无人天车与智能库管技术.

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一、研究的背景与问题

钢铁工业作为国民经济的支柱产业之一，战略地位至关重要。《中国制造2025》将钢铁工业作为重点发展十大领域的基础之一，加快钢铁工业的智能制造技术升级，实现信息化和工业化深度融合，将为钢铁行业带来新一轮的变革和创新驱动，是钢铁企业发展的必然趋势。随着物联网、人工智能等信息技术的发展，钢铁企业正在向以智能工厂为载体、以关键制造环节智能化为核心、以端到端数据流为基础、以网通互联为支撑的智能制造模式转型。其中，起重机与库区的智能化建设，成为智能工厂建设极具代表性的一项技术。

库区作为钢铁生产流程中物流衔接和生产节奏控制的重要枢纽，是工厂无人化和智能化建设的基础，而起重机则是库区最重要的执行单元。传统的轧钢生产车间库区，起重机操作主要依靠人工完成，工人劳动强度大，库区运行效率低，且容易导致人员、设备安全和数据信息丢失等问题。研究与应用无人起重机与智能库管技术，将从根本上改变了库区的作业模式，实现起重机无人化运行和库区智能调度，对于提高生产效率，降低生产成本，改善产品质量具有重要的意义。

北京科技大学工程技术研究院（简称“北科工研”）开发的无人天车与智能库管系统，是由智能库管系统、无人天车控制系统、智能视觉识别系统、数据分析优化系统以及库区辅助工艺设备改造设计组成的智能化、信息化、自动化综合系统及工程服务。系统实施投运可以有效减少人工工作强度、提高物料信息与设备安全、改善钢材表面质量、降低运营成本，并通过实现生产信息与物流信息实时交互，贯通进料、上料、生产、下线、储存、发货等多环节信息流，全面提升生产效率。

二、解决问题的技术思路与方案

无人天车与智能库管系统由信息域和物理域共同构成。物理域由若干测量设备、反馈设备和执行设备组成，这些元素具有通信能力、感知能力和指令执行能力。其中传感测量设备感知用户关注的状态属性信息，把测量数据及时地发送给监测端；搬运设备根据系统发送的指令完成相应的动作，如起吊、过跨、步进等；反馈设备在执行的过程中进行实时感知和信息反馈。

云服务端包含有模型库、资源库、知识库和算法库四部分，其中模型库是多种调度模型所组成的案例库，知识库是根据案例和算法生成的调度规则和知识，算法库负责处理由工艺到指令和调度等方面的映射算法。模型库和底层数据的感知共同构成了调度情境，通过对生产任务和调度情境的匹配和知识推理，形成相应的调度方案，并由此得到需要调用的资源，算法库依次生成对应的指令代码和调度方案，来驱动设备的运行。在设备实时运行的过程中，由反馈设备接收相应的反馈数据，并与仿真结果进行交互。总体系统思路如图1所示：

图1 无人天车系统总体方案

三、主要技术内容与特色

无人天车与智能库管系统集成了先进传感、无线通信、智能优化等多种技术，其技术内容和特点分析如下：

1、精确定位技术

天车的定位包括大车、小车、主钩三个方向上的位置检测，X轴定位测量大车行驶距离，Y轴定位测量小车行驶距离，Z轴定位用来测量行车夹钳距地面的高度值。定位的准确性不仅直接影响吊运动作的正确性，还与安全生产密切相关。当前常用的定位技术如下表所示：

表1 几种定位技术对比

综合考虑到量程、成本以及定位可靠性，本系统中大车方向一般采用编码电缆定位，小车方向采用激光传感器定位，吊钩方向采用绝对值行编码器定位。

2、无线通信技术

控制系统需要对行车的运行状态进行实时监控，因此要利用无线局域网通信技术将行车的实时位置和传感称重数据发送出去，并接收控制系统的动作指令。无人天车系统中的数据传输必须满足可靠性、稳定性及实时性的要求，同时由于整个库区设备数量较多，还需要具备多个节点组网通信的功能。

通常情况下，要求库区无线网络全覆盖，保证天车PLC与L2级之间、天车PLC与地面PLC之间、L2级与便携式手持终端之间通讯畅通。本系统中库区设置2套无线网络，运行在漫游模式，天车PLC与L2级之间、天车PLC与地面PLC之间通讯采用5G无线网络通讯；L2级与便携式手持终端之间采用2.4G无线网络通讯。

3、协同控制技术

无人天车系统能够实现自动吊卷、放卷及天车自动无人驾驶等，实现天车精确控制。在这个连续的作业过程中天车无人系统为提高作业效率和保证作业安全，在天车运行时，还将对天车横向、纵向、主钩升降进行协调控制。具体功能包括：

--主钩微摆动控制功能；

--夹钳位置控制功能：根据夹钳传感器信息控制夹钳进入高度、打开/关闭位置、回转角度；

--天车横向、纵向、主钩协同控制功能；

--速度控制、位置控制及计算停止距离功能；

--安全高度控制功能。

4、先进传感技术

如图2所示，无人天车传感器除了包含传统天车的舱门开关、大车限位、小车限位、主钩重锤开关、主钩急停开关等传感器外，还包括大车X轴位置传感器、小车Y轴传感器、主钩高度Z轴传感器、主钩称重传感器、天车间防撞传感器、摆角检测传感器等特殊功能的传感器。

图2 无人天车硬件架构图

5、智能调度技术

合理有效的天车调度方案对于保证生产顺利运行、提高生产效率、降低生产成本具有重要的意义，例如板坯入库模型依靠以连铸计划信息、板坯库库图库位信息、热轧热装计划做判断基础和信息输入，经过模型优化后，可以为入库的板坯批次指定适合的垛位。在无人天车系统中涉及到的调度问题包含多种类型，如表2所示。

表2 无人天车系统中涉及到的调度问题

本系统通过分析车间天车调度系统要素，建立天车调度仿真模型，用于初步生成可行的天车调度方案。其次建立天车调度数学模型，设计仿真—遗传算法混合优化求解模型：仿真模型用于生成可行的天车调度方案，同时利用遗传算法的迭代进化原理对天车调度方案进行优化，最终生成可行且优化的天车调度方案。

6、机器视觉技术

机器视觉是一门新兴的发展迅速的学科，是指用计算机来实现人的视觉功能，也就是用计算机来实现对客观的三维世界的识别。在无人天车系统中，涉及到多方面的机器视觉场景应用。

车辆/钢卷（材）识别：车辆形象识别系统能准确识别出车辆与钢卷（材）的形状和位置，利用机器学习等算法进行处理，将相关信息发送至库区管理子系统支持天车的自动装卸控制。

图3 车辆识别系统

字符识别：字符识别的目的是对物料进行跟踪，该系统包括字符视频图像采集模块、图像处理与字符识别模块以及数据管理和传输模块，其中图像处理与字符识别模块为核心工作模块。高清相机拍摄板坯端面含有标号字符图片，通过光纤传输到字符识别中心处理器进行字符识别，并将识别后的钢坯标号传入库房管理系统。

图4 字符识别系统

表面质量检测：在板坯库无人天车运行过程中，需要根据表面质量级别进行相应的下线操作。工业CCD摄像机采集从板坯表面反射的光，将反射光的强度转换成灰度图像。由于板坯表面有缺陷区域与无缺陷区域对于光反射性质上的不同，通过对摄像机采集到的灰度图像进行处理分析，可以检测板坯表面是否存在着缺陷。

图5 板坯表面质量检测

7、数据驱动的行车设备健康管理技术

随着工业智能传感器网络的发展，反映设备实时状态的海量传感数据为设备故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management, PHM）技术的应用提供了基础，人工智能等数据驱动方法的发展为PHM技术的实现提供了强有力的支撑。系统将天车设备提供的传感信息与历史运行数据融合，通过监测参数来了解设备与控制系统的运行状态，判断天车是否有故障或者预测剩余使用寿命，根据天车故障状态决定是否进行下一步动作。

四、应用情况与效果

无人天车与智能库管系统具有模块化、标准化等特点，产品的推广能力极强。目前，已在珠海粤裕丰、新余中冶新材等多家钢铁企业陆续投入使用，在针对冷轧、热轧钢卷库成熟实施的基础上，实现了国内首套棒线材成功应用业绩，引领着行业前沿的理论研究与技术开发。冷轧钢卷成品库的数字孪生监控画面、现场自动运行以及棒材库的运行监控如图6-8所示。

图6 钢卷库区数字孪生监控

图7 无人行车自动模式运行

图8 智能棒材库自动装卸车监控

无人天车与智能库管系统，助力企业实现库区少人化操作，增强库区精细化管理，并显著提升库区运行效率，主要体现在以下几方面：

1、无人化操作：改善工人的劳动环境，降低劳动强度，无需天车驾驶员，减少地面操作人员，标准化作业实现精准定位，每部车至少节省操作人员4人；

2、简化业务流程：实现库房物料动态跟踪及可视化，取消手动点库、盘库、抄号等传统流程；

3、提升设备安全：标准化工作流程结合防撞、防摆控制提升设备运行稳定性，实现设备状态在线诊断，降低故障率，延长维护周期，减少库存备件；

4、提升信息安全：实现物料信息可跟踪追溯，避免信息错误、丢失；

5、提升库区运行效率：通过简化班组交接、盘库等业务提升工作效率；通过智能库区调度优化优化物料码放，降低倒垛/倒卷率40%~70%；通过高效多车协同作业、重料等待、双车上线、上料间隙卸车等技术，提升极限工况生产能力；整体可提高库区运行效率40%以上；

6、贯通信息流，实现精准物流：通过物流信息统一部署，贯通与上下游工序的生产计划排程，推动智能工厂生产效率的全面提升。

信息来源：北京科技大学高效轧制国家工程研究中心、国家板带生产先进装备工程技术研究中心