目前，对于煤炭等大宗散状物料的装车方 式有火车快速定量装车、火车轨道衡式溜槽装车、汽车仓下装车、汽车煤场铲 车装车4种。其中火车快速定量装车系统是目前被 广泛使用的最先进快速的装车方法，是具有国际先 进水平的集机械、电气、液压于一体化的综合性集 成创新技术，可实现原煤、精煤或其他散装物料的 快速、自动、定量装车。
随着现代化技术的飞速发展，经济结构的不 断优化，国家对环境保护要求的不断提高，行业竞 争也愈加激烈，智能化煤矿建设要求火车装运系统 能够自动识别车厢的编号，实现对车厢的精准定 位，火车的自动称重，以及与司机的沟通，装车过程中对司机驾驶进行引导和根据煤种、车辆运行情 况自动调整封尘剂喷洒量，根据气候条件自动调整 防冻液喷洒量等功能。为响应国家智能化装车站的 建设要求，陕煤集团神木红柳林矿业有限公司(简 称红柳林煤矿) 研发了智能化火车装车系统，该系 统集机械、电气、液压于一体，通过PLC控制组成 人机协调的自动化装车作业， 其主要特征是利用自动化控制系统，实现了火车进站、车号识别、智能 配料、防冻喷洒、智能装车、整平压实、抑尘喷洒各 系统联动一体化控制；一键启动实现了全流程智能化 装车，提高了装车速度与质量，且满足不同煤炭品种 装车转运的专业化、大型化、高效环保的物流需求。
智能化火车装车系统组成及原理
大型快速定量装车站基于大型料斗秤的工作原理，预先在定量仓中按车皮标重装载，通过闸 门和卸料溜槽控制，向行进中的车厢快速卸载，实现 一次连续动态行进中的快速准确装车。快速定量装车系统主要由缓冲仓、定量仓、装车机械设备、液压系统、电控系统、自动润滑系统、软件系统组成。
缓冲仓的目的是存储一定量的煤炭，以确保 在正常工作中有足够的煤炭用于装车，从而避免煤 炭输送机频繁启动；定量称重装车用于快速准确定 量装车；装车机械设备用于控制装车煤流；液压系 统为各种机械设备提供动力； 电控系统用于装车系 统中所有设备监测和自动控制；自动润滑系统为装 车机械设备提供润滑，保证设备的使用寿命；软件 系统用于判断发出各种控制指令， 调节装车精度， 监测各设备的运行状态，记录存储装车记录和报警信息。
装车工艺过程：待装列车到站后，首先确定 待装品种，启动初始静态计算软件，确定开启给煤 机的台数及给煤量，启动输煤系统，所需煤种经输 煤输送带，过渡溜槽等环节，将煤卸至装车站内的 缓冲仓，同时启动动态优化计算软件，根据缓冲仓煤位、列车装车情况及煤炭品种自动调节变频给煤 机，控制给煤量，形成闭环控制系统；待缓冲仓达 到一定煤位后，开启缓冲仓下面的配料平板闸门， 将煤放至称重仓中， 由称重仓安置的称重传感器实 时测量，当达到预定质量时，关闭缓冲仓配料闸 门，实现静态精确称重，待车厢到位后，通过称重 仓下的装车溜槽装入车厢内，将首次定量的物料装 入第1节车箱，同时由溜槽的唇部将煤刮平。装车过程中溜槽可自动刮平车内煤，形成梯形堆积。装完第1节车箱后，溜槽自动升高、关闭闸门；同 时，缓冲仓双翼滑动式液压无尘平板闸门自动打开 进行第2次配料称重循环作业。定量完毕，匀速行 进中的车辆已进入下1个装车位置，放下装车溜槽 并打开称重仓下双翼滑动式液压无尘平板闸门，装 载第2节车厢，…如此连续循环作业，从而实现连 续准确动态快速装车。列车连续匀速前进，直至装 完最后1节车厢，溜槽自动移动到检修位并上栓固 定，此时打印机可随即打出具有装车日期、时间、 车号、车型、标准载重、净质量、误差、收货单位 和到站等数据的装车清单。
在装车过程中，操作台上显示缓冲仓内煤位 在10％~80％之间。当煤位低于10％时，“空仓” 指示灯显示煤量不足，给煤机将自动增大给煤量； 相反，煤位高于80%时，指示灯显示“仓满”， 会自动减少给煤量，直至停止给煤输煤系统相关设 备的运行。
上述自动程序装车能力可达5 300 t/h，即列车 以0.8 ~ 1.5 km/h的速度匀速行驶时可保证连续装车作业，满足对装车站装车速度和装车精度的要求。
智能化火车装车系统关键技术及创新
红柳林煤矿智能装车系统的应用实现了从火 车进站、车号识别、智能配料、防冻喷洒、智能装 车、整平压实、抑尘喷洒各系统联动一体化控制； 一键启动实现了全流程智能化装车，达到中国煤炭 学会《智能化煤矿(井工)分类、分级技术条件与评价》(T/CCS 001—2020)装车系统的全部要求。
车厢编号识别系统
目前，红柳林煤矿装车站装车系统的车号识 别功能采用的是无线射频RFID自动扫描系统，该 系统能够识别车厢底部安装的电子芯片，但是对 于一些芯片损坏车辆的车号无法识别，需人工输入后，才能进行配料放料工作。
为解决上述问题，装车站增加1套车号图像识别系统，通过在现场部署高清相机来抓取列车行进照片，然后利用机器视觉技术、车号图像识别系统进行车号识别，识别结果将与红柳林煤矿原有的列车车号无线射频RFID自动扫描系统比对确认，辅助判断车型。根据实际需求，选择了1款能准确识别车厢编号并能适用装车时车速的相机用于车号的抓取。为延长相机的使用时间，在相机下方安装1组激光对射装置，为相机的启动提供触发信号，无车辆通过时相机进入休眠状态，延长使用时间。在相机镜头下方安装频闪补光灯，激光对射提供触发信号后，在相机拍照的同时提供补光，以保证光线变暗时拍摄的照片质量。将识别对比结果推送到监控界面，显示对比结果是否一致并推送照片，若对比结果不一致，进行语音报警，请求人工确认对比结果，确保装车任务及模型调用的准确性。
智能配煤系统
实现装车无人化管理，要从产品仓下设备开始对装车流程的各个环节进行改造，改造和部署的具体要求如下：
(1)改造给煤机变频，升级给料控制系统
目前，红柳林煤矿每个产品仓配备4 台给煤机，均为非变频给煤机，无法实现装车过程中通过调节给煤机频率和控制上煤量的大小，同时火车装车站虽已实现给煤机、带式输送机和装车站缓冲仓料位之间的连锁控制，但装车过程中需人工时刻查看缓冲仓料位，人工判断启动或关闭给煤机、输送带等，对及时性的把握和工人的劳动强度的要求较大。
为实现火车装车的无人化操作，设计时为每个仓配置2台变频器及变频电机，同时对仓下设备的控制方式进行改造，把产品仓下设备的集中控制纳入到火车装车集中控制系统，实现装车系统根据本列火车的待装量和产品仓、缓冲仓的料位高度，自动控制给煤机、带式输送机取料。同时，系统还将根据产品仓料位情况，设置风险提示，防止产品仓产品因流动性差而引起的自燃风险。
(2)定量仓智能配料
升级装车站装车系统原有配料模块后，系统 能够根据不同的煤种自动调整溜槽闸板的开度大小 以调节落料速度，保证能在当前车厢装车时，定量 仓物料全部落入溜槽，系统通过定量仓称重数据变化判断定量仓有黏料，程序开启防黏料设施自动运 行。放料闸板关闭，系统提前准备下一节车厢的配 料，自动配料时要确保不超吨，误差小于0.3%。
智能装车系统
(1)车厢位置及车速的智能检测模块
部署1套车厢位置检测和车速检测系统，在装 车过程中实时对装车位置进行检测。定位车厢精确 的物理位置，确保车厢与溜槽保持相对安全位置并 无缝配合，避免车厢与溜槽相撞。同时可根据检测 结果进行控制反馈，监测火车装车的装料进程，进行自动装车。
(2)跳节模块
运输车厢为铁路车站提供，车厢经过长时间 使用，会出现断梁、变形、漏底等问题，若发现不及时，装入的煤炭会在运输过程中撒落，不仅会造成客户到货损失，还会污染沿线铁路，造成车厢脱轨等重大危险。因此，开发手持式检车跳车填报系统(图1)，通过无线局域网与装车系统连接，检 车员在检车过程中使用填报系统填报需要跳车的节 数及车型车号，推送到智能装车任务系统，标记跳 节，当装车到该节车厢时，系统不进行任何操作， 等待车厢驶过，完成破损节自动跳车。
图1 手持式检车跳车填报系统
(3)溜槽改造及升级溜槽伸缩监测模块
现在红柳林煤矿装车站的垂直溜槽伸缩在装 C80车时溜槽高度过低，无法满足现有装车的高 度，因此制作新的伸缩溜槽，缩短溜槽内外衬套长 度，以满足包括敞车C62 、C64 、C70 、C80以及集 装箱在内的所有系列车型的装车要求。
新设计的溜槽将缩短内外衬套溜槽长度，新 设计的溜槽需满足溜槽在伸缩状态时，溜槽的高 度能够支持C80车厢的装车高度；溜槽在伸出状态 时，溜槽的高度能够支持C64装车时最低位置高度；同时新设计的溜槽宽度根据最宽车厢和最窄车 厢的尺寸，确保能满足2个宽度极限尺寸范围的所 有车厢装车。
目前的溜槽采用普通液压油缸，只能做简单 的往复动作，停止位置无法准确定位，所以为实现 装车溜槽的连续调节进行项目改造，将原有普通油 缸更改为带位置反馈的数字油缸，以实时监测溜槽 伸缩位置，使溜槽能准确下降到车厢合适的位置高度，实现精准装车。同时，还可在线实时反馈油缸 行程位置，为装车反馈提供参考数值和依据。
(4)建立装车模型，自动检测装车质量
智能装车支持不同车型、不同煤种和不同目 标载重，可根据需要配置对应车型、煤种和目标载 重的装车模型。采用信标系统对车厢进行精准定 位，能够实现对正在装车的车厢进行实时位置检 测，定位检测范围覆盖整节车厢，定位精度达厘米 级，定位系统不受粉尘、水雾等影响，信标定位有 备份系统，当1套出现故障时，系统能够自动切换 至备份模块。利用雷达技术，抽取物料面积、堆积 高度、火车车厢的占空比等参数，换算出车厢内物 料高度，建立针对不同煤种、不同车厢的物料高度 模型和偏载检测。然后，根据检测结果进行控制反馈，监测火车装车的装料进程，进行自动装车，当完成最后一节车厢装料时，关闭装车系统。装车 时，每一节车厢的目标载重根据车厢的预装高度进 行反向推算，根据车厢目标体积核算的装车质量为 依据，确保物料的装车高度不超限。
装车质量检测系统检测项目包括前后偏载、 装车超高，该系统是基于机器学习理论，通过分析 历史数据， 自动学习偏载量和平整度，不断优化针 对不同车型、不同煤质的装车质量，最终实现装车 质量随着装车量的增加不断提升的效果。装车质量 检测是在装完该节车辆后立即完成该车厢的扫描检 测，能够第一时间给出该节车厢的检测结果，如果 超标，立即报警，然后人工再次确认是否需要人工处理。
(5)装车过程的实时仿真模拟
红柳林煤矿装车站定制开发了1套火车装车动 态仿真模拟系统(图2)，利用虚拟现实和实际结 合的模式，采用三维动画技术对装车溜槽、抑尘防 冻液喷洒装置、火车车皮及车皮扫描装置等设备的外形、材质和工作环境进行立体建模。并与建成的 无人化装车系统中的各项数据进行实时联动，把无人化装车系统的工作过程、实时数据、设备状态等一系列真实的事物以动态视频的形式演示。
图2 红柳林煤矿装车站火车装车动态仿真模拟系统
防冻液抑尘剂喷淋系统
红柳林煤矿装车站目前防冻液的自动喷洒模块为独立运行的1套系统，需专门人员根据现场装车情况，人为判断操作，并且该模块未与车号扫描系统、装车系统等联控，无法实现喷洒过程根据不同车皮、不同车速、不同温度，自动开关和流量控制。
红柳林煤矿智能化火车装车系统将原来电机带动绞车升降的方式改为液压升降喷淋(图3)，并将该喷洒模块通过通信网络与装车系统连接，实现了喷洒装置能够根据火车行进速度自动调整喷洒量及遇到车厢间隔和停车时自动停喷，并能够实时采集并记录每节车皮、每列车的药剂喷洒量。为防止由于防冻液浓度不够而导致车皮冻煤现象，在防冻液储料罐增加密度在线测量装置(图4)，根据煤车运输路线的室外温度所对应的防冻液冰点密度，系统自动判断该密度是否在正常范围内，否则给出相应报警。
图3 改造后的防冻液喷洒装置
图4 防冻液密度检测装置
防冻粉撒播系统
在室外温度过低时，喷洒防冻液防止冻黏煤效果会被大幅下降，需要向火车车厢内播撒防冻粉，以防止出现冻车皮的情况。目前主要是人工用 铁锹向车厢内撒播防冻干粉， 劳动强度大，且在高 处作业存在一定危险。
红柳林煤矿智能化火车装车系统在原防冻干 粉撒播处增加1套防冻干粉播撒装置(包含储料装置，图5)，实现了火车在运行过程中根据温度变 化自动上料、自动向车厢内播撒防冻干粉，并能够根据火车行进速度自动调整喷洒量。
图5 防冻干粉撒播设备
智能撒煤清理系统
装车站建于开阔铁路沿线，在装车过程中， 不可避免地会造成煤炭洒落，洒落煤炭落到铁轨 上，会造成车轮打滑。红柳林煤矿装车站建设在国 铁客运线旁，对环境有着极高的要求，需要在装车 后对铁路线撒煤进行及时清理。清扫后的余煤需要 装进车厢中，而火车车厢相对较高，人工铲煤较为 困难，本次智能化系统建设， 首次建设自动撒煤清 理装置(图6)。
在装车楼距离溜槽5 m 处位置，建立1套提升 输煤装置，人工只需将撒煤铲放到入料口处，通过 提升传送装置、散装设备及结合车辆定位系统将撒 煤自动放入装车行进过程中的每一节车厢。该装置能够根据车厢位置自动将煤提升输送至车厢内，在车厢空挡处停止下煤；清理装置采用软性材质，不 会出现损伤车厢的问题；结合车型检测模型，根据 车型自动升降到合适的落煤高度，确保落煤过程不 产生粉尘，全部装入车厢内。
图6 自动撒煤清理装置
机车通信指挥系统
红柳林煤矿装车站的原装车为内燃机机车牵 引，采用传统的机车调度模式， 由司机掌握行车，系统不可控，装车员用对讲机和司机沟通，响应速度慢、工作效率低、与装车系统无法实现良好配合。
红柳林煤矿智能化火车装车系统安装1套新型 的机车指挥系统(图7)，实现了系统与火车司机 的自动交互，司机可利用手持移动设备，在现场部 署无线局域网与装车控制系统形成连接，实现实时 通信，完成机车远程无线导航作业。装车站系统任务与机车司机手持移动端设备 通信，在装车站任务确认后，完成任务绑定及确认。任务信息将同步到机车司机手持移动端设备，然后机车司机根据设备发出的指令控制火车。全过程机车司机可通过移动端实时看到车辆位置、装车进度、车速、异常报警等信息，清晰可视化地将装车全过程呈现给司机，实现了机车指挥的无人化。
图7 机车通信指挥系统
压实整平系统
红柳林煤矿装车系统已配备有二级压实装置，但是该装置为独立系统，未能纳入到装车系统中实现集中控制。在实际操作过程中，需安排专人在装车时手动控制设备对装载后的车厢进行平整压实。人工操作工作量大，压实质量凭借人员经验而异。红柳林煤矿智能化火车装车系统对该设备的控制进行了优化， 目标为减少人员工作量，实现压实无人化自动化，并与智能无人装车系统进行联控。增加平整、压实滚筒的高度检测设备和车厢位置检测设备，压实整平系统根据车厢位置控制升降，根据装车质量检测结果、煤种、车厢高度等参数，调用不同整平压实模型精准控制压实滚筒高度，实现设备的无人化精准控制。
实践应用效果
通过对智能化火车装车系统的创新设计，扩大了装车系统发展创新空间，智能装车项目实现了 配料的无人操作、车厢的无人检测、装车的无人操 作，大幅减少了直接在现场进行作业操作，从而避 免了人员安全事故的发生，为红柳林煤矿安全高效 生产奠定基础。其中防冻液抑尘剂的自动喷洒以及 车厢质量检测研究成果，可以有效避免火车运输过 程中的扬尘、洒落，造成环境污染，进一步保护铁 路沿线的生态环境。
装车站智能装车系统的应用显著提高了选煤 厂智能化水平和经济效益。通过更为科学的投入， 提升了装车效率，去除了大量人工干预环节，实现 了过程风险自闭锁。每年减少装车系统运行时间 840 h，节约电能840 000 k W ·h，按照1元/k W·h计 算，装车系统每年可节省电费84万元；抑尘剂和 防冻液采用智能控制喷洒方，比人工手动喷洒方式 节约药剂用量15%~20%，每年最少节省药剂费用 60万元；装车站实行“三班倒”上班制，每班至 少需要8名工作人员，智能化装车系统实现了有人 巡检、无人操作，每班仅需1名巡检人员，减少7 名岗位工人，人工费按照每年8万元/人计算，每年 减少人工费168万元；火车装车精度提高后，每列火车实际装载质量增加20 t ，每年实际装车量增加48 000 t ，火车吨煤运费按80元计算，每年可节约 火车运费384万元。综合计算，红柳林煤矿智能化火车装车系统创造的经济效益达696万/年。
结 语
智能化装车系统利用激光定位和图像识别技术，结合智能检测设备，大幅提高了装车效率和装 车质量，降低了人员的劳动强度，符合国家智能化 选煤矿建设指导要求，装车站智能化建设达到了先 进水平，为行业其他装车站智能化建设提供了重要 参考。红柳林煤矿智能化火车装车系统的应用适用 于现在常规的快速定量火车装车站系统，也可改进 后应用于其他装车方式装车站，具有一定的应用范 围和推广意义。
