根据国家相关部门进行的数据统计，2020 年全国煤炭产量为39.02 亿t，其中铁路运输17.9 亿t，2021 年全国煤炭产量40.7 亿t，铁路运输占比进一步扩大。我国煤炭运输最主要的方式为铁路运输，约占全国煤炭总产量1/3，铁路运输发挥着巨大作用。

目前煤炭火车装车站场所，当火车车厢装运完成后，需进行车帮清扫作业，将车帮上撒落的煤清扫进车厢内。清扫作业目前大部分采用人工作业。作业时，车厢每侧2～3 人站在操作台上，用扫把、铁锹将煤清理进车厢内。根据装车进度，操作员一般需在2 min 内完成清理工作，每装一列车，连续工作100～200 min，如果装车站连续装车，清扫作业需连续进行。长期人工清扫作业过程中，发现存在以下问题：

（1） 需要人工多，劳动成本较高。

（2） 工人连续作业，劳动强度较大。

（3） 工作环境恶劣，粉尘较大，冬季气温较低。

（4） 清扫效果不佳，经常有疏漏和残余。

基于以上问题，急需要开发可行、可靠、高效、高质量的车帮自清扫系统。

装置组成及功能

车帮自动清扫装置为全自动化清扫装置，可实现自动检测车厢高度尺寸、车帮实时位置，各清扫机构根据车厢位置和高度，自动调整工作高度并完成清理作业，清扫全过程，无需人工参与。清扫装置由控制系统、竖直信标、水平信标、前后车帮清扫机构、左右车帮清扫机构、前后车帮沟槽清扫机构组成，车帮自动清扫机结构如图1 所示。

图1　车帮自动清扫机结构

此系统通过PLC程序控制，结合定位信标识别车厢具体位置，程序控制伺服电机正反转，使升降装置到达或回到指定位置，控制清扫电机清扫车帮，整个系统只需工人在集控室一键操作即可。

（1） 竖直信标

竖直信标安装在清扫设备最前端，由一定高度的对射光栅构成，光栅中各个光柱等间距布置。当火车厢从竖直信标经过时，车会遮挡光柱，通过被遮挡的光柱换算出车厢高度方向的尺寸，包括煤堆的高度。竖直信标如图2 所示。

图2　竖直信标

（2） 水平信标

水平信标为一组水平布置的对射激光柱，紧邻竖直信标布置，光柱等间距布置，测量原理与竖直信标相同，当车厢在其中通过时，可实时获取车厢在其中的位置，通过与竖直信标测量结果结合，得到车厢的侧向投影尺寸图，通过数据分析，控制系统可获得车帮高度和煤堆高度，判断清扫机构的清扫器清扫高度。信标检测车厢的侧向投影如图3所示。

图3　信标检测车厢的侧向投影

（3） 前后车帮清扫机构

前后车帮清扫机构布置在竖直光栅之后，由升降机构、清扫滚刷构成，前后车帮清扫机构如图4所示。当水平信标显示，车厢前后车帮已经进入清扫区域时，伺服驱动系统带动升降机构下降至清扫位置，系统分析确定清扫位置为前车帮或后车帮，然后确定清扫滚刷转动方向，将车帮上的煤清理到车厢内。为了确保清理效果，设计2 组清扫滚刷，以增加车帮与清扫滚刷接触时间，确保清扫效果。为避免车帮与清扫器碰撞，升降机构达到工作高度时，滚刷转轴与车帮保持一定间距，确保仅毛刷与车帮接触；同时当前后车帮离开清扫区域后，升降机构立即升至最高安全点。

图4　前后车帮清扫机构

（4） 左右车帮清扫机构

左右车帮清扫机构由升级机构和斜置清扫刷构成，左右车帮清扫机构如图5 所示。当水平信标判断车辆到达清理位置时，伺服驱动系统带动升降机构下降至清扫位置，清扫滚刷开始转动，在滚刷与车帮接触点，滚刷转动方向与车厢前进方向相反，因滚刷轴斜置，扫落的煤被抛向车厢内侧，同时为提高清扫效果，每侧设计2 组滚刷。为避免车帮与清扫器碰撞，升降机构达到清扫工作高度时，滚刷转轴与车帮保留一定安全间距，确保仅毛刷与车帮接触；同时车厢离开清扫区域后，升降机构立即升至最高安全点。

图5　左右车帮清扫机构

（5） 前后车帮沟槽清扫机构

当完成了上述清理工序，敞车车厢即可实现车帮自动清扫。但因集装箱的前后车帮各有一条通常的U 型槽，上述2 个清扫机构无法实现彻底清理，仍需单独清理U型槽。前后车帮沟槽清理机构布置在最后，由升降机构、带式清扫滚刷、导料槽、储煤厢构成，前后车帮沟槽清扫机构如图6 所示。

图6　前后车帮沟槽清扫机构

当水平信标显示车厢前后车帮已进入清扫区时，伺服驱动系统带动升降机构，下降至清扫位置，清扫滚刷开始转动，将煤由车帮中部向车厢两侧清理，被清理的煤沿导料槽进入储煤厢。为确保清理效果，清扫滚刷设计为合理宽度，以增加车帮与清扫滚刷接触时间，确保清扫效果。为避免车帮与清扫器碰撞，升降机构达到清扫高度时，保证滚刷转轴与车帮保持一定间距，仅毛刷与车帮接触；同时当前后车帮离开清扫区域后，升降机构立即升至最高安全点。

当车头经过竖直信标时，系统通过高度尺寸识别为车头，后序各清理装置全部升至最高安全位置躲避，避免发生安全事故。

设备工作流程

（1） 车型尺寸检测

车厢向前行驶，几乎同时经过竖直信标和水平信标，经过水平信标是记录车厢的长度值，类似于直角坐标系中X值，经过竖直信标时获取对应X坐标的Y坐标值，由此，车型的长和高的坐标就可以建立起来。通过一系列的坐标值，提取出车帮的高度，实时确定车型前后端的位置。这些值为后续清扫机构的动作提供数据支撑。

（2） 前车帮清扫

当信标系统检测到车厢前端进入到前后车帮清扫区域时，控制系统控制升降机构降低接近车帮高度，使得前后清扫机构的毛刷可以和车帮有效接触，并启动驱动电机带着毛刷旋转，在接触点位置毛刷与车厢运动方向相反，将车帮上的煤扫入车厢内，车厢前端向前行驶一定距离后（此距离有信标系统测得），清扫机构快速升起至待机区域，毛刷停止转动。

（3） 左右车帮清扫

当信标系统检测的车厢前端进入左右车帮清扫区域，左右车帮清扫机构在升降系统控制下降低到接近车帮高度，此时毛刷与车帮可以有效接触。毛刷驱动电机开始旋转，在接触点位置，毛刷与车厢运动方向相反，并成一定夹角，毛刷运动方向指向车厢内部，车帮上的煤被清扫至车厢内部。清扫至车厢尾部时，清扫机构升起至待机位置，毛刷停止转动。

（4） 后车帮清扫

当信标系统检测到车厢后端进入到前后车帮清扫区域时，控制系统控制升降机构降低接近车帮高度，使前后清扫机构的毛刷可以和车帮有效接触，并启动驱动电机带着毛刷旋转，在接触点位置毛刷与车厢运动方向相同，毛刷转动速度高于车厢速度，毛刷将车帮上的煤扫入车厢内，车厢后端向前行驶一定距离后，清扫机构快速升起至待机区域，毛刷停止转动。

（5） 前后车帮沟槽清理，信标系统检测到车厢前端或者后端进入到清扫区域后，清扫机构快速降低至接近车帮高度，确保毛刷与沟槽底部可以有效接触，旋转电机带动毛刷快速旋转，将煤从沟槽扫出，进入倒料槽，煤经倒料槽进入储煤厢存储，待满厢后人工运出。

装置性能优势

（1） 抗干扰性能

车厢定位信标系统为系统关键设备，为避免现场环境存在灰尘、烟雾、雨水等情况时，微波雷达、超声波雷达、激光雷达等测量设备会受到干扰和影响，测量传感器会产生较大测量偏差，不能提供可靠数据。系统采用了等间距布置对射激光柱作为测量工具，每对激光柱的通断分别输出0 和1，每遮挡1 个光柱，表示向前移动一定距离。在灰尘、雾气、雨水的恶劣使用环境中，只要光能够穿透，就可输出准确清扫位置，确保车帮自动清扫系统的稳定和可靠性。

（2） 毛刷耐磨性能

清扫过程中毛刷与车帮接触，毛刷必须具备较高的耐磨性和弹性，减少磨损和弯折情况。系统采用高弹性不锈钢丝毛刷，具备高耐磨、高弹性的特点。

（3） 安全躲避性能

为避免清扫机构与车厢和车头碰撞，升降机构需具备较高行程，即向上可快速升至高点，高点位置超过车头位置；同时升降机构需具有较高行进速度，以及位置定位精度，确保多次重复运动不会出现定位精度降低；同时升降系统电机为带有抱闸功能的电机，停止升降时可固定在停止位置，避免因火车振动导致脱位。

（4） 信标长度覆车厢性能

为实现控制安全，信标满足水平信标长度大于所兼容的车厢最大长度；竖直信标长度覆盖敞车和集装箱的最大装煤高度。同时满足上述2 个条件，确保正确建立车长与车高的坐标值。

装置安全防护措施

（1） 防掉落措施

因工作环境特殊，火车行驶振动较大，升降机构设计时均为带抱闸的驱动电机，确保电机停止时，能抱死在固定位置，避免产生滑动；同时升降机构运动时，不会因车辆振动引起滑动，确保上升和下降的位置准确。

（2） 防人员误入措施

在设备工作区两侧，安装安全监测摄像头，覆盖火车道两侧及车厢顶部，实时监测覆盖区域，当出现人员进入工作区时，控制系统及时发出警报提醒人员远离现场，同样提醒集控人员，注意现场情况。

（3） 防碰撞功能

通过竖直信标和水平信标组建的信标系统，每节车厢的高度和长度可很清晰的输入到控制系统中，车厢前后车帮可同时呈现，当系统运行时，控制系统可根据前后车帮位置，实时控制各升降机构的动作和高度，避免产生碰撞。

应用效果与待改进点

应用效果

设备调试完成后，各机构运行稳定，信标系统准确测量车厢的长、高尺寸及行车有效数据；当车厢行进速度小于15 km/h 时，各清扫机构满足根据车厢移动过程，自动执行清扫动作，设备各功能稳定正常，未出现异常停机或碰撞等事故。各清扫机构清扫效果良好，在定期更换清扫毛刷的前提下，可实现前后车帮、左右车帮、前后车帮沟槽的有效清理，且能够将煤清理到车厢内，未现场环境产生不良影响。

设备稳定运行后，只需集控员在集控室监控，现场无需人员操作，可减少现场操作人员3 名，有效降低了用人成本。自动清扫装置实物如图7 所示，自动清扫装置现场应用如图8 所示。

图7 自动清扫装置实物

图8 自动清扫装置现场应用

待改进问题点

（1） 装置升降系统较多，因处于室外应用环境，受雨、雪、结露等情况影响较大，目前装置未设计整体防护设施，存在水渗入行走机构中的隐患，后续设计增加对各行走结构有效防护方案，避免产生生锈腐蚀等异常情况。

（2） 装置设计中未考虑自动识别的节能设计。若车帮很干净，设备仍然按程序自动完成清扫，存在浪费能源、消耗易损件等问题。后续改进方案增加车帮覆煤量自识别功能，清扫机构可定点清理。

（3） 车厢前后车帮沟槽清扫时，因车帮与清扫机构相对运动，导致毛刷会被车帮带动向前弯曲变形，长期运行后影响清扫效果变差，毛刷没有明显磨损的情况下，需要更换毛刷。后续需增加行走机构和测速机构，在一定时间和距离内，毛刷可和车帮同步运行，减少毛刷拉扯变形。

（4） 建立定期维护保养机制，目前设备应用中没有得到定期维护和保养，导致设备信标系统出现激光点被遮挡的现象，信标定位精度降低。各行走机构中，位置测量传感器，因粉尘覆盖出现数据飘移。后续需建立定期维护保养机制，严格按照保养基准书要求定期对设备进行维护和保养。

结 语

（1） 应用该装置能够实现车帮清扫业务的自动化，有效清扫车帮及沟槽中的物料，解决了业内减人降本的广泛需求，提升用户现场自动化水平。

（2） 该装置仍存在能耗较高的不足，对于无需清扫的车厢，装置会无差别的执行清扫动作。该问题主要因为目前尚无能够精准判断车帮有无物料的传感器，目前采用多线激光雷达方式已是最佳效果，但并未达预期。

（3） 鉴于视频识别技术在相似领域的成功应用，后续拟基于视频技术开发算法，识别车帮上积煤情况，并结合信标信号数据，确定积煤位置，从而实现定点清理，有效解决高能耗问题。

策划：李金松 编辑：黄小雨

热点问答

智能矿山对通信系统的要求有哪些？

（1）大带宽：以视频监控为例，1080p 摄像头至少需 4Mbps 带宽，设计带宽大于 60Mbps

（2）低时延 / 高可靠：远程驾驶最低时延5ms、可靠性为99.999%、通信速率上行25Mpbs、下行1Mbps，自动驾驶最低时延3ms、可靠性99.999%、通信速率53Mbps

（3）移动性：满足自动巡检、自动驾驶、大型采掘设备远程操控等都满足移动性要求

（4）数据安全：矿山通信网络为封闭业务，对数据安全性要求高，且与公网业务需做好隔离

（5）设备安全：井下设备需通过认证获得安全证书，保证5G 无线网络、 F5G 光纤+有线网络融合的矿井通信网络安全。

——来源：《中国煤矿智能化发展报告（2022 年）》