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)、珠海粵裕豐鋼鐵有限公司、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(shè)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(tuán)金屬材料有限公司、北京新岸線移動多媒體技術(shù)有限公司、廣東新岸線科技有限公司
研究背景與問題
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。
2013~2017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，占國內(nèi)鋼材總產(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。
長材智能無人庫技術(shù)開發(fā)，面臨三個方面的難點(diǎn)問題：
難點(diǎn)1：相比卷材具有的標(biāo)準(zhǔn)卷芯內(nèi)徑、規(guī)則庫位鞍座和卷形剛度，長材密集多層碼放，容易產(chǎn)生物料形變與位移，定位困難，易導(dǎo)致因重心偏離吊具而發(fā)生掉落事故
難點(diǎn)2：多車作業(yè)與高節(jié)奏生產(chǎn)，對庫管系統(tǒng)調(diào)度效率要求極高；
難點(diǎn)3：自動裝卸車、人員設(shè)備安全等需求，制約無人集控的實現(xiàn)。
解決問題的思路與技術(shù)方案
針對以上技術(shù)難點(diǎn)問題，北京科技大學(xué)聯(lián)合珠海粵裕豐鋼鐵有限公司、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)新開發(fā)庫區(qū)多源信息感知重構(gòu)技術(shù)、機(jī)器視覺精確定位控制技術(shù)、生產(chǎn)物流優(yōu)化調(diào)度技術(shù)及長材庫區(qū)智慧集控技術(shù)等四項關(guān)鍵技術(shù)，建立長材庫區(qū)智能化管控關(guān)鍵技術(shù)及裝備，并完成國內(nèi)首套棒材、高線智能平面無人庫的示范應(yīng)用。
整體技術(shù)路線如圖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
（1）長材庫區(qū)的多源信息三維重構(gòu)與環(huán)境感知技術(shù)
針對長材多層密集碼放造成的物料形變、位移不確定性問題，開發(fā)庫區(qū)多源信息三維重構(gòu)和環(huán)境感知技術(shù)，并首次應(yīng)用于長材庫區(qū)。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
（a）研發(fā)基于非重復(fù)掃描激光雷達(dá)車輛與車載物料識別技術(shù)，實現(xiàn)車輛與車載物料500ms瞬態(tài)識別定位，檢測精度±20mm，保證無人天車對汽車等運(yùn)載工具的全自動裝卸需要。
（b）研發(fā)基于雙目視覺棒材庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別技術(shù)，實現(xiàn)庫區(qū)棒材堆垛的精確識別，檢測精度±30mm。
（c）研發(fā)基于線掃描激光雷達(dá)庫區(qū)地圖構(gòu)建與特征識別技術(shù)，實現(xiàn)高線卷、火車車廂精確識別，檢測精度±30mm。
圖2 創(chuàng)新點(diǎn)1及關(guān)鍵技術(shù)
（2）長材無人天車機(jī)器視覺精準(zhǔn)定位控制技術(shù)
開發(fā)了長材無人天車的精準(zhǔn)定位設(shè)備，具有機(jī)器視覺閉環(huán)控制、吊具防搖擺模糊變增益控制、多路徑協(xié)同過渡控制、多車防撞動態(tài)控制等功能，保證了長材無人吊運(yùn)的安全、高效，單吊運(yùn)行時間平均節(jié)省20s，自動運(yùn)行率達(dá)到100%。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
（a）開發(fā)機(jī)器視覺校核修正定位控制技術(shù)，通過起吊前、起吊中、落吊前、落吊后四個時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，保證長材無人天車±25mm安全精準(zhǔn)定位控制。
（b）為抑制吊運(yùn)擺動、提升吊運(yùn)效率，建立剛軟混合結(jié)構(gòu)擺動解析模型，開發(fā)開環(huán)分段設(shè)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°以內(nèi)高效運(yùn)行。
（c）研發(fā)四軸聯(lián)動、多段路徑協(xié)同和動態(tài)防撞技術(shù)，實現(xiàn)規(guī)避危險區(qū)域的效率提升，單吊往復(fù)運(yùn)行時間減少20s，提升復(fù)雜環(huán)境多車協(xié)同效率。
圖3 創(chuàng)新點(diǎn)2及關(guān)鍵技術(shù)
（3）基于多智能體的長材庫區(qū)生產(chǎn)物流優(yōu)化調(diào)度技術(shù)
建立了長材庫區(qū)高效生產(chǎn)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，包括多車集群動態(tài)調(diào)度模型、物料垛位智能決策模型、天車路徑規(guī)劃模型等，與同類庫區(qū)人工調(diào)度相比，效率提升20%，多車負(fù)載均衡率提高30%，庫內(nèi)倒垛率降低30%。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
（a）為減少庫區(qū)倒垛，優(yōu)化吊運(yùn)距離，開發(fā)基于多智能體的庫區(qū)調(diào)度系統(tǒng)和出入庫智能決策模型，實現(xiàn)庫內(nèi)倒垛率降低30%。
（b）為提高庫區(qū)多種物流設(shè)備協(xié)同運(yùn)行效率，研發(fā)了多車、多物流設(shè)備協(xié)同動態(tài)調(diào)度模型，多車負(fù)載均衡率提高30%。
（c）提出基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的無人天車路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)適應(yīng)庫區(qū)環(huán)境、布局動態(tài)變化的天車路徑實時優(yōu)化，避障吊運(yùn)效率提高20%。
圖4 創(chuàng)新點(diǎn)3及關(guān)鍵技術(shù)
（4）融合工業(yè)5G和數(shù)字孿生技術(shù)的庫區(qū)智慧集控
開發(fā)了融合工業(yè)5G與數(shù)字孿生技術(shù)的長材庫區(qū)遠(yuǎn)程集控智慧系統(tǒng)，庫區(qū)現(xiàn)場無人操作，僅需2人完成集控室遠(yuǎn)程監(jiān)控，徹底轉(zhuǎn)變庫區(qū)工作模式與勞動環(huán)境。
（a）為保證天車服役狀態(tài)與有效作業(yè)率，研發(fā)數(shù)字化無人天車設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測技術(shù)，降低設(shè)備故障率，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用和備件。
（b）為保證庫區(qū)運(yùn)行環(huán)境安全可靠，開發(fā)EUHT-5G遠(yuǎn)程操作與視頻AI識別監(jiān)控技術(shù)，保障集控模式下對人員及重點(diǎn)區(qū)域的安全管控。
（c）開發(fā)全場景3D可視化監(jiān)控與數(shù)字孿生自主決策優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)每班2人對整個庫區(qū)的監(jiān)控生產(chǎn)，以及復(fù)雜庫區(qū)環(huán)境調(diào)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(yīng)用情況
項目研究成果成功應(yīng)用于珠海粵裕豐鋼鐵棒材智能庫與馬鋼特鋼高線智能庫，分別為國內(nèi)首套棒材平面無人庫和首套高線平面無人庫應(yīng)用業(yè)績，實現(xiàn)了長材庫區(qū)全自動汽車裝運(yùn)、火車裝運(yùn)、下線、入庫、倒庫等各項關(guān)鍵功能，并通過多車協(xié)同優(yōu)化、天車路徑動態(tài)優(yōu)化等方法，有效提升了庫區(qū)運(yùn)行效率。
圖6 珠海粵裕豐棒材智能無人庫
圖7 馬鋼特鋼高線智能無人庫
此外，本項目全部或部分成果推廣應(yīng)用于首鋼、鞍鋼、漣鋼、南鋼、中冶新材等企業(yè)，示范與推廣應(yīng)用項目共計11項，應(yīng)用效果良好，輻射作用顯著。
技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性
本項目在機(jī)器視覺檢測、天車定位控制以及智能庫管三個方面相比國外技術(shù)具有全面優(yōu)勢：
（1）機(jī)器視覺檢測精度指標(biāo)：汽車識別精度與火車識別精度均優(yōu)于國外先進(jìn)品牌；實現(xiàn)了檢測場景從鞍座測量到棒、線材庫區(qū)全覆蓋的拓展；相比國外品牌，從汽車掃描用時15s，提升至500ms在線瞬態(tài)掃描。
（2）天車定位控制精度與效率指標(biāo)：基于視覺檢測實現(xiàn)針對物料的±25mm閉環(huán)定位控制的重要突破，保證了長材無人天車全自動精準(zhǔn)、安全控制；通過自主知識產(chǎn)權(quán)防搖擺控制技術(shù)，四軸聯(lián)動以及多段路徑協(xié)同控制技術(shù)，單吊運(yùn)行時間平均減少20s。
（3）智能庫管技術(shù)指標(biāo)：相比國外品牌，天車貨車協(xié)同調(diào)度、多天車負(fù)載均衡、入庫垛位優(yōu)化、天車路徑規(guī)劃等多項關(guān)鍵功能均具有優(yōu)勢。
本項目授權(quán)發(fā)明專利13件、實用新型專利3件，計算機(jī)軟件著作權(quán)16項，主持及參加制定國家標(biāo)準(zhǔn)2項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)1項、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)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)會組織行業(yè)專家評價，一致認(rèn)為：成果創(chuàng)新性強(qiáng)，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，推廣前景廣闊。項目突破棒線材無人庫區(qū)相關(guān)技術(shù)的瓶頸，并有望繼續(xù)向熔融金屬吊運(yùn)、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(yīng)用。
經(jīng)濟(jì)與社會效益
本項目經(jīng)濟(jì)效益顯著，截止到2022年，項目成果推廣銷售業(yè)績11項，合同額3915萬元。2019~2021年，4家聯(lián)合研發(fā)單位新增銷售額25.3億元，新增效益6.2億元。
本項目具有重要的社會效益：
（1）實現(xiàn)了環(huán)境更復(fù)雜、精度要求更高的長材無人庫的應(yīng)用突破，為國內(nèi)大量的長材生產(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)境與繁重體力勞動中解放出來；
（2）從帶卷智能庫技術(shù)由國外引進(jìn)到長材智能庫自主技術(shù)引領(lǐng)，打破了國外的技術(shù)壁壘；
（3）對于推動長材智能工廠的少人化、高效化建設(shè)、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。
