煤炭的运输方式主要有公路运输和铁路运输2种，近年来，铁路装车智能化技术快速发展，开发出了快速定量装车系统和基于快速定量系统的自动装车系统。与铁路运输相比，公路运输装车技术进步相对较慢，汽车运输是火车运输的补充，承担着到用户“最后一公里”的任务，是煤炭短距离运输的重要方式。汽车运输作业过程中，人工手动装车对装车操作人员和司机的能力与经验有很高的要求，不可避免地会出现装车质量问题，因此需要改进装车方式，避免装车质量事故的发生，以提高工作效率。
图1 车辆尺寸检测现场
图2 车辆定位信号信标
公路运输装车现存问题
陕煤集团神木红柳林矿业有限公司（以下简称红柳林煤矿）汽销系统有7个仓共14个装车通道，除原煤装车通道外，其他都为筒仓下直接装车，在每个装车通道下安装电子汽车衡来对汽车质量进行称重计量，下料方式有闸板直接放煤、给煤机放煤、闸板与放料溜槽配合放煤3种方式。
红柳林煤矿汽车装车系统初建时为筒仓下就地装车，在产品仓2个装车通道中间，建立了装车室，装车操作员通过两侧窗户现场观察装车进程，通过话筒喊话指挥司机移动，现场粉尘和噪声较大，导致沟通交流困难，且严重危害员工身体健康。因此，将现场装车室装车方式改造为集控室远程装车方式。通过现场布置PLC控制系统，由光纤接入到远程集控室，装车操作员通过监控视频确定车辆位置，利用扩音器喊话指挥司机移动车辆，按动键盘按钮给PLC系统下发指令，PLC系统控制液压系统控制溜槽和闸板放煤完成装车。远程集控装车方式虽然让操作员脱离了现场“粉尘飘飞”的环境，但1个装车操作员同一时间只能控制1个装车通道，在装车过程中要时刻注意车辆位置及车厢内煤堆高度，同时要和司机沟通指挥车辆移动，注意力需要高度集中，稍不注意或与司机沟通不畅，就会造成撒煤现象，甚至出现司机听不清指挥口令，驶离装车通道而放煤闸板未关闭发生煤仓跑仓现象。
针对上述问题，红柳林煤矿通过对人工智能、工业物联网技术、智能装备的深度融合利用，对汽车手动装车系统进行改造，升级为智能装车机器人。智能装车机器人能够与智慧运销系统对接，自动获取任务，自主检测车辆规格，自动检测车厢位置及控制闸板开度，完成自主装车，实现汽车从入厂到装车结束离厂全流程无人化。
汽车智能装车机器人设计难点
（1）装煤汽车的车型、长短、高矮不一，即使同样为六轴车，因生产厂家的不同，车厢的外形尺寸也不相同。
（2）汽车位置比较随意，汽车行驶无固定轨道，左右停车位置主要依赖于司机驾驶技术。
（3）每辆汽车为独立个体，装车过程中2辆汽车前后距离无法固定，且汽车衡装车方式无法一次性装完，装车过程中需要停车。
（4）汽车车厢容积较小，而块煤堆密度较小，装车时煤堆需要高于车帮，存在撒煤风险。
（5）汽车要求连续工作，对装车机器人系统连续工作的可靠性要求更高。
（6）由于新仓和老仓建设时间不同，装车方式存在差异。
（7）装车通道在筒仓下，考虑筒仓的建筑安全，以及装车通道较为狭窄，设备选择及安装要求较高。
汽车智能装车机器人
汽车智能装车机器人设计
在现有远程集中装车的基础上，安装硬件感知设备作为智能装车机器人的“眼睛”和“耳朵”，实现对车辆尺寸检测、闸板开度控制、溜槽控制、装车定位功能；增加显示大屏和音柱作为机器人的“嘴巴”，实现对司机装车的指挥，将汽车衡、车牌识别和运销系统接入智能装车机器人的“大脑”（智能算法），以获取装车信息。由感知设备组成的“眼睛”和“耳朵”将采集的车辆尺寸位置和设备状态信息传输到服务器中运行的机器人“大脑”中，由智能算法计算当前情况下的最佳操作，利用“嘴巴”指挥司机移动车辆，控制“手脚”（泵和液压系统）进行动作，完成整个装车过程。
（1） 车辆尺寸检测
车辆尺寸检测现场如图1所示。在空车磅房处增设门型立柱，在其上方安装激光雷达，对下方通过的车辆进行扫描，当车辆完全经过雷达扫描区域后，得到通过车辆的3D模型，利用“大脑”中的A I技术对模型边界进行识别分析，确定车辆的前后尺寸，划分车头和车厢，重点分析车厢长宽高，自动计算装车模型，为后续仓下装车时对司机进行指挥及溜槽控制提供依据。激光雷达由车牌识别触发，并将得到的车厢尺寸与车辆进行绑定。
（2） 车厢定位
在仓下装车通道两侧增加定位信号信标（图2），利用光电对射技术，将装车通道空间进行区域划分，当车厢进入检测区域后，车厢前沿开始切割信标线阵信号，车厢继续前进依次经过检测区域；随后，当车厢后沿进入检测区域，同样依次从头到尾反切割信号。通过收集点的信号状态，精确定位车辆位置，分辨率达厘米级，在装车过程中，车厢全部在信标定位的范围内，能够全过程实现对车厢位置检测，保证控制智能装车机器人对溜槽进行精确控制，确保装车平整，不撒煤。在信号标尺上方安装扫码设备，对车牌号识别失败时提供补充扫码识别功能。
（3） 料堆检测
在落料口附近安装扫描雷达，装车过程中实时扫描车厢内的煤堆形状，“大脑”算法计算运载车厢内煤流信息，当车厢内的煤堆高度达到设定上限时，关闭下料闸板，通过“嘴巴”指挥司机移动车辆。保证车厢内煤堆高度稳定，能够装到足够的质量且不撒煤。
（4） 闸板控制
闸板开度和溜槽高度控制现场如图3所示。在放料闸板处安装闸板开度检测装置，测量油缸伸出长度，实时检测闸板位置，随着装车过程的进行，智能算法通过PLC给机器人“手脚”下发指令，控制闸板的开度大小，进而控制落煤量，在开始装车时增大闸板开度，加快流动速度，减少装车时间，在将要达到预设质量时，降低开度，对质量精确控制，确保装车时达到预定质量但不撒煤。安装红外测距仪，测量溜槽高度，保证溜槽能够随着装车的过程不断升降，配合闸板进行装车，落料速度快时下降溜槽，降低撒煤概率，装车完成时及时关闭溜槽，以便下辆车进入。
（5） 司机指挥
LED显示大屏和语音指挥系统如图4所示，在装车的出口方向，增加LED显示大屏和网络音柱，大屏显示装车指挥指令、汽车衡实时重量反馈、汽车目标载重、车牌信息和落料口视频，语音指令通过网络音柱辅助播放，司机通过LED大屏和音柱语音指令共同提示控制车辆前进或者后退，完成整个装车流程，避免在装车过程中因现场噪声较大，无法听清指挥命令而造成装车事故。同时在定位信号信标上方安装标尺，对司机移动提供距离参考（图5）。
图3 闸板开度和溜槽高度控制现场
（a）LED显示大屏
（b）语音指挥
图4 LED显示大屏和语音指挥系统
图5 定位信号信标上方的标尺
汽车智能装车机器人智能算法
作为智能装车机器人的大脑，智能算法采用JAVA、C++等编程语言编写开发，布置在服务器中，通过光纤与装车集控室上位机进行数据交换，所有的数据采集计算及指令发出均在服务器上进行，而上位机可以进行所有设备的操作和监控，1台上位机可以监控多个车道。
（1） 车辆扫描与任务匹配算法
车辆通过空车磅房的雷达时，雷达扫描形成车厢的3D模型，智能算法计算车厢的长宽高，根据车厢长宽高及装车的载重目标，自动计算装车模型、放煤位置、料堆高度，从而指挥车辆行驶和闸板溜槽动作。并将装车模型与车牌绑定，当车辆下次进厂装车时自动调用该装车模型。智能装车机器人在仓下对应装车通道将识别到车辆任务中的煤种与当前车道煤中对比无误后启动装车，当对比不匹配时发送离开指令。
（2） 机器人智能控制算法
当车辆进入仓下装车通道时，通过车牌识别车辆，调用本辆车的装车模型，指挥车辆进入放料设定位置，机器人智能控制算法控制溜槽和放料闸板开始放煤，根据车厢位置、汽车衡质量和料堆高度，自动计算车辆是否需要移动，通过LED屏幕和智能语音指挥司机移动车辆。到车厢后部位置时，智能装车机器人自动对比后续车厢长度和汽车衡质量，当司机移动距离过多，造成后续车厢不能容纳预定装载质量物料时，指挥司机进行倒车，在现有物料上方均匀铺撒1层物料，保证装车质量误差在设定范围之内。
汽车智能装车机器人功能
图6 智能装车机器人服务器与智慧运销系统的数据对接
图7 自动装车系统
（1） 装车信息自动对接
智能装车机器人服务器与智慧运销系统的数据对接如图6所示，当车辆进行车牌识别后能够从数据库中调用车辆皮重、载重、采购商信息、司机信息，将车道运输煤种与该车道装车煤种对比，如果煤种不符合则通知司机驶离本装车通道。并将装车模型与车牌绑定，作为装车的基础数据，装车完成后自动计算装载质量，生成装车报表，统计装车信息。
（2） 自动装车
自动装车系统如图7所示，当汽车进入装车通道后，通过对车辆的定位检测来区分车头和车厢，确定车厢的前后边界及司机停车位置，通过语音和显示大屏播放指挥命令，自动控制溜槽和闸板，自动开始装车，当车厢内的煤堆高度到达预设值时，指挥司机前进，进行下一堆物料装车，直至装车完成。
（3） 司机自动指挥
司机进入车道后可以看到前方的显示大屏，包含车牌、目标质量、实时质量、装车指挥命令和落煤口视频，司机可以在音柱语音命令和屏幕显示命令的指挥下完成装车，避免人工长时间喊话或语音不清等情况发生。
（4） 报警提示
智能装车机器人具备设备状态、撒煤、超载、设备故障等监测功能，设置3种程度报警及处理效果，当出现异常时，智能装车机器人自动向集控中心发出报警并触发自动响应，请求人工处理或停止装车，可有效避免装车质量事故的发生。报警发生后，智能装车机器人自动统计报警记录，对各时间维度的报警数量趋势生成曲线，对各分类的报警生成饼图，显示各类报警的占比。了解此类设备的报警情况，能够有针对性地去维护调整，对报警进行完整的记录成表，可以对全局的报警进行检索查询。
（5） 数据对接
智能装车机器人可与智慧运销系统对接，获取装车信息，装车前完成校验；支持多种数据服务、通信协议和接口，可从各类仪表和模块等多种软件、硬件中获取数据，并可通过开放接口向各种应用提供数据；可从各种服务系统、应用系统和控制端获取命令，并自动转发和执行命令，保证命令的可靠性与时效性。
（6） 智能报表
智能装车机器人可实现对装车过程中不同煤种运载车数、运输质量、车道、自动化装车率、装车合格率等关键数据的统计，自动生成装车报表，对30 d的装车信息进行柱状图直观展示。智能报表可以在集控室呈现，用于调度决策、指挥。
实践应用效果
（1） 减少员工人数，节约生产成本
智能装车机器人的应用减少了一定人工参与的工作，工作人员只需进行日常的巡检工作，每班减少装车集控岗位人员4人，1天减少12人，每年节约人工成本约150万元。
（2） 减少劳动强度，降低安全风险
通过应用自动识别核验、采集、控制设备，将装车方式由人工远程装车改为远程监护，无需人工操作，降低了操作工人的劳动强度，避免了操作工人装车过程中长时间精神高度集中的现象；减少了人工参与的工作量，避免了由于人为参与所存在的部分安全隐患。
（3） 指挥简洁清晰，装车快速高效
现场司机通过LED大屏和网络音柱的语音指挥完成整个装车流程，指挥更加清晰，司机装车过程中实时监控落料口视频，装车更加快速高效。
（4） 提高装车效率，便于指挥控制
改变了1个装车操作员同一时间只能控制1个通道装车模式，实现了24 h全天候连续装车，提高了装车效率。
结 语
红柳林煤矿坚持把煤矿减人、增安、提效和提高煤矿职工福祉作为智能化煤矿建设的根本目标，通过新一代信息技术提高智能化水平，促进煤矿安全、质量、效率和效益的稳步提升。智能装车机器人通过将信息流、控制流、业务流全方位智能化升级，实现了从“人控”到“数控”的全面升级，从“自动”到“智能”的全面提速，降低了用人成本，减轻了工人劳动强度，提高了装车效率和装车精度，降低了安全风险，提高了管理效率，践行了“以人为本，安全高效”的生产理念，逐步向智能矿山和智能化示范煤矿标杆的目标迈进。
