完成人
王曉晨、劉建彬、徐 冬、梁越永、劉 洋、彭進(jìn)明、彭功狀、郭德福、張學(xué)軍、李全漢、孫 濤、徐言東、鄧佑華、邵 健、王 偉
完成單位
北京科技大學(xué)、珠?；浽ＸS鋼鐵有限公司、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司、北京科技大學(xué)設計研究院有限公司、湖南華菱漣源鋼鐵有限公司、河北物流集團金屬材料有限公司、北京新岸線(xiàn)移動(dòng)多媒體技術(shù)有限公司、廣東新岸線(xiàn)科技有限公司
研究背景與問(wèn)題
庫區作為鋼鐵生產(chǎn)流程中物流銜接和生產(chǎn)節奏控制的重要樞紐，是工廠(chǎng)無(wú)人化和智能化建設的基礎。傳統的軋鋼生產(chǎn)車(chē)間庫區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)險高、作業(yè)規范化和生產(chǎn)效率低，是嚴重制約軋鋼產(chǎn)線(xiàn)智能無(wú)人化發(fā)展的瓶頸。實(shí)現天車(chē)無(wú)人化運行和庫區智能調度，將從根本上改變了庫區的作業(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。
2013~2017年，唐鋼、寶武、首鋼等企業(yè)，進(jìn)行了無(wú)人天車(chē)與智能庫管技術(shù)的研發(fā)，針對鋼卷庫取得應用成果。然而長(cháng)期以來(lái)，占國內鋼材總產(chǎn)量45%以上的長(cháng)材領(lǐng)域，始終未能突破庫區智能無(wú)人化技術(shù)瓶頸。
長(cháng)材智能無(wú)人庫技術(shù)開(kāi)發(fā)，面臨三個(gè)方面的難點(diǎn)問(wèn)題：
難點(diǎn)1：相比卷材具有的標準卷芯內徑、規則庫位鞍座和卷形剛度，長(cháng)材密集多層碼放，容易產(chǎn)生物料形變與位移，定位困難，易導致因重心偏離吊具而發(fā)生掉落事故
難點(diǎn)2：多車(chē)作業(yè)與高節奏生產(chǎn)，對庫管系統調度效率要求極高；
難點(diǎn)3：自動(dòng)裝卸車(chē)、人員設備安全等需求，制約無(wú)人集控的實(shí)現。
解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
針對以上技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，北京科技大學(xué)聯(lián)合珠?；浽ＸS鋼鐵有限公司、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、飛馬智科信息技術(shù)股份有限公司等9家合作單位，針對性創(chuàng )新開(kāi)發(fā)庫區多源信息感知重構技術(shù)、機器視覺(jué)精確定位控制技術(shù)、生產(chǎn)物流優(yōu)化調度技術(shù)及長(cháng)材庫區智慧集控技術(shù)等四項關(guān)鍵技術(shù)，建立長(cháng)材庫區智能化管控關(guān)鍵技術(shù)及裝備，并完成國內首套棒材、高線(xiàn)智能平面無(wú)人庫的示范應用。
整體技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。
圖1 關(guān)鍵技術(shù)與研發(fā)路徑
主要創(chuàng )新性成果
?。?）長(cháng)材庫區的多源信息三維重構與環(huán)境感知技術(shù)
針對長(cháng)材多層密集碼放造成的物料形變、位移不確定性問(wèn)題，開(kāi)發(fā)庫區多源信息三維重構和環(huán)境感知技術(shù)，并首次應用于長(cháng)材庫區。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
?。╝）研發(fā)基于非重復掃描激光雷達車(chē)輛與車(chē)載物料識別技術(shù)，實(shí)現車(chē)輛與車(chē)載物料500ms瞬態(tài)識別定位，檢測精度±20mm，保證無(wú)人天車(chē)對汽車(chē)等運載工具的全自動(dòng)裝卸需要。
?。╞）研發(fā)基于雙目視覺(jué)棒材庫區地圖構建與特征識別技術(shù)，實(shí)現庫區棒材堆垛的精確識別，檢測精度±30mm。
?。╟）研發(fā)基于線(xiàn)掃描激光雷達庫區地圖構建與特征識別技術(shù)，實(shí)現高線(xiàn)卷、火車(chē)車(chē)廂精確識別，檢測精度±30mm。
圖2 創(chuàng )新點(diǎn)1及關(guān)鍵技術(shù)
?。?）長(cháng)材無(wú)人天車(chē)機器視覺(jué)精準定位控制技術(shù)
開(kāi)發(fā)了長(cháng)材無(wú)人天車(chē)的精準定位設備，具有機器視覺(jué)閉環(huán)控制、吊具防搖擺模糊變增益控制、多路徑協(xié)同過(guò)渡控制、多車(chē)防撞動(dòng)態(tài)控制等功能，保證了長(cháng)材無(wú)人吊運的安全、高效，單吊運行時(shí)間平均節省20s，自動(dòng)運行率達到100%。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
?。╝）開(kāi)發(fā)機器視覺(jué)校核修正定位控制技術(shù)，通過(guò)起吊前、起吊中、落吊前、落吊后四個(gè)時(shí)刻的一次與二次位置校核控制，克服鋼材堆放形狀位置偏差，保證長(cháng)材無(wú)人天車(chē)±25mm安全精準定位控制。
?。╞）為抑制吊運擺動(dòng)、提升吊運效率，建立剛軟混合結構擺動(dòng)解析模型，開(kāi)發(fā)開(kāi)環(huán)分段設定與閉環(huán)模糊變增益防擺控制技術(shù)，保證搖擺角度在±0.45°以?xún)雀咝н\行。
?。╟）研發(fā)四軸聯(lián)動(dòng)、多段路徑協(xié)同和動(dòng)態(tài)防撞技術(shù)，實(shí)現規避危險區域的效率提升，單吊往復運行時(shí)間減少20s，提升復雜環(huán)境多車(chē)協(xié)同效率。
圖3 創(chuàng )新點(diǎn)2及關(guān)鍵技術(shù)
?。?）基于多智能體的長(cháng)材庫區生產(chǎn)物流優(yōu)化調度技術(shù)
建立了長(cháng)材庫區高效生產(chǎn)優(yōu)化調度系統，包括多車(chē)集群動(dòng)態(tài)調度模型、物料垛位智能決策模型、天車(chē)路徑規劃模型等，與同類(lèi)庫區人工調度相比，效率提升20%，多車(chē)負載均衡率提高30%，庫內倒垛率降低30%。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
?。╝）為減少庫區倒垛，優(yōu)化吊運距離，開(kāi)發(fā)基于多智能體的庫區調度系統和出入庫智能決策模型，實(shí)現庫內倒垛率降低30%。
?。╞）為提高庫區多種物流設備協(xié)同運行效率，研發(fā)了多車(chē)、多物流設備協(xié)同動(dòng)態(tài)調度模型，多車(chē)負載均衡率提高30%。
?。╟）提出基于強化學(xué)習的無(wú)人天車(chē)路徑規劃方法，實(shí)現適應庫區環(huán)境、布局動(dòng)態(tài)變化的天車(chē)路徑實(shí)時(shí)優(yōu)化，避障吊運效率提高20%。
圖4 創(chuàng )新點(diǎn)3及關(guān)鍵技術(shù)
?。?）融合工業(yè)5G和數字孿生技術(shù)的庫區智慧集控
開(kāi)發(fā)了融合工業(yè)5G與數字孿生技術(shù)的長(cháng)材庫區遠程集控智慧系統，庫區現場(chǎng)無(wú)人操作，僅需2人完成集控室遠程監控，徹底轉變庫區工作模式與勞動(dòng)環(huán)境。
?。╝）為保證天車(chē)服役狀態(tài)與有效作業(yè)率，研發(fā)數字化無(wú)人天車(chē)設備健康狀態(tài)預測技術(shù)，降低設備故障率，節省維護費用和備件。
?。╞）為保證庫區運行環(huán)境安全可靠，開(kāi)發(fā)EUHT-5G遠程操作與視頻AI識別監控技術(shù)，保障集控模式下對人員及重點(diǎn)區域的安全管控。
?。╟）開(kāi)發(fā)全場(chǎng)景3D可視化監控與數字孿生自主決策優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現每班2人對整個(gè)庫區的監控生產(chǎn)，以及復雜庫區環(huán)境調度測試分析與決策優(yōu)化。
圖5 創(chuàng )新點(diǎn)4及關(guān)鍵技術(shù)
推廣應用情況
項目研究成果成功應用于珠?；浽ＸS鋼鐵棒材智能庫與馬鋼特鋼高線(xiàn)智能庫，分別為國內首套棒材平面無(wú)人庫和首套高線(xiàn)平面無(wú)人庫應用業(yè)績(jì)，實(shí)現了長(cháng)材庫區全自動(dòng)汽車(chē)裝運、火車(chē)裝運、下線(xiàn)、入庫、倒庫等各項關(guān)鍵功能，并通過(guò)多車(chē)協(xié)同優(yōu)化、天車(chē)路徑動(dòng)態(tài)優(yōu)化等方法，有效提升了庫區運行效率。
圖6 珠?；浽ＸS棒材智能無(wú)人庫
圖7 馬鋼特鋼高線(xiàn)智能無(wú)人庫
此外，本項目全部或部分成果推廣應用于首鋼、鞍鋼、漣鋼、南鋼、中冶新材等企業(yè)，示范與推廣應用項目共計11項，應用效果良好，輻射作用顯著(zhù)。
技術(shù)指標先進(jìn)性
本項目在機器視覺(jué)檢測、天車(chē)定位控制以及智能庫管三個(gè)方面相比國外技術(shù)具有全面優(yōu)勢：
?。?）機器視覺(jué)檢測精度指標：汽車(chē)識別精度與火車(chē)識別精度均優(yōu)于國外先進(jìn)品牌；實(shí)現了檢測場(chǎng)景從鞍座測量到棒、線(xiàn)材庫區全覆蓋的拓展；相比國外品牌，從汽車(chē)掃描用時(shí)15s，提升至500ms在線(xiàn)瞬態(tài)掃描。
?。?）天車(chē)定位控制精度與效率指標：基于視覺(jué)檢測實(shí)現針對物料的±25mm閉環(huán)定位控制的重要突破，保證了長(cháng)材無(wú)人天車(chē)全自動(dòng)精準、安全控制；通過(guò)自主知識產(chǎn)權防搖擺控制技術(shù)，四軸聯(lián)動(dòng)以及多段路徑協(xié)同控制技術(shù)，單吊運行時(shí)間平均減少20s。
?。?）智能庫管技術(shù)指標：相比國外品牌，天車(chē)貨車(chē)協(xié)同調度、多天車(chē)負載均衡、入庫垛位優(yōu)化、天車(chē)路徑規劃等多項關(guān)鍵功能均具有優(yōu)勢。
本項目授權發(fā)明專(zhuān)利13件、實(shí)用新型專(zhuān)利3件，計算機軟件著(zhù)作權16項，主持及參加制定國家標準2項、行業(yè)標準1項、團體標準2項，發(fā)表科技論文17篇。
項目成果由中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì )組織行業(yè)專(zhuān)家評價(jià)，一致認為：成果創(chuàng )新性強，具有完全自主知識產(chǎn)權，整體技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，經(jīng)濟效益和社會(huì )效益顯著(zhù)，推廣前景廣闊。項目突破棒線(xiàn)材無(wú)人庫區相關(guān)技術(shù)的瓶頸，并有望繼續向熔融金屬吊運、型材、鋼管等技術(shù)難度更高的領(lǐng)域拓展技術(shù)研發(fā)與工業(yè)應用。
經(jīng)濟與社會(huì )效益
本項目經(jīng)濟效益顯著(zhù)，截止到2022年，項目成果推廣銷(xiāo)售業(yè)績(jì)11項，合同額3915萬(wàn)元。2019~2021年，4家聯(lián)合研發(fā)單位新增銷(xiāo)售額25.3億元，新增效益6.2億元。
本項目具有重要的社會(huì )效益：
?。?）實(shí)現了環(huán)境更復雜、精度要求更高的長(cháng)材無(wú)人庫的應用突破，為國內大量的長(cháng)材生產(chǎn)企業(yè)提供了亟需的關(guān)鍵技術(shù)，幫助工作人員從惡劣工作環(huán)境與繁重體力勞動(dòng)中解放出來(lái)；
?。?）從帶卷智能庫技術(shù)由國外引進(jìn)到長(cháng)材智能庫自主技術(shù)引領(lǐng)，打破了國外的技術(shù)壁壘；
?。?）對于推動(dòng)長(cháng)材智能工廠(chǎng)的少人化、高效化建設、信息流斷點(diǎn)貫通、跨工序跨業(yè)務(wù)協(xié)同管控，具有重要支撐作用。
