一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)作為國(guó)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(jì)算及移動(dòng)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(jí)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(kù)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(wú)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(kù)區(qū)操作主要依靠人工完成，自動(dòng)化水平低、勞動(dòng)定員多、操作環(huán)境惡劣、安全生產(chǎn)和職業(yè)健康風(fēng)險(xiǎn)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(wú)人化發(fā)展的瓶頸。實(shí)現(xiàn)天車無(wú)人化運(yùn)行和庫(kù)區(qū)智能調(diào)度，將從根本上改變了庫(kù)區(qū)的作業(yè)模式，對(duì)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(wú)人天車與智能庫(kù)管技術(shù)的研發(fā)，針對(duì)鋼卷庫(kù)取得應(yīng)用成果。然而長(zhǎng)期以來(lái)，占鋼鐵總產(chǎn)量45%以上的長(zhǎng)材領(lǐng)域，始終未能突破庫(kù)區(qū)智能無(wú)人化技術(shù)瓶頸。
實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)材無(wú)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(dòng)移位，此時(shí)按照鋼卷庫(kù)的庫(kù)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(duì)長(zhǎng)材無(wú)人天車吊運(yùn)的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。另一方面，智能庫(kù)管系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)長(zhǎng)材吊運(yùn)特點(diǎn)，對(duì)庫(kù)位變化有自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)的能力，并且應(yīng)滿足大型物流庫(kù)對(duì)天車、地面物流設(shè)備、發(fā)運(yùn)設(shè)備等的全局動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度需求；同時(shí)，針對(duì)物流庫(kù)區(qū)的廠內(nèi)倒運(yùn)與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)運(yùn)銷售功能，需要滿足無(wú)人操作條件下的全自動(dòng)卸車、自動(dòng)裝車需求，并能實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)、銷售系統(tǒng)的對(duì)接協(xié)同。
為此，北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院（以下簡(jiǎn)稱“北科工研”）針對(duì)棒線材庫(kù)區(qū)，創(chuàng)新開發(fā)了以庫(kù)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(kù)區(qū)多智能體協(xié)同優(yōu)化的智能庫(kù)管調(diào)度、庫(kù)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(wú)人天車與智能庫(kù)管技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)針對(duì)棒材智能庫(kù)與高線智能庫(kù)的首創(chuàng)示范應(yīng)用。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
對(duì)長(zhǎng)材智能庫(kù)區(qū)所面對(duì)的技術(shù)難點(diǎn)，本方案從長(zhǎng)材庫(kù)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(kù)區(qū)生產(chǎn)物流優(yōu)化調(diào)度模型、長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)智慧集控系統(tǒng)幾方面入手，建立了整套的長(zhǎng)材庫(kù)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(zhǎng)材庫(kù)區(qū)多源信息三維重構(gòu)與環(huán)境感知技術(shù)
針對(duì)冶金長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)視場(chǎng)大、庫(kù)區(qū)物料密集碼放、運(yùn)載工具多樣的特點(diǎn)及問題，開發(fā)了車輛與車載物料識(shí)別、庫(kù)區(qū)地圖構(gòu)建與特征識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)材庫(kù)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(wú)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(shí)別。搭建了基于非重復(fù)掃描的固定式檢測(cè)系統(tǒng)，研發(fā)了基于概率密度的車輛特征識(shí)別模型、基于投影降維柵格化特征的棒材位置外形識(shí)別模型以及基于主成分方向降維圓形擬合的線卷位置識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車等運(yùn)載工具以及車載貨物的準(zhǔn)確識(shí)別。
（2）基于雙目視覺的棒材庫(kù)區(qū)地圖構(gòu)建與特征識(shí)別。提出了基于雙目立體視覺的棒材庫(kù)區(qū)三維檢測(cè)模型、基于視覺與慣性信息的棒材庫(kù)區(qū)圖像多位姿測(cè)量模型，以及基于降維柵格均值曲率特征的棒材位置識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)棒材庫(kù)區(qū)內(nèi)棒材捆堆垛的準(zhǔn)確識(shí)別。
（3）基于線掃描的高線庫(kù)區(qū)地圖構(gòu)建與特征識(shí)別。提出了動(dòng)態(tài)掃描三維點(diǎn)云地圖構(gòu)建模型、高線庫(kù)區(qū)線卷點(diǎn)云分割模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高線庫(kù)區(qū)內(nèi)高線卷垛位的準(zhǔn)確識(shí)別。
2、融合機(jī)器視覺庫(kù)位識(shí)別的無(wú)人天車精準(zhǔn)定位控制技術(shù)
針對(duì)長(zhǎng)材吊運(yùn)過程所面對(duì)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(diǎn)，創(chuàng)新開發(fā)了基于機(jī)器視覺庫(kù)位識(shí)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(dòng)控制以及多車動(dòng)態(tài)防撞控制等關(guān)鍵技術(shù)，突破了長(zhǎng)材無(wú)人天車技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)材智能庫(kù)區(qū)的高效率、高穩(wěn)定性無(wú)故障運(yùn)行。
（1）基于機(jī)器視覺庫(kù)位識(shí)別的精準(zhǔn)定位控制。建立基于機(jī)器視覺庫(kù)位識(shí)別的精準(zhǔn)、安全定位控制技術(shù)，在整個(gè)定位控制過程中，實(shí)現(xiàn)基于庫(kù)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(kù)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(shí)測(cè)的天車晃動(dòng)角度、天車實(shí)際位置及速度等信息，實(shí)時(shí)調(diào)整天車加速度，保持吊具擺動(dòng)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(dòng)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(dòng)控制技術(shù)以及多段路徑協(xié)同過渡控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起吊、落吊以及規(guī)避危險(xiǎn)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(shí)間，提高庫(kù)區(qū)整體運(yùn)行效率。
3、基于多智能體的庫(kù)區(qū)物流高效優(yōu)化調(diào)度技術(shù)
考慮復(fù)雜時(shí)空約束的條件下對(duì)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(kù)區(qū)物流高效生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，同時(shí)在調(diào)度過程中根據(jù)動(dòng)態(tài)的生產(chǎn)任務(wù)、發(fā)貨計(jì)劃以及多種設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度策略的動(dòng)態(tài)更新。
圖3智能庫(kù)管系統(tǒng)功能架構(gòu)
（1）基于多車協(xié)同優(yōu)化的天車動(dòng)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(shí)現(xiàn)針對(duì)設(shè)備狀態(tài)變化擾動(dòng)的天車動(dòng)態(tài)調(diào)度，提升庫(kù)區(qū)天車運(yùn)行效率。
（2）庫(kù)區(qū)出入庫(kù)垛位智能優(yōu)化模型。綜合考慮庫(kù)區(qū)實(shí)時(shí)庫(kù)存情況、生產(chǎn)計(jì)劃、發(fā)運(yùn)計(jì)劃、吊運(yùn)能力等因素，建立物料入庫(kù)、出庫(kù)垛位智能決策模型，減少庫(kù)區(qū)倒垛量、降低垛位不規(guī)整程度、減少物流等待時(shí)間、提高庫(kù)區(qū)工作效率。
（3）無(wú)人庫(kù)區(qū)天車路徑動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型。針對(duì)鋼廠實(shí)際庫(kù)區(qū)環(huán)境復(fù)雜、布局動(dòng)態(tài)變化等問題，開發(fā)基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無(wú)人天車路徑規(guī)劃模型，通過與環(huán)境的實(shí)時(shí)交互和自主感知，解決無(wú)人天車在復(fù)雜庫(kù)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(zhǎng)材智能庫(kù)區(qū)集控
開發(fā)了基于庫(kù)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(kù)區(qū)物流設(shè)計(jì)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(kù)區(qū)安全監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了以庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(diǎn)的長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)智慧集控新模式。
（1）集群式一體化庫(kù)區(qū)智慧集控中心。采用集中、扁平化操控模式，實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)調(diào)度管理、設(shè)備點(diǎn)檢和收發(fā)貨的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控，集中、快速處置現(xiàn)場(chǎng)異常和故障，精簡(jiǎn)融合現(xiàn)場(chǎng)操作崗位，提升多專業(yè)協(xié)同工作效率。
（2）基于庫(kù)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(kù)區(qū)場(chǎng)景真實(shí)展現(xiàn)，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)3D場(chǎng)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(shí)、準(zhǔn)確、一目了然地呈現(xiàn)給相應(yīng)人員，提高庫(kù)區(qū)執(zhí)行、工藝分析與管理決策的實(shí)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(shí)現(xiàn)高線庫(kù)區(qū)的5G信號(hào)全覆蓋，運(yùn)用5G低時(shí)延、大帶寬的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控視頻、3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)、PLC信號(hào)的無(wú)線、高可靠傳輸，完成車載與地面通訊以保證天車無(wú)人駕駛需求。
（4）基于視覺AI的庫(kù)區(qū)安全監(jiān)控。利用人工智能識(shí)別技術(shù)通過監(jiān)控終端+智能AI終端，完成庫(kù)區(qū)智能監(jiān)管與異常自動(dòng)記錄，進(jìn)行預(yù)警提示與快速查閱。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、長(zhǎng)材庫(kù)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(duì)冶金長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)視場(chǎng)大、庫(kù)區(qū)物料密集碼放、運(yùn)載工具多樣的特點(diǎn)及問題，開發(fā)了基于非重復(fù)掃描的車輛與車載物料識(shí)別、基于雙目視覺的棒材庫(kù)區(qū)地圖構(gòu)建與特征識(shí)別、基于線掃描的高線庫(kù)區(qū)地圖構(gòu)建與特征識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)材庫(kù)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(duì)整個(gè)庫(kù)區(qū)的數(shù)字化重構(gòu)與精準(zhǔn)感知。
2、無(wú)人天車機(jī)器視覺庫(kù)位識(shí)別技術(shù)和安全精準(zhǔn)控制設(shè)備。針對(duì)長(zhǎng)材無(wú)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(diǎn)，創(chuàng)新開發(fā)了基于機(jī)器視覺庫(kù)位識(shí)別的精準(zhǔn)定位控制、基于模糊變?cè)鲆婵刂频牡蹙叻罁u擺控制、多段路徑協(xié)同過渡控制、四軸聯(lián)動(dòng)控制以及多車動(dòng)態(tài)防撞控制等關(guān)鍵技術(shù)，突破了長(zhǎng)材無(wú)人天車定位控制技術(shù)瓶頸，保證智能庫(kù)區(qū)的高效率、高穩(wěn)定安全運(yùn)行。
3、基于多智能體的庫(kù)區(qū)物流高效生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化。針對(duì)長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)多天車及地面設(shè)備協(xié)同交互、垛位位置動(dòng)態(tài)變化、物料出入庫(kù)倒垛頻繁、庫(kù)區(qū)環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)，建立了復(fù)雜時(shí)空約束下基于多車協(xié)同優(yōu)化的天車集群動(dòng)態(tài)調(diào)度模型、基于多目標(biāo)優(yōu)化的物料出入庫(kù)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(shí)現(xiàn)了天車工作效率、庫(kù)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(kù)區(qū)智慧集控。針對(duì)長(zhǎng)材智能庫(kù)區(qū)遠(yuǎn)程集控建設(shè)需求，開發(fā)了基于庫(kù)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(kù)區(qū)物流設(shè)計(jì)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(kù)區(qū)安全監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了以庫(kù)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(diǎn)的長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)智慧集控新模式。
四、應(yīng)用情況與效果
該成果在珠?；浽ＸS鋼鐵有限公司棒材智能庫(kù)、馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼高線智能庫(kù)（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(kù)進(jìn)行了示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)材庫(kù)區(qū)鋼材全無(wú)人自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首套棒材無(wú)人庫(kù)和首套高線無(wú)人庫(kù)的成功應(yīng)用業(yè)績(jī)，順利完成庫(kù)區(qū)7*24小時(shí)的全無(wú)人自動(dòng)下線轉(zhuǎn)運(yùn)、汽車裝運(yùn)、火車裝運(yùn)等功能，整個(gè)庫(kù)區(qū)僅需要1~2人遠(yuǎn)程監(jiān)控，解決了傳統(tǒng)庫(kù)區(qū)模式下繁重惡劣環(huán)境人工操作問題，顯著提高庫(kù)區(qū)運(yùn)行效率，并通過突破庫(kù)區(qū)生產(chǎn)瓶頸有效釋放產(chǎn)能。
圖4棒材智能無(wú)人庫(kù)
圖5高線智能無(wú)人庫(kù)
