★南京科遠智慧科技集團股份有限公司，江蘇省熱工過(guò)程智能控制重點(diǎn)實(shí)驗室劉進(jìn)波，楊孝豐

關(guān)鍵詞：板卷；無(wú)人行車(chē)；調度；防搖；格雷母線(xiàn)；三維掃描識別

隨著(zhù)“碳中和”戰略的不斷發(fā)展，傳統鋼鐵企業(yè)高能耗、高排放、高污染、勞動(dòng)力缺失等現狀必須得到改變。鋼鐵物流占用場(chǎng)地大、周轉困難，如何利用新一代信息技術(shù)打造智能鋼廠(chǎng)越來(lái)越成為鋼鐵企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，也是企業(yè)降本增效、提高競爭力與經(jīng)濟效益的主要途徑。

1 現狀分析

行車(chē)是鋼鐵廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程物料轉運的關(guān)鍵設備，傳統的行車(chē)需由行車(chē)工操控駕駛、引導員指引共同完成鋼卷的吊運，但庫區生產(chǎn)節奏快，工作環(huán)境較差，操作工崗位勞動(dòng)強度大、責任要求高。人工作業(yè)往往導致庫區運行效率低，庫區底層生產(chǎn)、制造、管理過(guò)程中的大量生產(chǎn)、庫存等基礎信息缺少，導致管理與生產(chǎn)環(huán)節無(wú)法進(jìn)行良好的雙向信息交互，產(chǎn)生信息孤島與斷層現象，制約生產(chǎn)效率。

板卷無(wú)人行車(chē)及庫區調度系統通過(guò)自動(dòng)化、信息化、智能化等手段，實(shí)現了庫區設備的全自動(dòng)運行控制，全面提升生產(chǎn)車(chē)間和庫區半成品、成品搬運效率，降低行車(chē)維修次數和產(chǎn)品損壞次數，庫區內行車(chē)多車(chē)協(xié)同作業(yè)，可有效提高庫區生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，打造面向未來(lái)的全新綠色無(wú)人化倉庫。

科遠智慧板卷無(wú)人行車(chē)及庫區調度系統主要包含行車(chē)本體自動(dòng)化控制系統、WMS庫區管理系統、無(wú)線(xiàn)通訊系統、汽車(chē)/火車(chē)自動(dòng)裝卸系統、過(guò)跨車(chē)自動(dòng)裝卸系統、步進(jìn)梁控制系統、地面安全控制管理系統等，在WMS庫區管理系統的集中調度下，通過(guò)大視域三維掃描識別技術(shù)、閉環(huán)電子防搖控制系統、格雷母線(xiàn)高精度定位系統等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現板卷庫區內行車(chē)的智能裝卸車(chē)作業(yè)、出/入庫作業(yè)、上/下料等作業(yè)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多車(chē)協(xié)同智能調度系統

為了實(shí)現板卷行車(chē)的自動(dòng)調度，科遠智慧研發(fā)了多智能體協(xié)同調度模塊，在多品種堆放、多設備運輸、人工與智能體交叉互動(dòng)的復雜條件下，有效解決了快節奏生產(chǎn)的優(yōu)化調度難題。

多車(chē)協(xié)同調度是指行車(chē)終端系統在等待作業(yè)指令和執行作業(yè)指令過(guò)程中，行車(chē)中控系統實(shí)時(shí)協(xié)調、調度、監控的過(guò)程。針對同跨多車(chē)之間產(chǎn)生作業(yè)沖突時(shí)，或者行車(chē)作業(yè)指令與地面移動(dòng)設備（步進(jìn)梁、過(guò)跨車(chē)）有關(guān)時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調、調度、監控，根據設備狀態(tài)實(shí)時(shí)控制行車(chē)動(dòng)作。

科遠智慧在自有專(zhuān)利技術(shù)“基于多Agent強化學(xué)習的團隊機器人決策方法”“基于任務(wù)解耦的多機器人協(xié)作路徑生成方法”和軟著(zhù)“科遠無(wú)人庫調度系統軟件”等技術(shù)積累的基礎上，提出了基于“多算子多染色體改進(jìn)遺傳算法和改進(jìn)分支定界”的算法，用于解決復雜倒垛任務(wù)、優(yōu)先級傳遞的混合整數規劃，解決了多搬運智能體協(xié)同、DQN強化學(xué)習，解決了人工與搬運智能體交叉互動(dòng)等調度難題，實(shí)現調度更加優(yōu)越。

該調度系統可以實(shí)現同時(shí)調度更多任務(wù)數，搬運距離更短、倒垛次數更少，滿(mǎn)足更快生產(chǎn)節奏的目標。大幅減少了被動(dòng)讓車(chē)、緊急停車(chē)、任務(wù)延遲等狀況，實(shí)現了無(wú)人化“黑燈車(chē)間”的要求。

2.2 大視域三維掃描識別技術(shù)

為了解決板卷行車(chē)自動(dòng)精確抓放物料的難題，科遠智慧研發(fā)了大視域高精度3D掃描識別定位系統，解決了在特殊環(huán)境和低掃描分辨率條件下，復雜對象識別、高精度定位、自適應校驗和智能標定等系列問(wèn)題，克服了智能裝卸諸多核心技術(shù)難題。

系統使用激光掃描儀，搭配專(zhuān)用的伺服轉動(dòng)云臺，從而實(shí)現從二維圖像到三維圖像的轉換，通過(guò)處理獲取的掃描空間范圍內表面點(diǎn)云集合，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云算法處理和點(diǎn)云聚類(lèi)分割算法處理，最終得出掃描范圍內的物料表面點(diǎn)云和位置信息。

以三維點(diǎn)云圖像為數據基礎的系列算法實(shí)現了對板卷無(wú)人行車(chē)運行過(guò)程中面對的多類(lèi)型目標物體的精確識別與定位，包括卷材、板材以及垛位等。

圖1為物體表面點(diǎn)云集合處理圖。

圖1 物體表面點(diǎn)云集合處理

2.3 閉環(huán)電子防搖控制系統

行車(chē)在行駛過(guò)程中吊物總是存在不可避免的搖擺，直接關(guān)系到無(wú)人行車(chē)系統的運行效率和安全性，電子防搖技術(shù)是無(wú)人行車(chē)系統的基礎關(guān)鍵技術(shù)，為此科遠智慧與東南大學(xué)一同深入研究該技術(shù)，取得了相關(guān)發(fā)明專(zhuān)利。同時(shí)還研發(fā)了欠驅動(dòng)柔性牽引防搖定位耦合控制器，在欠驅動(dòng)、大慣性、變繩長(cháng)、復雜擾動(dòng)條件下四軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現了復雜搬運的快速消擺和精準定位。

本系統采用位置與角度雙閉環(huán)防搖，在大車(chē)、小車(chē)的加速、減速過(guò)程中，根據角度測量?jì)x反饋的夾鉗擺動(dòng)角度和當前行車(chē)實(shí)時(shí)位置信息，實(shí)時(shí)控制行車(chē)運行速度，實(shí)現行車(chē)吊物無(wú)搖擺的效果。搖擺角度測量說(shuō)明如圖2所示。

圖2 搖擺角度測量說(shuō)明

3 系統設計

板卷無(wú)人行車(chē)及庫區調度系統主要包含行車(chē)本體自動(dòng)化控制系統、WMS庫區管理系統、無(wú)線(xiàn)通訊系統、汽車(chē)/火車(chē)自動(dòng)裝卸系統、過(guò)跨車(chē)自動(dòng)裝卸系統、步進(jìn)梁控制系統、地面安全控制管理系統等，相關(guān)子系統介紹如下：

3.1 行車(chē)本體自動(dòng)化控制系統

行車(chē)自動(dòng)控制功能包括操作方式、行車(chē)本體自動(dòng)控制系統、傳動(dòng)控制系統、定位控制系統、防碰撞系統、吊具控制系統、防搖擺控制系統和數據系統等，實(shí)現行車(chē)無(wú)人駕駛、精準定位、自動(dòng)吊放鋼卷等功能。本系統首先對所需升級的行車(chē)進(jìn)行無(wú)人化改造，使其具有自動(dòng)、遙控、手動(dòng)、檢修四種操作模式。其次對傳動(dòng)系統進(jìn)行改造，將行車(chē)原大、小車(chē)和主吊傳動(dòng)系統，由原有的定子串電阻調壓調速方式升級為變頻傳動(dòng)；主吊變頻傳動(dòng)運行閉環(huán)電流矢量控制算法或DTC直接轉矩控制算法，在重載型編碼器配合下可實(shí)現零速松閘或合閘，減少對制動(dòng)器、鋼絲繩的磨損，減少維護費用，延長(cháng)使用壽命；行車(chē)的大、小車(chē)變頻傳動(dòng)運行矢量化VF控制算法，實(shí)現大、小車(chē)啟動(dòng)停止更柔和，精確實(shí)現剎制動(dòng)，減少行車(chē)啟停時(shí)沖擊負載，減少行車(chē)輪對軌道的磨損，大大降低行車(chē)的故障率。

系統在改造升級過(guò)程中還將增加防碰撞模塊、夾鉗智能控制模塊、行車(chē)防搖控制系統、無(wú)線(xiàn)通訊系統以及行車(chē)信息顯示系統，確保行車(chē)自動(dòng)運行過(guò)程中的安全可靠。

3.2 WMS庫區管理系統

WMS庫區管理系統包含庫位管理、庫區自動(dòng)作業(yè)管理、行車(chē)調度、系統接口、人機交互客戶(hù)端以及遠程監控等功能。WMS庫區管理系統是無(wú)人行車(chē)的控制核心，部署在庫區內冗余服務(wù)器上，在系統發(fā)生故障的情況下能夠確保數據不丟失。

在無(wú)人行車(chē)控制室中布置相應的操作站，操作員在控制室操作站通過(guò)WMS的客戶(hù)端監控整個(gè)庫區的運行，客戶(hù)端包括庫區庫存圖形化顯示、用戶(hù)管理、設備智能配置、垛位鋼卷信息化管理、人工干預、應急處理等功能。

本系統提供圖形化界面，展示庫存、設備總體狀態(tài)、作業(yè)信息、統計信息、車(chē)輛信息等，如圖3所示。

圖3 總覽界面

此外，本系統還提供了對步進(jìn)梁信息預覽、步進(jìn)梁鞍座配置、庫存信息預警、車(chē)輛信息管理、電子圍欄信息管理、手自動(dòng)作業(yè)范圍配置等功能。

所有行車(chē)調度指令計劃（產(chǎn)出入庫，產(chǎn)線(xiàn)上料和退料，主動(dòng)倒垛，被動(dòng)倒垛，過(guò)跨車(chē)倒運，汽車(chē)裝卸，火車(chē)裝卸）的生成，根據預設作業(yè)調度優(yōu)先級、機組實(shí)時(shí)物料信息、實(shí)時(shí)行車(chē)信息、MES計劃和指令等，通過(guò)智能庫管調度模型生成最優(yōu)解的調度指令組，并對指令組中的指令按照優(yōu)先級進(jìn)行排序，派遣行車(chē)系統優(yōu)先完成優(yōu)先級較高的作業(yè)指令（如優(yōu)先保證機組上料、卸車(chē)等），自動(dòng)生成的調度指令組保證庫區內行車(chē)處于協(xié)同狀態(tài)，有序地完成庫區的各項業(yè)務(wù)，提高庫區內所屬設備的（行車(chē)、過(guò)跨車(chē)）作業(yè)效率，減少空車(chē)作業(yè)或等待。

本系統同時(shí)還包括車(chē)輛智能調度模塊和MES通訊接口模塊。

3.3 汽車(chē)/火車(chē)自動(dòng)裝卸系統

該子系統包括汽車(chē)裝/卸車(chē)系統和火車(chē)裝/卸車(chē)系統，實(shí)現對場(chǎng)內運輸工具的廣泛兼容。系統采用大視域三維掃描識別技術(shù)，得到鞍座/鋼卷表面點(diǎn)云和位置信息。庫區行車(chē)根據相關(guān)坐標實(shí)現自動(dòng)裝/卸車(chē)作業(yè)。

汽車(chē)自動(dòng)出/入庫：在每個(gè)汽車(chē)停車(chē)位上方布置一套三維云臺掃描系統，在停車(chē)位附近設置一臺司機操作終端。通過(guò)物流系統發(fā)送出/入庫計劃給無(wú)人行車(chē)庫管系統。汽車(chē)司機將汽車(chē)開(kāi)到出庫鋼卷所在跨的通道入口，庫管系統根據車(chē)牌號進(jìn)行放行。汽車(chē)停到位后，汽車(chē)司機下車(chē)到停車(chē)位邊上的機柜上按下汽車(chē)到達。停車(chē)位上方的三維掃描系統自動(dòng)掃描識別出汽車(chē)上的鞍座或鋼卷，庫管系統調度合適的行車(chē)進(jìn)行裝/卸車(chē)作業(yè)。裝/卸車(chē)完成后，機柜上顯示屏提示汽車(chē)司機裝/卸車(chē)完畢。汽車(chē)自動(dòng)出/入庫流程如圖4、圖5所示。

圖4 汽車(chē)自動(dòng)入庫流程

圖5 汽車(chē)自動(dòng)出庫流程

火車(chē)自動(dòng)出庫：行車(chē)上安裝高精度激光掃描儀，火車(chē)停好后，行車(chē)沿鐵軌移動(dòng)，生成火車(chē)鞍座/鋼卷的三維點(diǎn)云數據；通過(guò)物流系統發(fā)送出庫計劃給無(wú)人行車(chē)庫管系統，庫管系統調度合適的行車(chē)進(jìn)行裝車(chē)作業(yè)?？啥嗯_行車(chē)協(xié)調分段同時(shí)掃描和裝卸車(chē)，提升作業(yè)效率?；疖?chē)自動(dòng)出/入庫流程如圖6、圖7所示。

圖6 火車(chē)自動(dòng)入庫流程

圖7 火車(chē)自動(dòng)出庫流程

3.4 地面管理系統

地面管理系統包括地面安全保護系統和庫區視頻監控系統。地面安全保護系統實(shí)現整個(gè)庫區無(wú)人化運行的安全管理功能，包括地面安全圍欄和車(chē)輛防撞系統。

地面安全圍欄對地面鞍座和人工作業(yè)區進(jìn)行全封閉管理，考慮需要進(jìn)入庫區進(jìn)行清盤(pán)庫、清掃、檢查、打包等作業(yè)，為了減少行車(chē)與地面人工交叉作業(yè)的影響，確保作業(yè)安全，需要對現有庫區進(jìn)行分區改造，將現有庫區進(jìn)行隔離封閉分區。每個(gè)封閉庫區設置一套安全門(mén)，包括安全門(mén)鎖、RFID、操作按鈕盒等。當需要人員進(jìn)入庫區時(shí)，需人工通過(guò)按鈕、指示燈在地面安全系統的調度下進(jìn)出庫區。

車(chē)輛防撞系統，行車(chē)吊運鋼卷經(jīng)過(guò)通道時(shí)，容易發(fā)生鋼卷碰撞車(chē)輛的情況，針對這種情況，在汽車(chē)通道上方增設車(chē)輛防撞系統，實(shí)現汽車(chē)通道上指定高度的障礙物檢測和停車(chē)功能。如圖8所示。

圖8 車(chē)輛防碰撞

庫區視頻監控系統采用在庫區內安裝高清攝像頭，并在每臺行車(chē)上設置2套攝像頭對準夾鉗方向。便于在集控室內對夾鉗吊卷和行車(chē)運行動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。如圖9所示。

圖9 視頻監控系統示例

4 應用效果

科遠智慧承接了沙鋼集團揚子江冷軋廠(chǎng)原料庫行車(chē)無(wú)人化改造項目，該項目為沙鋼集團首套無(wú)人庫項目，冷軋原料庫整個(gè)庫區長(cháng)180m，寬80m，包括A、B兩跨庫區，共設置有5輛行車(chē)，其中A跨有2臺行車(chē)，B跨3臺行車(chē)。庫區設置兩套步進(jìn)梁機組上料、一套過(guò)跨臺車(chē)，涉及4個(gè)裝卸車(chē)位以及3600個(gè)左右的垛位。該庫機組效率要求高，節拍快。項目的最大難點(diǎn)是解決機組高速上料、突發(fā)情況下的退料、上料吊運效率問(wèn)題，需高效實(shí)現鋼卷的入庫、倒垛、過(guò)跨、上料作業(yè)。

自成功投運以來(lái)，減少庫區人員20名，大大減少人員費用支出、降低人員傷亡風(fēng)險。行車(chē)運行平穩，可實(shí)時(shí)監控行車(chē)關(guān)鍵部件運行狀態(tài)，對故障設備進(jìn)行針對性地報警指示，能夠大幅減少設備故障和維護人員故障排查處理時(shí)間，總體故障率減少55%以上，極大地提高了行車(chē)的使用壽命。五臺行車(chē)可同時(shí)吊卷，作業(yè)效率提升25%。合理規劃庫區，有效提升庫區容量近20%。原先燈火通明的庫區具備了全天候黑燈作業(yè)條件，可節約能耗成本達15%以上。提卷和落卷過(guò)程中輕拿輕放，鋼卷無(wú)損傷，杜絕剮蹭等質(zhì)量事故。庫區生產(chǎn)信息流更加暢通高效，構建生產(chǎn)實(shí)時(shí)監控及調度、全過(guò)程追溯體系。經(jīng)測算，項目投運3年即可收回成本，投資回報率高。

隨著(zhù)數智化時(shí)代的到來(lái)，無(wú)人行車(chē)及庫區調度系統可廣泛應用于鋼鐵、有色和港口物流等企業(yè)，推動(dòng)制造企業(yè)從生產(chǎn)、倉儲到物流全場(chǎng)景、輕載到重載全鏈條的智能化。

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年9月刊