完成人
王曉晨、劉建彬、徐 冬、梁越永、劉 洋、彭進明、彭功狀、郭德福、張學軍、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、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)健康風險高、作業(yè)規(guī)范化和生產(chǎn)效率低，是嚴重制約軋鋼產(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問題：
難點1：相比卷材具有的標準卷芯內(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，易導致因重心偏離吊具而發(fā)生掉落事故
難點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3：自動裝卸車、人員設備安全等需求，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)難點問題，北京科技大學聯(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)新開發(fā)庫區(qū)多源信息感知重構(gòu)技術(shù)、機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
?。?）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)，并首次應用于長材庫區(qū)。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。
?。╟）研發(fā)基于線掃描激光雷達庫區(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1及關(guān)鍵技術(shù)
?。?）長材無人天車機器視覺精準定位控制技術(shù)
開發(fā)了長材無人天車的精準定位設備，具有機器視覺閉環(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的安全、高效，單吊運行時間平均節(jié)省20s，自動運行率達到100%。包括三項關(guān)鍵技術(shù)：
（a）開發(fā)機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安全精準定位控制。
?。╞）為抑制吊運擺動、提升吊運效率，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)高效運行。
?。╟）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，單吊往復運行時間減少20s，提升復雜環(huán)境多車協(xié)同效率。
圖3 創(chuàng)新點2及關(guān)鍵技術(shù)
?。?）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)：
?。╝）為減少庫區(qū)倒垛，優(yōu)化吊運距離，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)多種物流設備協(xié)同運行效率，研發(fā)了多車、多物流設備協(xié)同動態(tài)調(diào)度模型，多車負載均衡率提高30%。
?。╟）提出基于強化學習的無人天車路徑規(guī)劃方法，實現(xiàn)適應庫區(qū)環(huán)境、布局動態(tài)變化的天車路徑實時優(yōu)化，避障吊運效率提高20%。
圖4 創(chuàng)新點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)字化無人天車設備健康狀態(tài)預測技術(shù)，降低設備故障率，節(jié)省維護費用和備件。
（b）為保證庫區(qū)運行環(huán)境安全可靠，開發(fā)EUHT-5G遠程操作與視頻AI識別監(jiān)控技術(shù)，保障集控模式下對人員及重點區(qū)域的安全管控。
?。╟）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用業(yè)績，實現(xiàn)了長材庫區(qū)全自動汽車裝運、火車裝運、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。
技術(shù)指標先進性
本項目在機器視覺檢測、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：
?。?）機器視覺檢測精度指標：汽車識別精度與火車識別精度均優(yōu)于國外先進品牌；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。
?。?）天車定位控制精度與效率指標：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、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)，單吊運行時間平均減少20s。
（3）智能庫管技術(shù)指標：相比國外品牌，天車貨車協(xié)同調(diào)度、多天車負載均衡、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，計算機軟件著作權(quán)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)會組織行業(yè)專家評價，一致認為：成果創(chuàng)新性強，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，整體技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平，經(jīng)濟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、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)濟與社會效益
本項目經(jīng)濟效益顯著，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：
?。?）實現(xiàn)了環(huán)境更復雜、精度要求更高的長材無人庫的應用突破，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；
?。?）從帶卷智能庫技術(shù)由國外引進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；
?。?）對于推動長材智能工廠的少人化、高效化建設、信息流斷點貫通、跨工序跨業(yè)務協(xié)同管控，具有重要支撐作用。
