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)作為鋼鐵生產流程中物流銜接和生產節(jié)奏控制的重要樞紐，是工廠無人化和智能化建設的基礎。傳統(tǒng)的軋鋼生產車間庫區(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、安全生產和職業(yè)健康風險高、作業(yè)規(guī)范化和生產效率低，是嚴重制約軋鋼產線智能無人化發(fā)展的瓶頸。實現天車無人化運行和庫區(qū)智能調度，將從根本上改變了庫區(qū)的作業(yè)模式，對于提高生產效率，降低生產成本，改善產品質量具有重要的意義。
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的研發(fā)，針對鋼卷庫取得應用成果。然而長期以來，占國內鋼材總產量45%以上的長材領域，始終未能突破庫區(qū)智能無人化技術瓶頸。
長材智能無人庫技術開發(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徑、規(guī)則庫位鞍座和卷形剛度，長材密集多層碼放，容易產生物料形變與位移，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，對庫管系統(tǒng)調度效率要求極高；
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。
解決問題的思路與技術方案
針對以上技術難點問題，北京科技大學聯合珠?；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)多源信息感知重構技術、機器視覺精確定位控制技術、生產物流優(yōu)化調度技術及長材庫區(qū)智慧集控技術等四項關鍵技術，建立長材庫區(qū)智能化管控關鍵技術及裝備，并完成國內首套棒材、高線智能平面無人庫的示范應用。
整體技術路線如圖1所示。
圖1 關鍵技術與研發(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與環(huán)境感知技術
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)多源信息三維重構和環(huán)境感知技術，并首次應用于長材庫區(qū)。包括三項關鍵技術：
（a）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，實現車輛與車載物料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。
?。╞）研發(fā)基于雙目視覺棒材庫區(qū)地圖構建與特征識別技術，實現庫區(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庫區(qū)地圖構建與特征識別技術，實現高線卷、火車車廂精確識別，檢測精度±30mm。
圖2 創(chuàng)新點1及關鍵技術
?。?）長材無人天車機器視覺精準定位控制技術
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%。包括三項關鍵技術：
?。╝）開發(fā)機器視覺校核修正定位控制技術，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，建立剛軟混合結構擺動解析模型，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，保證搖擺角度在±0.45°以內高效運行。
?。╟）研發(fā)四軸聯動、多段路徑協同和動態(tài)防撞技術，實現規(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)境多車協同效率。
圖3 創(chuàng)新點2及關鍵技術
（3）基于多智能體的長材庫區(qū)生產物流優(yōu)化調度技術
建立了長材庫區(qū)高效生產優(yōu)化調度系統(tǒng)，包括多車集群動態(tài)調度模型、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)人工調度相比，效率提升20%，多車負載均衡率提高30%，庫內倒垛率降低30%。包括三項關鍵技術：
（a）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)調度系統(tǒng)和出入庫智能決策模型，實現庫內倒垛率降低30%。
（b）為提高庫區(qū)多種物流設備協同運行效率，研發(fā)了多車、多物流設備協同動態(tài)調度模型，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及關鍵技術
?。?）融合工業(yè)5G和數字孿生技術的庫區(qū)智慧集控
開發(fā)了融合工業(yè)5G與數字孿生技術的長材庫區(qū)遠程集控智慧系統(tǒng)，庫區(qū)現場無人操作，僅需2人完成集控室遠程監(jiān)控，徹底轉變庫區(qū)工作模式與勞動環(huán)境。
?。╝）為保證天車服役狀態(tài)與有效作業(yè)率，研發(fā)數字化無人天車設備健康狀態(tài)預測技術，降低設備故障率，節(jié)省維護費用和備件。
?。╞）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，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)控與數字孿生自主決策優(yōu)化技術，實現每班2人對整個庫區(qū)的監(jiān)控生產，以及復雜庫區(qū)環(huán)境調度測試分析與決策優(yōu)化。
圖5 創(chuàng)新點4及關鍵技術
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智能庫，分別為國內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、倒庫等各項關鍵功能，并通過多車協同優(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?；浽ＸS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；通過自主知識產權防搖擺控制技術，四軸聯動以及多段路徑協同控制技術，單吊運行時間平均減少20s。
?。?）智能庫管技術指標：相比國外品牌，天車貨車協同調度、多天車負載均衡、入庫垛位優(yōu)化、天車路徑規(guī)劃等多項關鍵功能均具有優(yōu)勢。
本項目授權發(fā)明專利13件、實用新型專利3件，計算機軟件著作權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權，整體技術達到國際領先水平，經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)相關技術的瓶頸，并有望繼續(xù)向熔融金屬吊運、型材、鋼管等技術難度更高的領域拓展技術研發(fā)與工業(yè)應用。
經濟與社會效益
本項目經濟效益顯著，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，為國內大量的長材生產企業(yè)提供了亟需的關鍵技術，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；
?。?）從帶卷智能庫技術由國外引進到長材智能庫自主技術引領，打破了國外的技術壁壘；
?。?）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)務協同管控，具有重要支撐作用。
