一种铁路车辆列检机器人智能作业系统和方法

摘要

本发明公开了一种铁路车辆列检机器人智能作业系统和方法，属于铁路货物列车技术检查领域。所述的铁路车辆列检机器人智能作业系统包括：列检机器人系统、列检作业监控管理平台和列检无线网络平台；通过控制轮式机器人和风控大闸，结合自动控制技术、激光探测技术、无源射频传输技术、位置自感知技术、机器视觉技术和数字图像分析技术采集待检车辆的全息数据，并利用模式识别技术进行处理分析和决策，实现对铁路车辆列检作业中制动试验自动化、零部件质量状态诊断信息化、故障处理可监控、列检修后复查可追溯。实现了“机检代替人检”，可适应全国各地列检应用所的不同环境，能够全面提高列检作业的质量和效率，具有较大社会效益和经济效益。

说明书

技术领域

本发明属于铁路货物列车技术检查领域，具体是一种铁路车辆列检机器人智能作业系统和方法。

背景技术

货物列车技术检查是铁路车辆检修的一项重要任务，该任务的主要内容是：车辆制动试验、零部件质量状态诊断、故障处理和列检修后复查，同时对车辆制动试验规定了明确的试验时间和质量标准。

目前铁路车辆部门通常采用人工作业的方式对货车进行列检，由大量技术工人通过钻车底、来回跑动、肉眼查看和凭感觉的方式进行检车作业。显而易见，这种作业方式存在劳动密集、人力成本高、作业环境不友好、故障率高以及工作效率低等问题。

发明内容

本发明为解决传统列检作业方式中存在的问题，提出了一种铁路车辆列检机器人智能作业系统和方法。具体是通过控制轮式机器人和风控大闸，结合自动控制技术、激光探测技术、无源射频传输技术、位置自感知技术、机器视觉技术、数字图像分析技术来采集待检车辆的全息数据，并利用模式识别技术进行处理分析和决策，实现对铁路车辆列检作业中制动试验自动化、零部件质量状态诊断信息化、故障处理可监控、列检修后复查可追溯，能够全面提高列检作业的质量和效率。

所述的铁路车辆列检机器人智能作业系统包括：列检机器人系统、列检作业监控管理平台和列检无线网络平台。

列检机器人系统包括轮式机器人、承载轨道和风控大闸；

承载轨道铺设在列检股道铁轨中间，与铁轨平行；轮式机器人沿着承载轨道提供的运行路径作业；风控大闸连接待检列车的风管与列检厂的风压管，给待检车辆的风管进行充风，并控制风管内风压，包括：加压和缓解。

列检作业监控管理平台包括中心管理服务器和控制复示终端服务器；

中心管理服务器承载中心监控管理程序和控制复示程序服务端；控制复示终端服务器承载控制复示程序客户端。

中心监控管理程序的作用如下：(1)处理，下发控制轮式机器人和风控大闸的作业命令；(2)解析列检轮式机器人采集的激光数据、位置编码、图像数据、视频数据、车号标签数据和自检数据，并进行相关性分析和处理；(3)输出检修车辆发现的故障，并自动进行决策和预警；(4)协调多个轮式机器人的同时作业。

控制复示程序的功能包括：(1)实时查看列检机器人系统的作业状态；(2)根据列检作业流程下发控制命令：巡航扫描命令、制动试验命令、风控大闸作业命令、检修车辆图像分发命令、维修实时监控命令、复查作业命令和自检命令。(3)生成检修车辆诊断表；(4)故障预警；(5)列检历史信息查询，报表生成。

列检无线网络平台包括网络传输模块和无线中继站。

网络传输模块分为A端、B端和C端；A端和C端分别部署在列检股道的两端，通过数据线与中心管理服务器网口连接；B端部署在轮式机器人上；

无线中继站部署在列检股道的侧边，通过数据线与中心管理服务器网口连接，用于覆盖列检作业股道的无线信号，保证轮式机器人与中心管理服务器之间的无线通讯。

所述的铁路车辆列检机器人智能作业的方法，包括以下步骤：

步骤一、针对各待检列车，进行作业前的准备工作。

准备工作包括：设置待检车辆的安全防护设施；打开风控大闸和连接风管；机器人开机自检；

步骤二、每个轮式机器人开始巡航扫描作业，并反馈各自的全息扫描检修列车信息给中心管理服务器。

具体步骤如下：

步骤201、控制复示程序客户端发起巡航指令，经中心监控管理程序进行编译处理后，由中心管理服务器发出，巡航指令通过列检无线网络平台发送至对应的轮式机器人；

巡航指令包括：作业模式、机器人行驶速度、机器人编号和检修车辆数等。

步骤202、每个收到指令的轮式机器人开始巡航作业，在指定速度行驶的过程中，对检修车辆的底部信息进行全息扫描；

扫描得到的数据包括：检修车辆的车号、车型、无缝图像、视频和车底所有可视零部件的形状尺寸等。

步骤203、每个轮式机器人的扫描数据由各自的控制处理芯片汇聚处理后，均反馈回中心监控管理程序进行解析得到全部轮式机器人的巡航数据；

巡航数据包括：所有检修车辆车号及其编组顺序、车辆底部1:1模型、带有距离刻度的车辆无缝图像、视频录像和每辆车制动缸位置等。

步骤三、列检员根据全息扫描检修列车信息，检查车辆零部件的质量状态并对故障进行记录；

控制复示程序客户端接收到全息扫描检修列车信息后，列检员按辆核对巡航数据中的车辆图像，并根据图像对车辆零部件质量做出诊断结果：正常、疑似待复核或故障。

步骤四、列检员通过控制复示程序客户端发送制动试验指令，系统进行自动制动试验作业；

所述指令包括：作业模式、试验类型、机器人作业速度、制动缸位置距离以及每台机器人在承载轨道运行的范围等，

系统进行自动制动试验，包括感度试验、安定试验和持续保压试验三阶段；具体如下所示：

步骤401、针对感度试验，机器人根据制动试验指令达到作业起点位置；

每台机器人的起点位置和终点位置根据参与作业的机器人数量和车辆数量择优平均分配。

步骤402、风控大闸收到制动试验指令后，根据制动试验模式调整车辆风压值，车辆制动系统进行缓解或者制动；

步骤403、每一台机器人在系统指定的范围开始位移，并依次采集每一辆车的制动缸图像；

步骤404、系统根据制动缸图像和像元尺寸计算活塞伸出的长度。

步骤405、系统根据车辆空重车位、当前试验模式、制动缸类型、制动缸活塞伸出的长度输出制动试验结果，并对故障制动缸进行预报。

车辆空重车位、当前制动模式、制动缸类型和制动缸活塞伸出的长度的具体关系由《铁路货车列检作业指导书》规定。

步骤406、重复上述步骤，分别得到感度试验、安定试验和持续保压试验的试验结果。

步骤五、控制复示程序根据车辆零部件的故障记录和制动试验结果，生成列检故障诊断表，列检维修人员实时监控轮式机器人进行现场修复；

具体为：

列检维修人员给列检机器人下达故障维修监控指令，指令包括：监控作业模式、机器人行驶速度、作业位置等；离维修点最近的机器人收到指令后位移至该点，现场维修工人通过机器人进行实时视频监控和指导。

步骤六、控制复示程序发送复查指令，中心监控管理程序对复查结果进行处理并复核车辆故障修后状态。

所述复查指令包括：复查作业模式、行驶速度、行驶距离范围等，

机器人收到复查指令后开始匀速行驶，同时对车辆车底进行录像，中心监控管理程序对视频进行处理并复核车辆故障修后状态。

步骤七、控制复示程序自动生成检修作业报表；

每辆检修车辆对应一个报表，所述报表数据包括：车号、车型、检修时间、故障名称、修复状态、操作人员等。

步骤八、控制复示程序发送作业完成指令，轮式机器人自动进入待机状态，完成本次列检作业。

本发明的优点在于：

(1)一种铁路车辆列检机器人智能作业系统，实现“机检代替人检”，通过列检轮式机器人的智能作业来代替列检工人的跑动作业，提高检车工作质量，转变工作模式，改善列检作业环境，减员增效，具有较大社会效益和经济效益。

(2)、一种铁路车辆列检机器人智能作业系统，轮式机器人具有防雨雪、防尘、防震动、低功耗易散热的设计，可适应全国各地列检应用所的不同环境，满足实际生产线要求。

(3)一种铁路车辆列检机器人智能作业的方法，实现待检车辆信息自动扫描、自学习，检修记录自动记录；实现列检车辆大数据库的建立；实现实时跟踪车辆质量状态、定期生成车辆质量状态报表、智能监控车辆安全生产。

附图说明

图1为本发明一种铁路车辆列检机器人智能作业系统的总体结构图；

图2a为本发明铁路车辆列检机器人智能作业系统中承载轨道类型示意图；

图2b为本发明铁路车辆列检机器人智能作业系统中承载轨道类型局部示意图；

图3为本发明铁路车辆列检机器人智能作业系统中风控大闸连接示意图；

图4为本发明铁路车辆列检机器人智能作业系统中列检无线网络平台示意图。

图5为本发明铁路车辆列检机器人智能作业方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

本发明提供一种铁路车辆列检机器人智能作业系统，如图1所示，包括列检机器人系统、列检作业监控管理平台和列检无线网络平台；

所述的列检机器人系统包括承载轨道、轮式机器人和风控大闸；

轮式机器人在待检车辆下方、承载轨道上进行作业，搭载控制处理芯片、红外激光发射接收器、无源射频天线和读出器、位置获取传感器、防碰撞检测器、机器视觉图像采集器、视频采集器以及定向无线接收发送器。轮式机器人通过机载电池电力驱动，在承载轨道上沿轨迹进行作业，具有多档速度行驶(1米/秒-10米/秒)功能、位置自感知和矫正(误差≤0.1米)功能、障碍物自识别(识别距离≤10米)功能、图像高速采集处理功能、视频高速采集处理功能、射频标签读写功能、数据交互功能和自检功能，实现制动试验、零部件质量状态诊断、故障处理和修后状态复查中车辆图像数据、视频数据、车号数据的采集任务，机器人高度满足铁路轨边建筑限高要求(≤230mm)，宽度小于轨道(≤600mm)，机器人一次满电状态可提供至少3次以上完整列检作业，不作业时可搬离列检现场。

所述控制处理芯片内置于机器人内部，是机器人运行作业的高速运算处理核心，主要功能包括：信号触发、数据汇聚、数据压缩、数据存储功能。

所述红外激光发射接收器发射和接收口无遮挡，具有测量距离功能。

所述无源射频天线和读出器主要功能是激发待检车辆的车号标签，并接收车号数据。

所述位置获取传感器主要功能实时采集当前位置信息，进行自定位。

所述防碰撞检测器主要功能是检测机器人行驶方向的障碍物，检测距离≤10米。

所述机器视觉图像采集器包括高速触发式线扫描工业相机、激光补偿光源和信号触发器，主要功能是进行无缝图像采集和拼接。

所述视频采集器是高速录像装置，具有控制云台，入光口可进行0°-360°水平旋转，可以上下-45°-+45°调整仰角。

所述定向无线接收发送器负责机器人与外部的数据无线传输和接收。

如图2a和图2b所示，承载轨道由2根钢轨铺设在列检股道内两铁轨之间，与铁轨平行，2根钢轨间的轨距由固定板进行固定，主要功能是为轮式机器人作业时提供运行路径，保障机器人按照指定轨迹运行，为机器人提供实时位置信息，每股承载轨道上至少有2个或以上轮式机器人同时进行作业。承载轨道的形状与轮式机器人车轮形状配合使用，有直角型、圆柱型或工字型三种。

所述固定板为硬塑料材质加工，内嵌位置标识仪，沿着铁轨方向每隔10米等距离安装一套，主要功能包括：(1)将承载轨道固定在铁轨枕木上；(2)保持承载轨道2根钢轨之间的轨距；(3)辅助轮式机器人进行位置自感知。

所述位置标识仪内嵌在固定板上，具有存储位置数据功能，为轮式机器人上的位置获取传感器提供读取接口。

如图3所示，风控大闸为风压智能控制仪器，连接检修列车风管与列检厂风管装置；通过信号线与中心管理服务器连接，接收风压调节控制命令和反馈当前风压值，主要功能是给待检车辆的风管进行充风加压和缓解，并根据制动试验要求，自动调整风压压强值，常用风压值为600千帕、530千帕、550千帕、500千帕、430千帕。

所述的列检作业监控管理平台包括中心管理服务器和控制复示终端服务器；

中心管理服务器是整个系统的控制中心，承载中心监控管理程序和控制复示程序服务端；

中心监控管理程序是整个系统的神经中枢，主要功能包括(1)处理和下发控制机器人作业命令，处理和下发控制风控大闸作业命令；(2)解析列检机器人采集的激光数据、位置编码、图像数据、视频数据、车号标签数据、自检数据(主要是机器人各模块运行健康指数)，并对数据进行相关性分析和处理；(3)输出检修车辆发现的故障，并自动进行决策和预警；(4)协调多个轮式机器人的同时作业。

控制复示终端服务器承载控制复示程序客户端，根据列检场规模每个列检场分布1-5台不等，主要由列检工长和班组工人操作。

控制复示程序是整个系统与操作员的接口，分为服务端和客户端，服务端在中心管理服务器运行，客户端在控制复示终端服务器运行，主要功能包括(1)实时查看列检机器人系统作业状态；(2)根据列检作业流程下发控制命令，命令包括：巡航扫描命令、制动试验命令、风控大闸作业命令、检修车辆图像分发命令、维修实时监控命令、复查作业命令和自检命令。(3)生成检修车辆诊断表；(4)故障预警；(5)列检历史信息查询，报表生成。

所述的列检无线网络平台包括网络传输模块和无线中继站。

如图4所示，网络传输模块分为A端、B端和C端三部分，网络传输采用定向网桥设备通讯，A端和C端分别部署在列检股道的两端，通过数据线(网线或光纤)与中心管理服务器网口连接；B端部署在轮式机器人上，即为前面所述的机器人无线接收发送器，通过网线与机器人的控制处理芯片网口连接。

无线中继站部署在列检股道的侧边，每隔200米部署一套，共部署4套，主要用于放大轨边无线信号，覆盖列检作业股道的无线信号，保证轮式机器人与中心管理服务器之间的无线通讯。

基于所述的智能作业系统，本发明还提供一种铁路车辆列检机器人智能作业的方法，如图5所示，具体步骤如下：

步骤一、针对各待检列车，作业前准备工作。

包括设置待检车辆的安全防护设施；打开风控大闸和连接风管；机器人开机自检；待检车辆是完成编组停在列检股道上，正在进行列车技术检查作业的铁路车辆。

(1)设置安全防护设施。待检车辆编组完成停入列检股道后，按照铁路列检作业要求在列车首尾两侧设置脱轨器(脱轨器为列检场必备设备)，保证作业安全。

(2)打开风控大闸和连接风管。开风控大闸上电就绪，为检修列车安装风控大闸出风，接通供风管，确保车辆正常供风。

(3)机器人开机自检。轮式机器人开机上电，并自动检查各内部模块健康状态，自检数据包括但不限于：电池电量、温度湿度、各个传感器工作状态、运行方向的障碍物距离等，保证当前列检作业完整顺利进行。

步骤二、每个轮式机器人开始巡航扫描作业，并反馈各自的全息扫描检修列车信息给中心管理服务器。

具体如下：

(1)巡航指令由控制复示程序客户端发起，经过中心监控管理程序进行编译处理后，由中心管理服务器发出，巡航指令通过列检无线网络平台发送至对应的轮式机器人；

巡航指令包括但不限于：作业模式、机器人行驶速度、机器人编号和检修车辆数等。

(2)收到指令的轮式机器人开始巡航作业，巡航作业由一台轮式机器人完成，在指定速度行驶的过程中，对检修车辆的底部信息进行全息扫描；

扫描得到的数据包括但不限于：检修车辆的车号、车型、无缝图像、视频和车底所有可视零部件的形状尺寸等。

(3)扫描数据由各自的控制处理芯片汇聚处理后，反馈回中心监控管理程序，管理程序对数据进行解析并进行相关处理后得到巡航数据；

数据包括但不限于：所有检修车辆车号及其编组顺序、车辆底部1:1模型、带有距离刻度的车辆无缝图像、视频录像和每辆车制动缸位置等。

步骤三、控制复示程序客户端接收到全息扫描检修列车信息后，车辆质量状态检查作业。

列检值班员通过控制复示程序客户端接收到全息扫描检修列车信息，按辆核对巡航数据中的车辆图像，并根据图像对车辆零部件质量做出诊断；

诊断结果包括但不限于：正常、疑似待复核或故障。

步骤四、列检值班员通过控制复示程序客户端发送制动试验指令，系统进行自动制动试验作业。

所述指令包括但不限于：作业模式、试验类型、机器人作业速度、制动缸位置距离和每台机器人在承载轨道运行的范围等；

所述的制动试验即为试风作业，由感度试验、安定试验和持续保压试验三部分构成。检修车辆风管风压等于600KP称为缓解，制动缸活塞收缩状；风压小于600KP称为制动，制动缸活塞伸出状，制动试验就是查看在不同风压下，制动缸伸出或收缩的长度是否达标。

所述的感度试验包括：检修车辆风管风压值为550KP(编组60辆以上为530KP)的感度50KP(或70KP)试验和风压值为600KP时的感度600KP试验组成。感度50KP(或者感度70KP)时：制动缸活塞全部伸出，且在一分钟内没有缓解为正常，反之为故障。

所述的安定试验包括：检修车辆风管风压值为430KP的安定170KP试验和风压值为600KP时的安定600KP试验组成。安定170KP时：在一分钟内车辆的风管风压值减量不能超过20KP为正常，反之为故障。

所述的持续保压试验包括：检修车辆风管风压值为500KP的持续保压100KP试验和风压值为600KP时的持续保压600KP试验组成。持续保压100KP时：制动缸活塞全部伸出，且在3分钟内不能发生缓解为正常，反之为故障。

具体步骤如下：

(1)首先是感度试验，机器人根据试风指令达到作业起点位置，每台机器人的起点位置和终点位置根据参与作业的机器人数量和车辆数量择优平均分配。

(2)制动试验：风控大闸收到试风指令后根据制动试验模式，调整车辆风压值，车辆制动系统进行缓解或者制动；

(3)每一台机器人在系统指定的范围开始位移，并依次采集每一辆车的制动缸图像；

(4)再次系统根据制动缸图像和像元尺寸计算活塞伸出的长度。

(5)系统根据车辆空重车位、当前试验模式、制动缸活塞伸出的长度输出制动试验结果，并对故障制动缸进行预报。

车辆空重车位、当前制动模式、制动缸类型和制动缸活塞伸出的长度的具体关系由《铁路货车列检作业指导书》规定。

(6)重复上述步骤，分别得到感度试验、安定试验和持续保压试验的试验结果。

针对感度试验得到制动试验结果后，再进行安定实验，重复上述步骤得到制动试验结果后，最后进行持续保压试验，重复上述步骤得到最终试验结果。

步骤五、现场维修监控作业。

控制复示程序生成列检故障诊断表，现场列检维修人员根据列检故障诊断表进行修复，同时给列检机器人下达故障维修监控指令；

所述监控指令包括但不限于：作业模式、机器人行驶速度、作业位置等，离维修点最近的机器人收到指令后位移至该点，现场维修工人通过机器人进行实时视频监控和指导。

步骤六、车辆修后状态复查作业。

控制复示程序发送复查指令，所述复查指令包括但不限于：作业模式、行驶速度、行驶距离范围等，机器人收到复查指令后开始匀速行驶，同时对车辆车底进行录像，中心监控管理程序对视频进行处理并复核车辆故障修后状态。

步骤七、控制复示程序自动生成检修作业报表；

报表一辆一表，所述报表数据包括但不限于：车号、车型、检修时间、故障名称、修复状态、操作人员等。通过控制复示程序，列检员可以查询上述作业数据。

步骤八、控制复示程序发送作业完成指令，现场作业机器人接到命令后，逐一位移至作业起点处，同时自动进入待机状态。

现场列检人员撤除安全防护设备，完成本次列检作业。