一、研究的背景與問題

近年來，發(fā)改委、工信部、科技部、交通運輸部等先后聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進一步降低物流成本實施意見的通知》和《關(guān)于促進鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見》等文件，指出要結(jié)合鋼鐵工業(yè)調(diào)整升級規(guī)劃，以智能制造為重點，構(gòu)建新型現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)，實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)智能化、綠色化的可持續(xù)發(fā)展。

傳統(tǒng)的鐵水運輸模式的罐車調(diào)度、機車駕駛、摘鉤、駐車、對位、路徑規(guī)劃、配罐等作業(yè)均需人工完成。隨著高爐和煉鋼智能化系統(tǒng)不斷升級，傳統(tǒng)模式暴露出了人力依賴大、成本高，調(diào)度響應(yīng)慢、作業(yè)環(huán)境惡劣，運輸效率低，智能化升級困難等諸多問題，逐漸成為制約鐵鋼界面生產(chǎn)效率再提升的瓶頸，迫切需要引入先進的信息化和自動化技術(shù)，實現(xiàn)智能調(diào)度和優(yōu)化物流管理，以提升整體作業(yè)效率和安全性。

iSmartOne智慧鐵水運輸系統(tǒng)是人工智能、智能化技術(shù)在工業(yè)場景的一次深度融合，是無人駕駛技術(shù)在工業(yè)場景的一次創(chuàng)新實踐，自主研發(fā)實時自學習自適應(yīng)高精度控制模型，并結(jié)合全天候環(huán)境感知、數(shù)字孿生等技術(shù)，打造了iSmartOne智慧鐵水運輸系統(tǒng)。iSmartOne極大地改善工人作業(yè)環(huán)境，解放勞動生產(chǎn)力，提高鐵水運輸效率，大幅降低鋼廠鐵水運輸成本，打造了鋼鐵智能制造標桿。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

以形成鐵水運輸無人化體系為目標，以全流程物流優(yōu)化、供需生產(chǎn)聯(lián)動、運轉(zhuǎn)效率提升、勞動力節(jié)約、本質(zhì)安全提高、運營成本降低、綠色節(jié)能環(huán)保為主旨，將新一代物聯(lián)網(wǎng)、機器學習、人工智能等先進技術(shù)和智能機車控制裝備和感知裝備深度融合，打造以智能管控為基礎(chǔ)、機車無人駕駛為核心、智能環(huán)境感知為保障的全天候、全流程、高效、穩(wěn)定、安全的智慧鐵水運輸系統(tǒng)，具思路包括：

1、打通“兩點”，即需實現(xiàn)智能化高爐與煉鋼之間的有效銜接。鐵水智能調(diào)度系統(tǒng)通過指定通信協(xié)議及數(shù)據(jù)接口與智能高爐/煉鋼系統(tǒng)進行通信，從而獲取高爐原料成分、風氧量、高爐自身爐況、煉鋼生產(chǎn)節(jié)奏等生產(chǎn)信息，驅(qū)動鐵水智能運輸系統(tǒng)各模型運行。

2、升級“一線”，即需實現(xiàn)鋼鐵界面鐵水運輸?shù)淖詣踊c智能化?？刹鸱譃閮蓚€部分——地面管控系統(tǒng)與自動駕駛系統(tǒng)。

（1）耦合生產(chǎn)和運輸信息通訊、各工位實績和異常反饋分析、機車路徑規(guī)劃等模塊，形成智慧鐵水運輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)。① 構(gòu)建數(shù)據(jù)-知識雙向驅(qū)動的決策模式，完成罐車任務(wù)分配。② 建立基于供應(yīng)鏈多級閉環(huán)多級的機車路徑規(guī)劃模型。③ 構(gòu)建高效的控制-調(diào)度之間的動態(tài)反饋修正機制，確保高效、無沖突的路徑調(diào)度。（2）集成基于人工智能的環(huán)境感知系統(tǒng)和自動車輛控制系統(tǒng)，形成鐵水運輸機車無人駕駛系統(tǒng)。① 通過深度學習算法進行數(shù)據(jù)與知識的融合，實現(xiàn)高可靠的環(huán)境感知。② 研究鋼鐵生產(chǎn)環(huán)境下的定位傳感器融合技術(shù)，實現(xiàn)機車全流程高精度定位和跟蹤。實現(xiàn)機車/罐車自動摘鉤。設(shè)計自動駐車器，實現(xiàn)罐車的精準對位。

3、打破“信息孤島”，即需要一款集成上述模塊的數(shù)字平臺，融合各個業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)，將鋼鐵物流涉及各部門分散、孤立的信息匯總處理形成信息管理鏈，具備系統(tǒng)通訊及管理、系統(tǒng)運行監(jiān)控、用戶管理和數(shù)據(jù)報表等功能，使數(shù)字物流真正成為統(tǒng)一體。

圖1  iSmartOne智慧鐵水運輸系統(tǒng)框架

三、主要創(chuàng)新性成果

1、面向智能管控系統(tǒng)的高效率路徑調(diào)度技術(shù)研究

針對外部生產(chǎn)條件約束情況下的鐵水資源合理分配、運輸路徑動態(tài)規(guī)劃等技術(shù)難題，設(shè)計鐵水調(diào)度分配模型，通過機器學習算法，優(yōu)化人工調(diào)度作業(yè)過程，實現(xiàn)鐵水的智能分配；建立面向動態(tài)環(huán)境的機車路徑規(guī)劃模型，針對該模型求解過程中的復雜非線性目標函數(shù)和約束條件，引入結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的啟發(fā)式搜索算法，快速求得目標函數(shù)的近似最優(yōu)解，完成過程協(xié)同、任務(wù)自優(yōu)化和多生產(chǎn)節(jié)拍異步調(diào)度，實現(xiàn)路徑的動態(tài)路徑規(guī)劃。針對多任務(wù)機車路徑?jīng)_突問題，建立多任務(wù)并行時機車間路徑的沖突消解匹配模型，基于團隊定向模型及蟻群算法，融合人腦的注意力復利用和增強機制的漸進式人工智能算法等前沿技術(shù)，對機車執(zhí)行任務(wù)實時監(jiān)控，動態(tài)調(diào)整路徑規(guī)劃，避免路徑的沖突，最終實現(xiàn)智能、高效的鐵水運輸管控。結(jié)合鋼鐵界面特征，系統(tǒng)為高爐端和煉鋼端設(shè)計兩套不同的作業(yè)模式。

圖2 鐵水資源分配、運輸路徑動態(tài)規(guī)劃

2、面向無人駕駛系統(tǒng)的高精準自適應(yīng)控制技術(shù)

在控制算法方面，采用了無模型的傳統(tǒng)控制算法和基于模型的先進控制算法。無模型算法通過專家PID控制器，在運動學和動力學約束下解決長距離運行的控制問題；基于模型的算法主要用于處理工位點附近的復雜環(huán)境和動態(tài)過程的非線性，以及模型失配問題。模型結(jié)合運行速度要求和空氣制動操縱約束，設(shè)計了帶約束的多目標代價函數(shù)。通過優(yōu)化計算策略，實現(xiàn)了對工位點處速度控制精度和定位偏差的精確控制。

在模型參數(shù)辨識方面，模型則涵蓋了隨機性擾動補償、空氣制動模型校準和基本阻力模型參數(shù)辨識。隨機性擾動補償利用基于學習規(guī)則的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，從實際數(shù)據(jù)中分析擾動特性，以補償模型中的隨機誤差并消除預測偏差。空氣制動模型校準和基本阻力模型參數(shù)辨識則通過估計和分離機車模型誤差，進行模型參數(shù)的校準和迭代優(yōu)化，確保機車在全線路不同場景中的安全運行。

成果解決了在復雜任務(wù)時機車牽引/推動罐車的自動對位面臨慣性大且負載不確定、液態(tài)鐵水晃動、機車與車輛之間的車鉤柔性變化、軌道表面摩擦性的變化、無線網(wǎng)絡(luò)的延時等干擾因素，實現(xiàn)無人機車精確控制下的罐車對位誤差≤±5cm。

3、面向鐵水運輸無人駕駛的高可靠性環(huán)境感知技術(shù)

為了克服工作環(huán)境中的溫、水蒸氣、塵埃、強烈震動和復雜的建筑、設(shè)備和人員的影響，采用了多傳感器融合技術(shù)，利用視覺、激光雷達及毫米波雷達形成多層次感知體系。依托自主研發(fā)的多目標跟蹤算法，能夠?qū)C車預警范圍內(nèi)的障礙物進行類型和運動軌跡的實時識別，為車載決策提供精準的環(huán)境信息。視覺傳感器在光照條件充分，白天等環(huán)境下效果較好，在低光照，復雜光照下，惡劣天氣下受影響較大的缺點，可以通過激光雷達和毫米波雷達進行彌補。

各種傳感器在不同的應(yīng)用場景里都可以發(fā)揮獨特的性能優(yōu)勢，在算法后融合框架下形成較優(yōu)的感知信息，并結(jié)合深度學習和計算機視覺算法來提高障礙物識別的精度和魯棒性。

圖3 傳感器融合架構(gòu)圖

本成果通過多傳感器融合技術(shù)，實現(xiàn)對整個復雜環(huán)境的全面理解及惡劣工況下的高兼容性，極大的提高感知系統(tǒng)的魯棒性，為基于無人駕駛?cè)斯ぶ悄軟Q策系統(tǒng)提供高可靠性知識。

4、智能裝備研發(fā)

（1）自動摘掛鉤

自動摘掛鉤可以實現(xiàn)車鉤自動摘掛功能，取代人工手動摘鉤操作。改造后的自動摘掛鉤系統(tǒng)主要包括自動摘鉤設(shè)備、助力設(shè)備和車鉤狀態(tài)檢測設(shè)備。機車自動化系統(tǒng)接收機車車載決策系統(tǒng)發(fā)出的摘鉤指令，控制摘鉤裝置動作，實現(xiàn)機車車鉤的自動摘鉤功能。

圖4 自動摘掛鉤裝置及其驅(qū)動器

（2）自動駐車器

駐車裝置對稱安裝在鐵水車高爐方向端轉(zhuǎn)向架輪對上，采用夾鉗式方式，使用安裝夾板將駐車器連接支座與車架焊接在一起。具備體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、防護等級高、防振性能優(yōu)良、力矩大且穩(wěn)定、耐低溫等特點。駐車裝置主要由駐車器、控制器、狀態(tài)指示三部分設(shè)備組成，裝置支持現(xiàn)場手輪操作、機旁操作、遠程自動控制、駐車狀態(tài)監(jiān)控等功能。

圖5 自動駐車裝置

（3）自動充電樁

自動充電裝置主要由地面自動充電裝置、車載受電裝置以及地面控制箱組成。地面固定充電裝置具備自動通、斷電功能，同時在地面充電裝置周邊設(shè)置聲光報警裝置及安全警示牌以提高現(xiàn)場安全等級。車載受電裝置安裝在鐵水車高爐方向一端走行部側(cè)面，當鐵水車在高爐爐下鐵口工位點停車后與地面自動充電裝置進行接觸，實現(xiàn)對車載電池系統(tǒng)的快速充電。

5、鋼鐵界面智慧管控平臺

打造「鐵鋼界面智慧管控平臺」，改變傳統(tǒng)鐵鋼界面作業(yè)模式，用AI賦能鐵鋼生產(chǎn)數(shù)智升級。實現(xiàn)事前“精準感知、積極預防”，事中“實時感知、快速響應(yīng)”，事后“快速調(diào)查、深度分析”。

平臺由全流程智能跟蹤系統(tǒng)、全流程智能狀態(tài)管理系統(tǒng)、綜合信息集中管理系統(tǒng)等組成。全流程智能跟蹤系統(tǒng)覆蓋從高爐到煉鋼車間運輸作業(yè)全過程，實現(xiàn)鐵水罐罐號、機車號自動識別、位置自動跟蹤、到位自動確認等功能；全流程智能狀態(tài)管理系統(tǒng)對出鐵口狀態(tài)、罐車受鐵狀態(tài)、煉鋼車間倒罐/折鐵狀態(tài)、罐車空/重狀態(tài)的自動識別、采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中透明管理；綜合信息集中管理系統(tǒng)可對鐵水生產(chǎn)及運輸信息集中管理、可視化展示，生產(chǎn)實績信息自動生成，對關(guān)鍵指標由統(tǒng)一界面整合，多元、多維度綜合分析實現(xiàn)任務(wù)自動閉環(huán)、位置信息動態(tài)展示。

四、應(yīng)用情況與效果

1、寶武湛江鋼鐵智慧鐵水運輸

該項目一期二期投用以來，減少操作人員70%，提高魚雷罐車平均周轉(zhuǎn)率；機車臺日產(chǎn)量由4200噸提升至4800噸；鐵水溫降減少10～10℃，每年減少能源消耗1804萬元，實現(xiàn)降本增效2263萬元/年。

圖6 湛江智慧鐵水運輸機車運行及主畫面圖

2、寶武武鋼鐵鋼界面智慧管控平臺

項目涉及5座高爐、4座煉鋼、20輛機車、69臺魚雷罐車、100個敞口罐，于2021年11月上線運行，實現(xiàn)減少操作人員10%，提升罐車平均周轉(zhuǎn)率，鐵水溫降減少11℃，每年減少能源消耗3107萬元，每年產(chǎn)生的效益3331萬元。

圖7 武鋼鐵鋼界面智慧管控平臺項目主畫面圖

3、包頭鋼鐵智慧鐵水運輸

首次實現(xiàn)國產(chǎn)GK1C型工礦內(nèi)燃機車無人化改造，實現(xiàn)了低溫、沙塵、遠距離、跨區(qū)域的無人化鐵水運輸。項目實現(xiàn)了人員優(yōu)化40人，年均減少人工成本400萬元；平均油耗減少約10%，年均節(jié)約成本約38萬元新體系綜合溫降降低約8℃~10℃，年均節(jié)約生產(chǎn)成本約1500萬元~1900萬元。

圖8 包鋼項目改造后的機車

4、鞍鋼鲅魚圈鋼鐵智慧鐵水運輸

首次實現(xiàn)國產(chǎn)GKD0A型機車無人駕駛改造，鐵水運輸周轉(zhuǎn)率提升約47%，溫降降低10度，崗位優(yōu)化42%，年經(jīng)濟效益超過3000萬元。

圖9 鞍鋼鲅魚圈智慧鐵水運輸系統(tǒng)

5、天柱鋼鐵智慧鐵水運輸（建設(shè)中）

6臺機車及26臺鐵水罐車的自動駕駛改造，采用“一罐制”鐵水運輸模式。

圖10 天柱鋼鐵智慧鐵水運輸系統(tǒng)

6、中天鋼鐵智慧鐵水運輸（建設(shè)中）

業(yè)內(nèi)首套AI+5G新能源純電機車自動駕駛。

圖11 中天鋼鐵智慧鐵水運輸系統(tǒng)

信息來源：中冶賽迪工程技術(shù)有限公司