铁路货运生产作业与管控平台背景下装卸机械智能化发展探讨

张方明

(中国铁路上海局集团有限公司 蚌埠货运中心，安徽 蚌埠 233017)

0 引言

随着铁路货运改革的不断深入，货运票据电子化和集中办理等业务办理模式已经逐步实施，特别是铁路货运生产作业与管控平台(以下简称“管控平台”)的出现，加速货运生产自动化和智能化发展进程[1]。通过将物联网、大数据、云计算、人工智能(AI)等新型信息技术与先进传感器相互融合构成了目前智能装卸的底层技术，诞生了以自动化轨道吊为主的港口自动化作业以及各类自主移动机器人(AMR)的智能仓储作业模式。然而，在智能装卸方面，铁路与港口、快递物流差距明显，近些年铁路开展了远程控制门式起重机等智能化探索，但是高昂的投入成本以及较少的应用场景使得这些成熟的技术难以适应铁路装卸发展。铁路货运在体量、货源和装卸特点上与其他运输方式有着本质不同，面对物流智能化的新形势以及管控平台带来的新机遇，亟需分析铁路装卸机械智能化发展存在的问题。

1 铁路装卸机械发展现状

铁路装卸机械传统主力机型主要有桥门式起重机、叉车、装载机等，随着现代物流业的发展，集装箱正面吊、集装箱专用门式起重机、电瓶叉车等设备逐渐增多。目前铁路货源仍以“黑货”大宗物资为主，“白货”比重逐年增加，尤其是集装箱运输发展迅速。随着货源以及运输方式的改变，铁路装卸机械数量配比发生了巨大变化，与集装箱有关的装卸机械数量增幅巨大，而与煤炭、矿粉等散堆装货物有关的装卸机械如卸煤机、装载机的数量则急剧下滑。随着技术的进步和政策的变化，装卸机械的智能化、信息化和自动化水平将越来越高，但目前铁路装卸机械智能化水平仍处于初级阶段。下面以蚌埠货运中心为例，分析铁路装卸机械发展情况。

蚌埠货运中心辖区地处皖北，西临河南，东接江苏，煤炭、粮食资源丰富，货运量稳居中国铁路上海局集团有限公司(以下简称“上海局集团公司”)前列，管内站点众多，但综合性物流基地较少，制造业分布和经济发展不均衡，具备铁路货运的典型特征。蚌埠货运中心现有各类装卸机械89台(不含外入设备)，其中各类起重机械14台、叉车37台、装载机25台，此外还有少量正面吊、扒料机等其他设备，蚌埠货运中心装卸机械类型与数量如表1所示。这些装卸设备全部为人工操作，没有自动化和智能化，信息化水平较低，需要大量辅助作业人员[2]。蚌埠货运中心装卸机械数量不足上海局集团公司装卸机械总量的10%，但2022年货物发送和到达量分别占上海局集团公司近25%和20%，其中“黑货”占比超85%是以较少的机械数量完成更多货物运量的重要因素。“白货”装卸需要更多的机械和人力，随着“白货”比重逐年增加，现有的装卸机械和人员配置将不能满足装卸需求。

表1 蚌埠货运中心装卸机械类型与数量 台Tab.1 Types and quantities of loading and unloading machinery in Bengbu Freight Center

2 铁路装卸机械智能化发展问题分析

铁路装卸机械目前的智能化、信息化程度落后，不仅与港口装卸有较大差距，也达不到“管控平台”应用推广的基本要求，当前制约铁路装卸机械智能化发展的突出问题主要包括以下方面。

（1）机械装备落后，智能化水平低。铁路装卸机械装备机型陈旧、技术落后，智能化、自动化水平与港口及快递物流差距明显。现有的装卸机械为传统机型，缺乏环境感知模块和自动驾驶能力，机械智能化水平低，与配有丰富传感器和安全预警的自动化装卸机械相比，传统机械需要大量人力操作，不仅人力成本巨大，作业时间受影响，装卸作业效率低，安全把控更加复杂。而在港口装卸中的远程操控门式起重机采用自动堆箱技术，通过激光雷达等先进传感装置，实现自动化运行，并使用无人智能导引运输车与码头操作系统对接，实现无人驾驶、自动导航、路径优化以及安全避障等智能化功能。装卸机械智能化不足导致自动化水平低，很多作业需要借助大量人力完成，比如成件包装货物装卸中的拆剁和堆码作业均由人力完成，一方面堆码质量参差不齐，另一方面劳动力不足，影响装卸作业。智能装卸对作业场地和机械设备有着较高要求，然而，蚌埠货运中心配置的大量机械以内燃动力为主，自动化控制难度大，通过装卸机械的多功能化满足多样化的货物种类装卸需求，间接加大了智能化难度，另外，缺乏对货区货位的精细划分和精准管理，目前的货场环境不能满足智能装卸机械应用的基本要求。

（2）信息化程度不足，缺乏互联互通。蚌埠货运中心管内铁路装卸机械的信息化设备主要有无线电通信和视频监控，虽设置了大量摄像头，但是不具备图像识别功能，没有配置智能门禁系统，无法采集车号和箱号。装卸机械缺少与作业相关的信息采集功能，也没有进行数据联网，与作业生产有关的信息无法直接获取。例如，桥门式起重机进行集装箱作业时，集装箱位置信息无法自动采集，确认不了集装箱移动的实时位置，需要人工确认；汽车衡、集装箱超偏载检测数据缺乏互联互通，大量信息传递依靠纸质传递和人力录入系统；装卸排班单和作业票手工填写、作业中的操作指令通过无线电对讲机进行传递和指挥，不仅信息传输效率低，通过人力传输信息容易出错。但在港口和快递物流中，通过采用5G通信技术与摄像头、远程操作系统、定位装置、管控平台相互连接，实现装卸作业的自动化控制，在智能驾驶方面已进行5G电动智能重卡路测，通过毫米波雷达、高清摄像头、多重传感器，依托5G通信技术进行信息互联，无人驾驶级别达到L4级，实现全程规避人为干预。目前，蚌埠货运中心配置网络为局域网，无线传输覆盖不足，装卸机械的数据采集和传输的硬件模块搭建与“管控平台”的目标要求相差较大。

（3）维修保养体系不完善，设备运行稳定性差。铁路装卸作业环境较差，在装卸过程中由于零部件的磨损、疲劳、蚀损，导致机械的性能恶化，极易造成机械的故障和损坏[3]。现有的维修保养体系实行“计划预防修”的检修模式，按照固定的检修周期实施，包括定期保养、故障维修、中(项)修和大修，存在“过度修”和“不足修”问题[4]。随着传感器技术的发展，设备故障监控和诊断系统已经广泛应用，在内燃汽车领域中，车载自动诊断系统(OBD)使汽车故障的诊断做到标准化，新能源汽车还可以利用空中下载技术(OTA)技术做到对电子控制单元(ECU)进行远程升级，以修复缺陷，改善性能。在港口和快递物流智能装卸机械中也广泛应用机械故障预测与健康管理系统(PHM)，对智能装卸机械的运行状态进行实时监测，进行自主故障监控和诊断。目前，铁路装卸机械采用以人为主的检修模式，发现问题较为滞后，由于现有设备缺少相应传感器，无法实现设备自检、故障诊断功能，不能进行自检信息采集分析，缺乏对机械和零部件全寿命周期数据掌握，造成检修较为盲目。蚌埠货运中心管内铁路货场分散，存在设备日常维护保养质量不高、维修时效性不强的问题，设备运行稳定性得不到有效保证，不利于智能装卸机械的应用。

针对上述铁路装卸机械智能化发展问题，应当积极采取以下对策，对现有装卸机械和基础设施进行改造升级，充分发挥“管控平台”的作用，实现装卸机械由“功能机械”向“智能机械”的转变。

3 管控平台背景下铁路装卸机械智能化发展方向

“管控平台”的运用全面提升铁路货运装卸作业流程智能化水平，但是在装卸过程智能化方面，需要考虑机械、环境等多种因素，只有“管控平台”和智能装卸机械共同发挥作用才能稳步推进其智能化发展。然而，铁路货运体量巨大，目前已建成铁路货场2000多个[5]，“管控平台”和智能装卸机械的推广，需要搭建一系列软硬件设施，将会产生巨额资金成本。因此，铁路装卸机械智能化升级必须考虑应用和成本之间的平衡，从不同作业场景和需求入手，综合推进。

3.1 加大智能机械技术研发和运用，提升装卸智能化水平

智能装卸机械适用于成件包装货物和集装箱装卸，虽然铁路货物中散堆装货物比重较大，但大部分在专用线完成装卸，且以较少人员和机械便可完成。而“白货”的比重逐年增加且智能化需求迫切，应当集中有效资源推动“白货”装卸机械的智能化应用和发展。“白货”装卸以成件包装货物和集装箱为主，更适用于智能装卸机械，如集装箱适合采用远程操作门式起重机等大型智能装卸机械，成件包装货物宜采用自动叉车、AMR等小型装卸机械。

3.1.1 利用成熟的智能机械产品和技术，提高成件包装货物装卸效率

成件包装货物智能装卸在快递物流中较为普遍，但铁路运输货物与快递包裹在货物包装、货物重量以及装卸模式等方面存在巨大差异，铁路成件包装货物与快递物流装卸作业有着不同的作业场景和功能需求，小型智能装卸机械的应用不能照搬快递物流模式，要根据铁路作业特点以及集装箱、棚车、敞车、汽车货厢等不同作业环境，采用不同的智能装卸机械产品和技术，主要有以下应用场景。

（1）复杂环境下的托盘货物转运。托盘货物在列车车厢与汽车货厢之间转运途中可能经过站台、雨棚、仓库等复杂环境，要求精准定位，可通过基于激光雷达的同步定位与建图(SLAM)导航、PGV二维码导航自由切换的AMR，既能实时感知环境变化和自主路径规划，又能解决在狭窄的环境、空旷环境以及环境变化比较大的场景下的准确定位和稳定导航，实现不同环境下的托盘货物转运。针对车厢内部作业场景，可以采用自动叉车驶入式装卸，通过3D激光混合视觉导航SLAM精准识别复杂地面路况，通过车端环境感知对车厢内壁和货物进行动态检测，结合高精度控制模块，基于高精度伺服控制技术，自适应调整车身姿态精准插取货物，实现毫米级精准定位。使用基于SLAM技术的自动叉车和AMR点对点精准定位的优势，实现货物精准摆放，借助托盘实现货物转运、仓内接驳到驶入车厢的全流程作业。

（2）成件包装货物的抓取和堆码。成件包装货物在棚车、敞车、集装箱、汽车货厢内的抓取和码放不能通过AMR和自动叉车实现，对于集装箱和棚车以及封闭式汽车货厢由于受到高度空间限制，可采用“移动底座+感知桅杆+高自由度吸盘机械臂”组成的智能拆码垛机器人，感知桅杆上集成激光3D相机及先进传感器，采用3D视觉技术实现精准定位和高精度纠偏，通过视觉识别技术有效获取货物的位置与边界，催动机械臂准确吸取货物，通过与柔性输送线对接，实现棚车和集装箱内的成件包装货物装卸作业。对于敞车、敞顶箱和敞开式汽车货厢除了拆码垛机器人之外，还可以采用“激光雷达+3D视觉+桁架机械手”的智能自动装卸系统，通过激光雷达进行车辆定位以及尺寸测量，通过基于3D视觉及目标识别检测算法实现精准定位和识别各类成件包装货物，自动规划桁架机械手运动轨迹进行货物装卸作业。

（3）不同种类货物的装载与路径规划。通过与厂家协作，制定符合铁路运输的包装标准体系，在外包装上特定区域进行反光条或者二维码标记，并通过“管控平台”提前对客户提交的数据进行整合，获取不同种类货物的详细信息。通过机器视觉和扫码终端自主识别货物的种类、大小、重量，结合视觉SLAM和3D相机引导智能设备对货物进行装卸。与其他货物装卸不同的是，杂货作业需要引入大数据技术和人工智能深度学习算法，针对货物的大小、重量、性质进行装卸路径规划和装卸方案生成，凭借智能装卸机械的高定位精度和对程序指令的严格执行，将货物放置在合适的准确位置，提升装卸堆码质量。针对多样化的货物装卸需求，通过智能装卸机械迭代升级过程中的应用和技术积累，根据铁路装卸作业复杂环境下不同作业特点和作业标准，优化形成标准体系，增大标准化机械数量规模，摊销研发和购置成本。依托“管控平台”数据整合能力，以体系化、标准化的智能装卸机械应对复杂多变的非标化货场环境。

3.1.2 依托“管控平台”信息化升级，构建集装箱装卸智能辅助系统

集装箱智能装卸通过自动化门式起重机等大型智能装卸设备已经实现，并在港口装卸中广泛应用，但对于在铁路装卸中应用要充分考虑到铁路货场环境、安全以及成本因素。应从集装箱箱区、箱位实时定位需求出发，在维持“管控平台”正常运行、满足运输生产需求的基础上，利用“管控平台”带来的信息化技术，通过自主研发，构建以人为主的智能辅助系统。采用以下方法。

（1）门式起重机吊具定位。为解决集装箱定位问题，铁路试点智能门式起重机，借鉴港口模式使用一系列先进传感器实现高精度定位，采用GNSS-RTK、UWB、RFID磁钉定位等技术路线[6]，定位精准但成本较高。可通过在门式起重机大、小车走行轨道侧面设置标记，根据集装箱位置设置带有编号的非连续性标记，定位标记如图1所示，使用摄像头采集，图像采集装置如图2所示，图像信号实时传输至司机室内“管控平台”移动终端上，并通过显示装置放大图像信息，司机清楚地观察标记指针与标记定位点进行精准定位，到达准确位置后，由吊具开闭锁信号触发进行图像采集，经过图像识别标记编号数字信息上传“管控平台”，以确定集装箱位平面坐标。将已有的吊具高度数值接入“管控平台”，通过设置阈值，以确定集装箱所在位置层数，从而确定集装箱的具体空间位置。

图1 定位标记Fig.1 Positioning mark

图2 图像采集装置Fig.2 Image acquisition device

通过设置摄像头和标记参照物，在满足“管控平台”集装箱位置采集功能需求的同时，构建基于“管控平台”的智能辅助系统，有利于起重机司机在多样化复杂作业中进行精准定位，结合“管控平台”数据分析进行走行路径优化，形成准确的指令信息，在移动终端的引导下，规范集装箱和货物摆放，提高作业效率的同时，降低操作难度，缓解司机作业压力。

（2）正面吊位置确定。正面吊具有机动灵活、稳定性好和堆场利用率高的优点，逐渐成为铁路集装箱装卸的中坚力量，与门式起重机不同的是，正面吊体积小，可以根据正面吊自身位置确定吊具位置，进而确定集装箱位置。但定位难点在于正面吊构造和叉车相似，属于流动式装卸机械，无法通过设备自身进行定位，需要对货场场地进行改造。通过对集装箱箱位标记位置信息，在正面吊抓取集装箱时，采用“透明底盘”技术，对地面标记信息进行采集和识别，获取正面吊抓取集装箱时的位置数据，从而确定集装箱的平面坐标位置，结合正面吊吊具高度数据，确定集装箱的空间位置。同样地，可在地面设置定位标记点，通过“透明底盘”显示界面中电子标线与定位标记点的相对位置，帮助司机对车身姿态和位置进行直观感知，提高作业效率，保障作业安全。

（3）“管控平台”信息共享。随着自动叉车、AMR的应用和集装箱装卸设备信息化改造，带来海量的数据采集传感器，应做好不同设备、不同类型传感器之间的数据传输，并对原有的超偏载检测装置、汽车衡、轨道衡等设备进行数字接口改造升级，形成统一标准。通过将采集的各类数据接入“管控平台”形成及时、准确、完整、共享的信息传输系统，对车号、箱号、汽车衡、超偏载数据进行信息整合，省去纸质传输和人力录入环节，提高工作效率的同时保证了数据信息的准确。在智能装卸中，装卸机械成为重要的数据采集终端，保证信息流和实物流的实时对应，确保所有装卸过程都可监控和追溯，通过“管控平台”数据整合和信息共享，为运营和决策提供依据。

3.2 提高装卸机械维护检修智能化水平，增强智能装卸机械可靠性

智能装卸机械所含零部件更多，直接影响设备的故障率和可靠性，而智能装卸机械的自动化无人化又对设备的稳定性和可靠性提出更高要求，现有维护和检修水平达不到要求，会对装卸作业安全和效率产生重大影响。

在“管控平台”作业流程不断智能化的背景下，许多现在必须由人工完成的任务都可通过更加智能化的方式方法来解决，比如在外勤巡检方面已经有无人机巡检、监控巡视等多种形式探索[7]。随着智能物流技术的发展，能够做到各个环节高标准控制，应积极探索装卸机械智能化维护和检修，应用先进技术打破传统的维护和检修模式，达到提高设备运行稳定性、增强智能装卸机械系统可靠性的目标。

智能装卸机械拥有丰富的传感装置和完善的信息传输系统，可以对自身运行状态进行自检，形成自检报告，上传“管控平台”，应对装卸机械进行全面升级，开展基于“管控平台”的PHM，利用先进的传感器技术，获取机械运行状态信息，并借助“管控平台”进行数据分析，对智能装卸机械的运行稳定性进行预测，依据其健康状态预测机械性能及关键零部件的可靠性和检修时机等，对可能发生或已经发生的故障进行诊断、分析、预报、预警，确定故障的类别、部位、程度和原因，提出有针对性的维修策略，使装卸机械恢复到正常状态[8]。

蚌埠货运中心内燃机械较多，可通过设置传感器，加装OBD系统等终端数据设备，解析CAN总线数据，记录关键零部件运行数据，获取设备运行状态参数，进行设备自主故障检测，对装卸机械运用过程中的故障信息自动上传至“管控平台”设备信息模块，在关键零部件性能急速衰减前进行提前预警，为设备维护保养提供科学依据，通过智能化维护和检修，实现装卸机械及零部件全寿命周期数据管理，提高设备运行稳定性[9]。

4 结束语

“管控平台”为铁路货运智能化发展带来了技术和应用场景，通过装卸机械智能化扩展“管控平台”业务功能，打通“管控平台”货运生产作业全流程管理向具体作业过程管理的壁垒，实现装卸流程和装卸过程自动化的结合，更加便捷；依托“管控平台”信息整合，构建集装箱装卸智能辅助系统，通过人的参与提升复杂场景处理能力，更加高效；通过智能装卸机械更加丰富的传感装置，构建装卸机械维护检修智能化保障体系，全面提升装卸机械核心安全指标，更加安全。

对于蚌埠货运中心等货运基础设施较差的地区，智能化建设投入巨大，在节支降耗背景下技术改造经费有限，智能技术规模化应用尚待孵化，智能装卸发展应遵循“应用满足、问题导向、试点推进”的基本原则[10]。首先满足“管控平台”推广的硬件需要，解决功能实现的技术问题，依托“管控平台”带来的硬件设施和软件支持，兼顾成本、安全和效率，研发智能辅助系统。利用先进技术，开展更高级别的智能机械研发，依托铁路货运庞大体量，摊销研发成本。通过使用过程发现问题，及时反馈，开展技术迭代，形成适合铁路作业特点的智能化装卸机械和作业模式体系，探索具有中国铁路特色的装卸机械智能化发展之路。