近年来，随着我国经济的快速发展，制造业对钢、铝等材料的需求量与日俱增。铁矿石、铝矾土等作为炼制钢铁、铝的主要原材料，进口量也随之增加。为了响应国家“公转铁”的号召，干散货码头在进行矿石转运时常采用铁路运输作为主要集疏运方式。矿石转运量的不断增加、运输周期的缩短对港口火车装车效率提出更高的要求。
装车楼因其结构简单、操作便捷，被广泛应用于干散货码头，成为火车装车的重要设备。火车装车楼见图1。然而，随着智慧港口建设进度的加快，装车楼装车质量差、装车效率低、人力需求量大等缺点不断凸显出来，严重影响港口的生产效率。如何提高火车装车效率成为干散货码头亟待解决的问题。
图1 火车装车楼
1火车装车难点分析
1.1火车牵引
在进行火车装车作业时，通常需要使用牵引车牵引火车车厢进入装车楼下方。火车牵引作业时，工人控制牵引车行驶至火车挂钩处，人力完成提钩作业，使牵引车与火车相连。由于现场作业环境较差，人工进行火车提钩的效率低且劳动强度大。在牵引车牵引火车过程中，随着物料的装载，牵引车的负载不断加大，而牵引车的牵引功率相对固定，导致其牵引速度产生波动，影响装车楼的装车质量。此外，牵引车采用电力驱动，耗电量较大，生产成本较高。
1.2火车清扫
由于矿石等物料含水量较大，且具有一定黏性，在火车卸车后物料经常黏附于车厢内壁。在进行不同矿石转运过程中，为了避免不同矿石混杂影响货物品质，须在火车装车前对火车车厢进行全面清扫。
目前，火车清扫主要以人力清扫为主。在夏日清扫车厢时，车厢内通风较差，温度高达60 ℃，清扫员经常会出现中暑情况。在冬日清扫车厢时，天气寒冷，物料常被冻结在车厢内壁，不易清扫，清扫员劳动强度大。清扫员通过火车车门将废料铲出后，需要在车厢内使用稻草等封堵车门，再使用竖梯从车厢内部翻出，存在较大的安全风险。从火车车门清理出来的废料撒落在铁轨旁，为保证火车运行安全，还需采用清扫设备将废料进行集中处理，不仅费时费力，而且清理过程中容易起尘造成环境污染。
1.3火车装车要求高
为了保证铁路运输的安全性，铁路局对火车载重有着严格的要求。火车运输既不能超载，也不能偏载。在进行火车装车前，装车楼配料系统进行配料称重作业，由于不同车厢的载重并不相同，系统设定的称重质量为该列火车车厢载重的最低值。在不同载重车厢装车时，需要操作人员进行手动补料，由于手动补料精准度较差，经常因为补料过多，造成火车超载问题。在装车楼装车过程中，当下料不均时，装车后物料会在车厢内形成“凸岭”，造成偏载问题。当发生超载和偏载时，需要人工将超载部分物料铲出，并将车厢内的物料码平，工人作业强度较大，且影响火车发运时间。
为了降低铁路运输成本，需要避免火车装车出现亏载现象。装车亏载现象主要发生在黏料装车作业过程中。由于部分物料黏性较大，经常黏附在装车楼的定量仓和溜槽内壁，无法装载到火车车厢内，造成火车亏载。当发生亏载时，需要对黏附在定量仓和溜槽中的物料进行清理，重新进行装车作业，严重影响装车效率。
由于火车每节车厢状况不同，部分车厢因为存在破损或其他安全隐患无法进行装载，该类车厢被定义为禁装车厢。在每列火车装车作业前，都有工作人员提前告知本列火车的禁装车厢数量和车厢车号。在装车作业过程中，如遇到禁装车厢，由装车楼司机按下操作面板上的“跳车”按钮，系统自动进行下一节车厢装载。由于人工操作经常会出现失误，当未及时按下“跳车”按钮而造成货物装进禁装车厢时，需组织工人将车厢内的物料清理排空，严重耗费人力、物力，导致火车出港时间晚点，也会影响后续的火车装车作业。
2自动化火车装车系统
自动化火车装车系统组成见图2。
图2自动化火车装车系统组成
2.1火车牵引系统
利用PLC控制技术、GPS定位技术、工业太网技术等，对牵引车控制系统进行改造。火车牵引系统可远程定位牵引车位置，控制牵引车运行至火车钩头处进行自动提钩作业。在手机App中嵌入监控模块，操作工可通过手机App实时监控火车挂钩、提钩情况，确保火车牵引作业安全进行。同时，为了节约电力，对牵引车结构进行改造，加装风光互补充电系统，借助太阳能和风能发电，从而节约生产成本。牵引车见图3。
图3 牵引车
2.2火车清扫系统
基于人工智能、电液伺服控制、激光传感、车厢定位等技术和高速清扫自吸装置，建立火车清扫系统，实现在火车牵引过程中完成车厢清扫工作。
火车到达清扫装置作业区域后，火车清扫系统自动识别车厢位置，将清扫自吸装置放入车厢内对车厢内壁、底部进行有效清扫，并将废料集中吸入集尘仓。在整列火车清扫作业完成后，清扫装置将废料从集尘仓排放至废料收集车，由收集车将废料转运至指定处理点。在进行火车清扫、废料收集过程中，火车清扫系统使用喷水设备进行雾状喷水作业，避免扬尘造成环境污染。火车清扫装置见图4。
图4 火车清扫装置
2.3自动化装车楼
在火车进入装车区域前，车厢编号识别系统识别车厢编号，并将车厢编号反馈至控制系统，控制系统从生产数据库中检索确定该编号车厢的规格、载重等参数，同时配料系统借助PLC控制技术、定量称重技术进行精准配料，完成火车装车准备工作。当火车进入装车楼作业区域时，车厢识别系统自动识别车厢位置，装车溜槽下放至车厢内，控制系统根据牵引车反馈的牵引速度、生产数据库中物料比重、车厢载重等参数，控制溜槽闸口的开口大小，开始进行装车作业。
自动化装车楼具备黏料检测功能。当装车楼控制系统识别到物料黏附在定量仓和溜槽内壁时，空气炮装置会启动，对黏料进行轰击，疏通漏斗，避免火车装车过程中因黏料导致的火车亏载现象。空气炮装置见图5。
图5空气炮装置
3创新点
3.1牵引远程控制系统
基于Java编程语言，开发牵引车操作控制手机App。借助工业以太网技术将手机App与牵引车控制系统、监控系统互联。操作工可使用手机App远程监控、控制牵引车进行火车牵引作业，操作便捷且牵引效率高。
3.2车厢位置识别系统
借助AI分析技术、漫反射光电开关和激光传感技术，开发车厢位置识别系统。车厢位置识别系统可实时检测火车车厢的位置，有效保障清扫装置和装车溜槽能够准确下降至火车车厢内进行清扫、装车作业。
3.3火车动态清扫和装车
利用工业以太网技术使火车牵引系统、火车清扫系统、装车楼控制系统互联互通，实现数据的快速传输和共享。根据火车牵引系统反馈的牵引速度，火车清扫系统通过伺服控制系统精准控制清扫装置的行走速度，实现火车牵引过程中对车厢内壁、底部的清扫作业。自动化装车楼采用PLC控制技术，根据火车牵引系统反馈的牵引速度调整溜槽闸口的开口大小，实现火车牵引过程中的动态装车作业。火车清扫、装车作业同步进行，大幅提高火车装车效率，缩短火车停港时间。
3.4车厢编号比对校正
将列车扫描仪扫描到的火车底部的标签信息与视觉识别系统采集到的车厢编号信息进行比对，精准确定火车车厢编号。装车楼控制系统根据火车车厢编号从生产数据库中检索该车厢的额定载重、是否为禁装车厢等信息，从而确定每个车厢的装载质量。列车扫描仪见图6。
图6列车扫描仪
3.5数据交互
利用工业以太网技术实现生产数据库、实时监控系统、火车牵引系统、火车清扫系统、自动化装车楼控制系统之间的互联互通，有效解决各系统间数据传输速度慢、效率低等问题，从而提高火车牵引、清扫、装车全流程作业的协调性。
