐鐵路裝配式構件廠設計了一條試驗生產線。試驗生產線生產構件的速度同傳統生產線一致，每小時生產20塊配件。試驗生產線采用智能運輸與養護系統進行構件的運輸與養護，根據廠區大小，每臺智能運輸車平均每小時能完成10.4塊配件的運輸，因此為試驗生產線配備2臺智能運輸車和1臺智能養護車。而傳統生產線須配備1輛叉車和2個工人進行運輸作業，同時還須配備1個工人進行養護管理。

將試驗生產線運輸與養護的成本同傳統生產線進行比較。傳統生產線中叉車臺班費為45元，每臺班油費為840元，人工費為200元∕人，即傳統生產線每臺班成本為1 485元。而試驗生產線中智能運輸車和智能養護車臺班費為275元∕輛，每臺班電費為22.5元，試驗生產線每臺班成本為847.5元，較傳統生產線每臺班可節省637.5元。

5 結語

本文基于機械化、專業化、數字化、智能化的建造理念，在硬件方面研發了基于AGV小車改造的智能運輸車和智能養護車；在軟件方面開發了調度模塊對智能運輸車與智能養護車的運行進行管控，開發了倉庫管理模塊對構件的存放進行管理，實現了信息化管理、實時監控、自動化作業的研究目標。

通過在連徐鐵路裝配式構件廠中的應用，2臺智能運輸車與1臺智能養護車可以與產品生產速度相匹配，基本可以實現無人化、標準化作業。與傳統生產線相比，試驗生產線不僅節約了運輸、養護、倉庫管理的人力成本，而且充分利用了存儲空間，構件擺放整齊美觀。同時，保證了數據可查詢、可追溯，提高了構件質量和生產、管理效率。