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★南京科遠智慧科技集團股份有限公司，江蘇省熱工過程智能控制重點實驗室劉進波，楊孝豐

關鍵詞：板卷；無人行車；調度；防搖；格雷母線；三維掃描識別

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

1 現狀分析

行車是鋼鐵廠生產過程物料轉運的關鍵設備，傳統(tǒng)的行車需由行車工操控駕駛、引導員指引共同完成鋼卷的吊運，但庫區(qū)生產節(jié)奏快，工作環(huán)境較差，操作工崗位勞動強度大、責任要求高。人工作業(yè)往往導致庫區(qū)運行效率低，庫區(qū)底層生產、制造、管理過程中的大量生產、庫存等基礎信息缺少，導致管理與生產環(huán)節(jié)無法進行良好的雙向信息交互，產生信息孤島與斷層現象，制約生產效率。

板卷無人行車及庫區(qū)調度系統(tǒng)通過自動化、信息化、智能化等手段，實現了庫區(qū)設備的全自動運行控制，全面提升生產車間和庫區(qū)半成品、成品搬運效率，降低行車維修次數和產品損壞次數，庫區(qū)內行車多車協同作業(yè)，可有效提高庫區(qū)生產效率，降低生產成本，打造面向未來的全新綠色無人化倉庫。

科遠智慧板卷無人行車及庫區(qū)調度系統(tǒng)主要包含行車本體自動化控制系統(tǒng)、WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、汽車/火車自動裝卸系統(tǒng)、過跨車自動裝卸系統(tǒng)、步進梁控制系統(tǒng)、地面安全控制管理系統(tǒng)等，在WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)的集中調度下，通過大視域三維掃描識別技術、閉環(huán)電子防搖控制系統(tǒng)、格雷母線高精度定位系統(tǒng)等關鍵技術，實現板卷庫區(qū)內行車的智能裝卸車作業(yè)、出/入庫作業(yè)、上/下料等作業(yè)。

2 關鍵技術

2.1 多車協同智能調度系統(tǒng)

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

多車協同調度是指行車終端系統(tǒng)在等待作業(yè)指令和執(zhí)行作業(yè)指令過程中，行車中控系統(tǒng)實時協調、調度、監(jiān)控的過程。針對同跨多車之間產生作業(yè)沖突時，或者行車作業(yè)指令與地面移動設備（步進梁、過跨車）有關時，進行實時協調、調度、監(jiān)控，根據設備狀態(tài)實時控制行車動作。

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

該調度系統(tǒng)可以實現同時調度更多任務數，搬運距離更短、倒垛次數更少，滿足更快生產節(jié)奏的目標。大幅減少了被動讓車、緊急停車、任務延遲等狀況，實現了無人化“黑燈車間”的要求。

2.2 大視域三維掃描識別技術

為了解決板卷行車自動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(tǒng)，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題，克服了智能裝卸諸多核心技術難題。

系統(tǒng)使用激光掃描儀，搭配專用的伺服轉動云臺，從而實現從二維圖像到三維圖像的轉換，通過處理獲取的掃描空間范圍內表面點云集合，經過點云算法處理和點云聚類分割算法處理，最終得出掃描范圍內的物料表面點云和位置信息。

以三維點云圖像為數據基礎的系列算法實現了對板卷無人行車運行過程中面對的多類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為物體表面點云集合處理圖。

圖1 物體表面點云集合處理

2.3 閉環(huán)電子防搖控制系統(tǒng)

行車在行駛過程中吊物總是存在不可避免的搖擺，直接關系到無人行車系統(tǒng)的運行效率和安全性，電子防搖技術是無人行車系統(tǒng)的基礎關鍵技術，為此科遠智慧與東南大學一同深入研究該技術，取得了相關發(fā)明專利。同時還研發(fā)了欠驅動柔性牽引防搖定位耦合控制器，在欠驅動、大慣性、變繩長、復雜擾動條件下四軸聯動，實現了復雜搬運的快速消擺和精準定位。

本系統(tǒng)采用位置與角度雙閉環(huán)防搖，在大車、小車的加速、減速過程中，根據角度測量儀反饋的夾鉗擺動角度和當前行車實時位置信息，實時控制行車運行速度，實現行車吊物無搖擺的效果。搖擺角度測量說明如圖2所示。

圖2 搖擺角度測量說明

3 系統(tǒng)設計

板卷無人行車及庫區(qū)調度系統(tǒng)主要包含行車本體自動化控制系統(tǒng)、WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、汽車/火車自動裝卸系統(tǒng)、過跨車自動裝卸系統(tǒng)、步進梁控制系統(tǒng)、地面安全控制管理系統(tǒng)等，相關子系統(tǒng)介紹如下：

3.1 行車本體自動化控制系統(tǒng)

行車自動控制功能包括操作方式、行車本體自動控制系統(tǒng)、傳動控制系統(tǒng)、定位控制系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、吊具控制系統(tǒng)、防搖擺控制系統(tǒng)和數據系統(tǒng)等，實現行車無人駕駛、精準定位、自動吊放鋼卷等功能。本系統(tǒng)首先對所需升級的行車進行無人化改造，使其具有自動、遙控、手動、檢修四種操作模式。其次對傳動系統(tǒng)進行改造，將行車原大、小車和主吊傳動系統(tǒng)，由原有的定子串電阻調壓調速方式升級為變頻傳動；主吊變頻傳動運行閉環(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現零速松閘或合閘，減少對制動器、鋼絲繩的磨損，減少維護費用，延長使用壽命；行車的大、小車變頻傳動運行矢量化VF控制算法，實現大、小車啟動停止更柔和，精確實現剎制動，減少行車啟停時沖擊負載，減少行車輪對軌道的磨損，大大降低行車的故障率。

系統(tǒng)在改造升級過程中還將增加防碰撞模塊、夾鉗智能控制模塊、行車防搖控制系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)以及行車信息顯示系統(tǒng)，確保行車自動運行過程中的安全可靠。

3.2 WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)

WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)包含庫位管理、庫區(qū)自動作業(yè)管理、行車調度、系統(tǒng)接口、人機交互客戶端以及遠程監(jiān)控等功能。WMS庫區(qū)管理系統(tǒng)是無人行車的控制核心，部署在庫區(qū)內冗余服務器上，在系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下能夠確保數據不丟失。

在無人行車控制室中布置相應的操作站，操作員在控制室操作站通過WMS的客戶端監(jiān)控整個庫區(qū)的運行，客戶端包括庫區(qū)庫存圖形化顯示、用戶管理、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(tǒng)提供圖形化界面，展示庫存、設備總體狀態(tài)、作業(yè)信息、統(tǒng)計信息、車輛信息等，如圖3所示。

圖3 總覽界面

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

所有行車調度指令計劃（產出入庫，產線上料和退料，主動倒垛，被動倒垛，過跨車倒運，汽車裝卸，火車裝卸）的生成，根據預設作業(yè)調度優(yōu)先級、機組實時物料信息、實時行車信息、MES計劃和指令等，通過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)先級進行排序，派遣行車系統(tǒng)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、卸車等），自動生成的調度指令組保證庫區(qū)內行車處于協同狀態(tài)，有序地完成庫區(qū)的各項業(yè)務，提高庫區(qū)內所屬設備的（行車、過跨車）作業(yè)效率，減少空車作業(yè)或等待。

本系統(tǒng)同時還包括車輛智能調度模塊和MES通訊接口模塊。

3.3 汽車/火車自動裝卸系統(tǒng)

該子系統(tǒng)包括汽車裝/卸車系統(tǒng)和火車裝/卸車系統(tǒng)，實現對場內運輸工具的廣泛兼容。系統(tǒng)采用大視域三維掃描識別技術，得到鞍座/鋼卷表面點云和位置信息。庫區(qū)行車根據相關坐標實現自動裝/卸車作業(yè)。

汽車自動出/入庫：在每個汽車停車位上方布置一套三維云臺掃描系統(tǒng)，在停車位附近設置一臺司機操作終端。通過物流系統(tǒng)發(fā)送出/入庫計劃給無人行車庫管系統(tǒng)。汽車司機將汽車開到出庫鋼卷所在跨的通道入口，庫管系統(tǒng)根據車牌號進行放行。汽車停到位后，汽車司機下車到停車位邊上的機柜上按下汽車到達。停車位上方的三維掃描系統(tǒng)自動掃描識別出汽車上的鞍座或鋼卷，庫管系統(tǒng)調度合適的行車進行裝/卸車作業(yè)。裝/卸車完成后，機柜上顯示屏提示汽車司機裝/卸車完畢。汽車自動出/入庫流程如圖4、圖5所示。

圖4 汽車自動入庫流程

圖5 汽車自動出庫流程

火車自動出庫：行車上安裝高精度激光掃描儀，火車停好后，行車沿鐵軌移動，生成火車鞍座/鋼卷的三維點云數據；通過物流系統(tǒng)發(fā)送出庫計劃給無人行車庫管系統(tǒng)，庫管系統(tǒng)調度合適的行車進行裝車作業(yè)。可多臺行車協調分段同時掃描和裝卸車，提升作業(yè)效率。火車自動出/入庫流程如圖6、圖7所示。

圖6 火車自動入庫流程

圖7 火車自動出庫流程

3.4 地面管理系統(tǒng)

地面管理系統(tǒng)包括地面安全保護系統(tǒng)和庫區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。地面安全保護系統(tǒng)實現整個庫區(qū)無人化運行的安全管理功能，包括地面安全圍欄和車輛防撞系統(tǒng)。

地面安全圍欄對地面鞍座和人工作業(yè)區(qū)進行全封閉管理，考慮需要進入庫區(qū)進行清盤庫、清掃、檢查、打包等作業(yè)，為了減少行車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(qū)進行分區(qū)改造，將現有庫區(qū)進行隔離封閉分區(qū)。每個封閉庫區(qū)設置一套安全門，包括安全門鎖、RFID、操作按鈕盒等。當需要人員進入庫區(qū)時，需人工通過按鈕、指示燈在地面安全系統(tǒng)的調度下進出庫區(qū)。

車輛防撞系統(tǒng)，行車吊運鋼卷經過通道時，容易發(fā)生鋼卷碰撞車輛的情況，針對這種情況，在汽車通道上方增設車輛防撞系統(tǒng)，實現汽車通道上指定高度的障礙物檢測和停車功能。如圖8所示。

圖8 車輛防碰撞

庫區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用在庫區(qū)內安裝高清攝像頭，并在每臺行車上設置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運行動態(tài)進行實時監(jiān)控。如圖9所示。

圖9 視頻監(jiān)控系統(tǒng)示例

4 應用效果

科遠智慧承接了沙鋼集團揚子江冷軋廠原料庫行車無人化改造項目，該項目為沙鋼集團首套無人庫項目，冷軋原料庫整個庫區(qū)長180m，寬80m，包括A、B兩跨庫區(qū)，共設置有5輛行車，其中A跨有2臺行車，B跨3臺行車。庫區(qū)設置兩套步進梁機組上料、一套過跨臺車，涉及4個裝卸車位以及3600個左右的垛位。該庫機組效率要求高，節(jié)拍快。項目的最大難點是解決機組高速上料、突發(fā)情況下的退料、上料吊運效率問題，需高效實現鋼卷的入庫、倒垛、過跨、上料作業(yè)。

自成功投運以來，減少庫區(qū)人員20名，大大減少人員費用支出、降低人員傷亡風險。行車運行平穩(wěn)，可實時監(jiān)控行車關鍵部件運行狀態(tài)，對故障設備進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間，總體故障率減少55%以上，極大地提高了行車的使用壽命。五臺行車可同時吊卷，作業(yè)效率提升25%。合理規(guī)劃庫區(qū)，有效提升庫區(qū)容量近20%。原先燈火通明的庫區(qū)具備了全天候黑燈作業(yè)條件，可節(jié)約能耗成本達15%以上。提卷和落卷過程中輕拿輕放，鋼卷無損傷，杜絕剮蹭等質量事故。庫區(qū)生產信息流更加暢通高效，構建生產實時監(jiān)控及調度、全過程追溯體系。經測算，項目投運3年即可收回成本，投資回報率高。

隨著數智化時代的到來，無人行車及庫區(qū)調度系統(tǒng)可廣泛應用于鋼鐵、有色和港口物流等企業(yè)，推動制造企業(yè)從生產、倉儲到物流全場景、輕載到重載全鏈條的智能化。

摘自《自動化博覽》2022年9月刊