一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，戰(zhàn)略地位至關(guān)重要。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算及移動互聯(lián)網(wǎng)等信息化和智能化手段，促進(jìn)鋼鐵企業(yè)因地制宜地升級成為智能型企業(yè)，成為鋼鐵行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要方向。
庫區(qū)作為鋼鐵生產(chǎn)流程中物流銜接和生產(chǎn)節(jié)奏控制的重要樞紐，是工廠無人化和智能化建設(shè)的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的軋鋼生產(chǎn)車間庫區(qū)操作主要依靠人工完成，自動化水平低、勞動定員多、操作環(huán)境惡劣、安全生產(chǎn)和職業(yè)健康風(fēng)險高、作業(yè)規(guī)范化和生產(chǎn)效率低，是嚴(yán)重制約軋鋼產(chǎn)線智能無人化發(fā)展的瓶頸。實現(xiàn)天車無人化運(yùn)行和庫區(qū)智能調(diào)度，將從根本上改變了庫區(qū)的作業(yè)模式，對于提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，改善產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。
2013~2018年，唐鋼、寶武、首鋼等企業(yè)，進(jìn)行了無人天車與智能庫管技術(shù)的研發(fā)，針對鋼卷庫取得應(yīng)用成果。然而長期以來，占鋼鐵總產(chǎn)量45%以上的長材領(lǐng)域，始終未能突破庫區(qū)智能無人化技術(shù)瓶頸。
實現(xiàn)長材無人吊運(yùn)，電磁吊具是最為通用的方式。但是棒線材難以嚴(yán)格按垛位碼放，并且容易發(fā)生滾動移位，此時按照鋼卷庫的庫位定位方式，容易由于定位精度不足產(chǎn)生鋼材重心在吊具邊緣之外的“虛吊”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致起吊失敗或者吊運(yùn)過程中的鋼材掉落事故。因此，需要開展針對長材無人天車吊運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。另一方面，智能庫管系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)長材吊運(yùn)特點，對庫位變化有自動調(diào)整適應(yīng)的能力，并且應(yīng)滿足大型物流庫對天車、地面物流設(shè)備、發(fā)運(yùn)設(shè)備等的全局動態(tài)優(yōu)化調(diào)度需求；同時，針對物流庫區(qū)的廠內(nèi)倒運(yùn)與存儲轉(zhuǎn)運(yùn)銷售功能，需要滿足無人操作條件下的全自動卸車、自動裝車需求，并能實現(xiàn)與生產(chǎn)、銷售系統(tǒng)的對接協(xié)同。
為此，北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院（以下簡稱“北科工研”）針對棒線材庫區(qū)，創(chuàng)新開發(fā)了以庫區(qū)環(huán)境感知與三維重構(gòu)、機(jī)器視覺與天車控制深度融合、庫區(qū)多智能體協(xié)同優(yōu)化的智能庫管調(diào)度、庫區(qū)集控與智能工廠協(xié)同優(yōu)化為標(biāo)志性的第二代無人天車與智能庫管技術(shù)，并實現(xiàn)針對棒材智能庫與高線智能庫的首創(chuàng)示范應(yīng)用。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
對長材智能庫區(qū)所面對的技術(shù)難點，本方案從長材庫區(qū)感知重構(gòu)技術(shù)與設(shè)備、機(jī)器視覺精確定位控制技術(shù)與設(shè)備、庫區(qū)生產(chǎn)物流優(yōu)化調(diào)度模型、長材庫區(qū)智慧集控系統(tǒng)幾方面入手，建立了整套的長材庫區(qū)智能化管控技術(shù)與裝備，如圖1所示。
圖1 總體研究方案
1、長材庫區(qū)多源信息三維重構(gòu)與環(huán)境感知技術(shù)
針對冶金長材庫區(qū)視場大、庫區(qū)物料密集碼放、運(yùn)載工具多樣的特點及問題，開發(fā)了車輛與車載物料識別、庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別技術(shù)，實現(xiàn)了長材庫區(qū)棒材、高線卷、運(yùn)輸車輛以及車載物料的精確定位，為無人天車精準(zhǔn)控制提供了全面準(zhǔn)確的物料空間位置信息。
（1）基于非重復(fù)掃描的車輛與車載物料識別。搭建了基于非重復(fù)掃描的固定式檢測系統(tǒng)，研發(fā)了基于概率密度的車輛特征識別模型、基于投影降維柵格化特征的棒材位置外形識別模型以及基于主成分方向降維圓形擬合的線卷位置識別模型，實現(xiàn)對汽車等運(yùn)載工具以及車載貨物的準(zhǔn)確識別。
（2）基于雙目視覺的棒材庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別。提出了基于雙目立體視覺的棒材庫區(qū)三維檢測模型、基于視覺與慣性信息的棒材庫區(qū)圖像多位姿測量模型，以及基于降維柵格均值曲率特征的棒材位置識別模型，實現(xiàn)了對棒材庫區(qū)內(nèi)棒材捆堆垛的準(zhǔn)確識別。
（3）基于線掃描的高線庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別。提出了動態(tài)掃描三維點云地圖構(gòu)建模型、高線庫區(qū)線卷點云分割模型，實現(xiàn)了對高線庫區(qū)內(nèi)高線卷垛位的準(zhǔn)確識別。
2、融合機(jī)器視覺庫位識別的無人天車精準(zhǔn)定位控制技術(shù)
針對長材吊運(yùn)過程所面對的定位精度要求高、易擠壓形變、易位置變化以及吊運(yùn)穩(wěn)定性要求高等特點，創(chuàng)新開發(fā)了基于機(jī)器視覺庫位識別的精準(zhǔn)定位控制、運(yùn)行過程吊具防擺控制、多段路徑協(xié)同過渡控制、四軸聯(lián)動控制以及多車動態(tài)防撞控制等關(guān)鍵技術(shù)，突破了長材無人天車技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)長材智能庫區(qū)的高效率、高穩(wěn)定性無故障運(yùn)行。
（1）基于機(jī)器視覺庫位識別的精準(zhǔn)定位控制。建立基于機(jī)器視覺庫位識別的精準(zhǔn)、安全定位控制技術(shù)，在整個定位控制過程中，實現(xiàn)基于庫管目標(biāo)與掃描修正的起吊一次+二次定位控制、基于稱重與掃描校核的起吊稱重+位置校核控制、基于庫管目標(biāo)與掃描修正的落吊一次+二次定位控制、基于視覺掃描的落吊位置校核控制。
（2）運(yùn)行過程吊具防搖擺控制技術(shù)。建立防搖擺開環(huán)速度設(shè)定控制與閉環(huán)加速度控制模型，通過設(shè)置起止位置之間多段速度曲線，并根據(jù)實測的天車晃動角度、天車實際位置及速度等信息，實時調(diào)整天車加速度，保持吊具擺動在一定限幅范圍內(nèi)。
圖2 防搖擺控制系統(tǒng)
（3）四軸聯(lián)動與多段路徑協(xié)同控制技術(shù)。通過開發(fā)大車、小車、起升、旋轉(zhuǎn)四軸聯(lián)動控制技術(shù)以及多段路徑協(xié)同過渡控制技術(shù)，實現(xiàn)起吊、落吊以及規(guī)避危險區(qū)域過程的協(xié)同優(yōu)化作業(yè)，有效縮短天車運(yùn)行時間，提高庫區(qū)整體運(yùn)行效率。
3、基于多智能體的庫區(qū)物流高效優(yōu)化調(diào)度技術(shù)
考慮復(fù)雜時空約束的條件下對多種物流設(shè)備進(jìn)行協(xié)同調(diào)度，建立了基于多智能體的庫區(qū)物流高效生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，同時在調(diào)度過程中根據(jù)動態(tài)的生產(chǎn)任務(wù)、發(fā)貨計劃以及多種設(shè)備的實時狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度策略的動態(tài)更新。
圖3 智能庫管系統(tǒng)功能架構(gòu)
（1）基于多車協(xié)同優(yōu)化的天車動態(tài)調(diào)度模型。建立多任務(wù)多天車集群調(diào)度模型，考慮多種發(fā)運(yùn)設(shè)備與天車協(xié)同工作，并實現(xiàn)針對設(shè)備狀態(tài)變化擾動的天車動態(tài)調(diào)度，提升庫區(qū)天車運(yùn)行效率。
（2）庫區(qū)出入庫垛位智能優(yōu)化模型。綜合考慮庫區(qū)實時庫存情況、生產(chǎn)計劃、發(fā)運(yùn)計劃、吊運(yùn)能力等因素，建立物料入庫、出庫垛位智能決策模型，減少庫區(qū)倒垛量、降低垛位不規(guī)整程度、減少物流等待時間、提高庫區(qū)工作效率。
（3）無人庫區(qū)天車路徑動態(tài)優(yōu)化模型。針對鋼廠實際庫區(qū)環(huán)境復(fù)雜、布局動態(tài)變化等問題，開發(fā)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無人天車路徑規(guī)劃模型，通過與環(huán)境的實時交互和自主感知，解決無人天車在復(fù)雜庫區(qū)地圖和不確定性環(huán)境中的路徑規(guī)劃問題。
4、基于數(shù)字孿生與工業(yè)5G的長材智能庫區(qū)集控
開發(fā)了基于庫區(qū)運(yùn)行關(guān)鍵要素的數(shù)字孿生與集群調(diào)度仿真系統(tǒng)、庫區(qū)物流設(shè)計及分析優(yōu)化、面向在線控制與監(jiān)控的工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)、基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了以庫區(qū)現(xiàn)場無人化運(yùn)行，物流設(shè)備高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)程集中可視化、數(shù)字化監(jiān)控為特點的長材庫區(qū)智慧集控新模式。
（1）集群式一體化庫區(qū)智慧集控中心。采用集中、扁平化操控模式，實現(xiàn)庫內(nèi)調(diào)度管理、設(shè)備點檢和收發(fā)貨的實時集中監(jiān)控，集中、快速處置現(xiàn)場異常和故障，精簡融合現(xiàn)場操作崗位，提升多專業(yè)協(xié)同工作效率。
（2）基于庫區(qū)運(yùn)行關(guān)鍵要素的數(shù)字孿生建模與分析系統(tǒng)。使用數(shù)字孿生技術(shù)將庫區(qū)場景真實展現(xiàn)，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時驅(qū)動3D場景，將生產(chǎn)操作、工藝技術(shù)與管理人員關(guān)心的信息及時、準(zhǔn)確、一目了然地呈現(xiàn)給相應(yīng)人員，提高庫區(qū)執(zhí)行、工藝分析與管理決策的實施效率。
（3）面向在線控制與監(jiān)控的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。結(jié)合新一代5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)高線庫區(qū)的5G信號全覆蓋，運(yùn)用5G低時延、大帶寬的特點實現(xiàn)監(jiān)控視頻、3D點云數(shù)據(jù)、PLC信號的無線、高可靠傳輸，完成車載與地面通訊以保證天車無人駕駛需求。
（4）基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控。利用人工智能識別技術(shù)通過監(jiān)控終端+智能AI終端，完成庫區(qū)智能監(jiān)管與異常自動記錄，進(jìn)行預(yù)警提示與快速查閱。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、長材庫區(qū)多源信息三維重構(gòu)與環(huán)境感知技術(shù)與設(shè)備。針對冶金長材庫區(qū)視場大、庫區(qū)物料密集碼放、運(yùn)載工具多樣的特點及問題，開發(fā)了基于非重復(fù)掃描的車輛與車載物料識別、基于雙目視覺的棒材庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別、基于線掃描的高線庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了長材庫區(qū)棒材、高線卷、運(yùn)輸車輛以及車載物料的精確定位，完成了對整個庫區(qū)的數(shù)字化重構(gòu)與精準(zhǔn)感知。
2、無人天車機(jī)器視覺庫位識別技術(shù)和安全精準(zhǔn)控制設(shè)備。針對長材無人天車吊運(yùn)過程存在的易擠壓形變、易位置變化、定位精度要求高以及吊運(yùn)穩(wěn)定性要求高等特點，創(chuàng)新開發(fā)了基于機(jī)器視覺庫位識別的精準(zhǔn)定位控制、基于模糊變增益控制的吊具防搖擺控制、多段路徑協(xié)同過渡控制、四軸聯(lián)動控制以及多車動態(tài)防撞控制等關(guān)鍵技術(shù)，突破了長材無人天車定位控制技術(shù)瓶頸，保證智能庫區(qū)的高效率、高穩(wěn)定安全運(yùn)行。
3、基于多智能體的庫區(qū)物流高效生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化。針對長材庫區(qū)多天車及地面設(shè)備協(xié)同交互、垛位位置動態(tài)變化、物料出入庫倒垛頻繁、庫區(qū)環(huán)境復(fù)雜多變等特點，建立了復(fù)雜時空約束下基于多車協(xié)同優(yōu)化的天車集群動態(tài)調(diào)度模型、基于多目標(biāo)優(yōu)化的物料出入庫垛位智能決策模型、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的天車路徑規(guī)劃模型，實現(xiàn)了天車工作效率、庫區(qū)倒垛量、物流節(jié)奏等指標(biāo)的全面優(yōu)化。
4、融合工業(yè)5G和數(shù)字孿生技術(shù)的庫區(qū)智慧集控。針對長材智能庫區(qū)遠(yuǎn)程集控建設(shè)需求，開發(fā)了基于庫區(qū)運(yùn)行關(guān)鍵要素的數(shù)字孿生與集群調(diào)度仿真系統(tǒng)、庫區(qū)物流設(shè)計及分析優(yōu)化、面向在線控制與監(jiān)控的工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)、基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了以庫區(qū)現(xiàn)場無人化運(yùn)行，物流設(shè)備高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)程集中可視化、數(shù)字化監(jiān)控為特點的長材庫區(qū)智慧集控新模式。
四、應(yīng)用情況與效果
該成果在珠海粵裕豐鋼鐵有限公司棒材智能庫、馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼高線智能庫（飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司合作開發(fā)）及河北物流集團(tuán)棒線材多功能物流庫進(jìn)行了示范應(yīng)用，實現(xiàn)了長材庫區(qū)鋼材全無人自動吊運(yùn)，以及高效穩(wěn)定智能協(xié)同調(diào)度。2021年6月完成了整體上線運(yùn)行，實現(xiàn)了國內(nèi)首套棒材無人庫和首套高線無人庫的成功應(yīng)用業(yè)績，順利完成庫區(qū)7*24小時的全無人自動下線轉(zhuǎn)運(yùn)、汽車裝運(yùn)、火車裝運(yùn)等功能，整個庫區(qū)僅需要1~2人遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決了傳統(tǒng)庫區(qū)模式下繁重惡劣環(huán)境人工操作問題，顯著提高庫區(qū)運(yùn)行效率，并通過突破庫區(qū)生產(chǎn)瓶頸有效釋放產(chǎn)能。
圖4 棒材智能無人庫
圖5 高線智能無人庫
