一、研究的背景與問題
鋼鐵工業(yè)作為國民經濟的支柱產業(yè)之一，戰(zhàn)略地位至關重要。利用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、云計算及移動互聯(lián)網等信息化和智能化手段，促進鋼鐵企業(yè)因地制宜地升級成為智能型企業(yè)，成為鋼鐵行業(yè)技術創(chuàng)新發(fā)展的重要方向。
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(xiàn)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。
2013~2018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，占鋼鐵總產量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。
實現(xiàn)長材無人吊運，電磁吊具是最為通用的方式。但是棒線材難以嚴格按垛位碼放，并且容易發(fā)生滾動移位，此時按照鋼卷庫的庫位定位方式，容易由于定位精度不足產生鋼材重心在吊具邊緣之外的“虛吊”現(xiàn)象，從而導致起吊失敗或者吊運過程中的鋼材掉落事故。因此，需要開展針對長材無人天車吊運的關鍵技術攻關。另一方面，智能庫管系統(tǒng)應能夠適應長材吊運特點，對庫位變化有自動調整適應的能力，并且應滿足大型物流庫對天車、地面物流設備、發(fā)運設備等的全局動態(tài)優(yōu)化調度需求；同時，針對物流庫區(qū)的廠內倒運與存儲轉運銷售功能，需要滿足無人操作條件下的全自動卸車、自動裝車需求，并能實現(xiàn)與生產、銷售系統(tǒng)的對接協(xié)同。
為此，北京科技大學工程技術研究院（以下簡稱“北科工研”）針對棒線材庫區(qū)，創(chuàng)新開發(fā)了以庫區(qū)環(huán)境感知與三維重構、機器視覺與天車控制深度融合、庫區(qū)多智能體協(xié)同優(yōu)化的智能庫管調度、庫區(qū)集控與智能工廠協(xié)同優(yōu)化為標志性的第二代無人天車與智能庫管技術，并實現(xiàn)針對棒材智能庫與高線智能庫的首創(chuàng)示范應用。
二、解決問題的思路與技術方案
對長材智能庫區(qū)所面對的技術難點，本方案從長材庫區(qū)感知重構技術與設備、機器視覺精確定位控制技術與設備、庫區(qū)生產物流優(yōu)化調度模型、長材庫區(qū)智慧集控系統(tǒng)幾方面入手，建立了整套的長材庫區(qū)智能化管控技術與裝備，如圖1所示。
圖1 總體研究方案
1、長材庫區(qū)多源信息三維重構與環(huán)境感知技術
針對冶金長材庫區(qū)視場大、庫區(qū)物料密集碼放、運載工具多樣的特點及問題，開發(fā)了車輛與車載物料識別、庫區(qū)地圖構建與特征識別技術，實現(xiàn)了長材庫區(qū)棒材、高線卷、運輸車輛以及車載物料的精確定位，為無人天車精準控制提供了全面準確的物料空間位置信息。
（1）基于非重復掃描的車輛與車載物料識別。搭建了基于非重復掃描的固定式檢測系統(tǒng)，研發(fā)了基于概率密度的車輛特征識別模型、基于投影降維柵格化特征的棒材位置外形識別模型以及基于主成分方向降維圓形擬合的線卷位置識別模型，實現(xiàn)對汽車等運載工具以及車載貨物的準確識別。
（2）基于雙目視覺的棒材庫區(qū)地圖構建與特征識別。提出了基于雙目立體視覺的棒材庫區(qū)三維檢測模型、基于視覺與慣性信息的棒材庫區(qū)圖像多位姿測量模型，以及基于降維柵格均值曲率特征的棒材位置識別模型，實現(xiàn)了對棒材庫區(qū)內棒材捆堆垛的準確識別。
（3）基于線掃描的高線庫區(qū)地圖構建與特征識別。提出了動態(tài)掃描三維點云地圖構建模型、高線庫區(qū)線卷點云分割模型，實現(xiàn)了對高線庫區(qū)內高線卷垛位的準確識別。
2、融合機器視覺庫位識別的無人天車精準定位控制技術
針對長材吊運過程所面對的定位精度要求高、易擠壓形變、易位置變化以及吊運穩(wěn)定性要求高等特點，創(chuàng)新開發(fā)了基于機器視覺庫位識別的精準定位控制、運行過程吊具防擺控制、多段路徑協(xié)同過渡控制、四軸聯(lián)動控制以及多車動態(tài)防撞控制等關鍵技術，突破了長材無人天車技術瓶頸，實現(xiàn)長材智能庫區(qū)的高效率、高穩(wěn)定性無故障運行。
（1）基于機器視覺庫位識別的精準定位控制。建立基于機器視覺庫位識別的精準、安全定位控制技術，在整個定位控制過程中，實現(xiàn)基于庫管目標與掃描修正的起吊一次+二次定位控制、基于稱重與掃描校核的起吊稱重+位置校核控制、基于庫管目標與掃描修正的落吊一次+二次定位控制、基于視覺掃描的落吊位置校核控制。
（2）運行過程吊具防搖擺控制技術。建立防搖擺開環(huán)速度設定控制與閉環(huán)加速度控制模型，通過設置起止位置之間多段速度曲線，并根據(jù)實測的天車晃動角度、天車實際位置及速度等信息，實時調整天車加速度，保持吊具擺動在一定限幅范圍內。
圖2 防搖擺控制系統(tǒng)
（3）四軸聯(lián)動與多段路徑協(xié)同控制技術。通過開發(fā)大車、小車、起升、旋轉四軸聯(lián)動控制技術以及多段路徑協(xié)同過渡控制技術，實現(xiàn)起吊、落吊以及規(guī)避危險區(qū)域過程的協(xié)同優(yōu)化作業(yè)，有效縮短天車運行時間，提高庫區(qū)整體運行效率。
3、基于多智能體的庫區(qū)物流高效優(yōu)化調度技術
考慮復雜時空約束的條件下對多種物流設備進行協(xié)同調度，建立了基于多智能體的庫區(qū)物流高效生產優(yōu)化調度技術，同時在調度過程中根據(jù)動態(tài)的生產任務、發(fā)貨計劃以及多種設備的實時狀態(tài)進行調度策略的動態(tài)更新。
圖3 智能庫管系統(tǒng)功能架構
（1）基于多車協(xié)同優(yōu)化的天車動態(tài)調度模型。建立多任務多天車集群調度模型，考慮多種發(fā)運設備與天車協(xié)同工作，并實現(xiàn)針對設備狀態(tài)變化擾動的天車動態(tài)調度，提升庫區(qū)天車運行效率。
（2）庫區(qū)出入庫垛位智能優(yōu)化模型。綜合考慮庫區(qū)實時庫存情況、生產計劃、發(fā)運計劃、吊運能力等因素，建立物料入庫、出庫垛位智能決策模型，減少庫區(qū)倒垛量、降低垛位不規(guī)整程度、減少物流等待時間、提高庫區(qū)工作效率。
（3）無人庫區(qū)天車路徑動態(tài)優(yōu)化模型。針對鋼廠實際庫區(qū)環(huán)境復雜、布局動態(tài)變化等問題，開發(fā)基于強化學習的無人天車路徑規(guī)劃模型，通過與環(huán)境的實時交互和自主感知，解決無人天車在復雜庫區(qū)地圖和不確定性環(huán)境中的路徑規(guī)劃問題。
4、基于數(shù)字孿生與工業(yè)5G的長材智能庫區(qū)集控
開發(fā)了基于庫區(qū)運行關鍵要素的數(shù)字孿生與集群調度仿真系統(tǒng)、庫區(qū)物流設計及分析優(yōu)化、面向在線控制與監(jiān)控的工業(yè)5G網絡、基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控等關鍵技術，構建了以庫區(qū)現(xiàn)場無人化運行，物流設備高效協(xié)同運轉，遠程集中可視化、數(shù)字化監(jiān)控為特點的長材庫區(qū)智慧集控新模式。
（1）集群式一體化庫區(qū)智慧集控中心。采用集中、扁平化操控模式，實現(xiàn)庫內調度管理、設備點檢和收發(fā)貨的實時集中監(jiān)控，集中、快速處置現(xiàn)場異常和故障，精簡融合現(xiàn)場操作崗位，提升多專業(yè)協(xié)同工作效率。
（2）基于庫區(qū)運行關鍵要素的數(shù)字孿生建模與分析系統(tǒng)。使用數(shù)字孿生技術將庫區(qū)場景真實展現(xiàn)，通過生產數(shù)據(jù)實時驅動3D場景，將生產操作、工藝技術與管理人員關心的信息及時、準確、一目了然地呈現(xiàn)給相應人員，提高庫區(qū)執(zhí)行、工藝分析與管理決策的實施效率。
（3）面向在線控制與監(jiān)控的5G網絡技術。結合新一代5G網絡技術，實現(xiàn)高線庫區(qū)的5G信號全覆蓋，運用5G低時延、大帶寬的特點實現(xiàn)監(jiān)控視頻、3D點云數(shù)據(jù)、PLC信號的無線、高可靠傳輸，完成車載與地面通訊以保證天車無人駕駛需求。
（4）基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控。利用人工智能識別技術通過監(jiān)控終端+智能AI終端，完成庫區(qū)智能監(jiān)管與異常自動記錄，進行預警提示與快速查閱。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、長材庫區(qū)多源信息三維重構與環(huán)境感知技術與設備。針對冶金長材庫區(qū)視場大、庫區(qū)物料密集碼放、運載工具多樣的特點及問題，開發(fā)了基于非重復掃描的車輛與車載物料識別、基于雙目視覺的棒材庫區(qū)地圖構建與特征識別、基于線掃描的高線庫區(qū)地圖構建與特征識別等關鍵技術，實現(xiàn)了長材庫區(qū)棒材、高線卷、運輸車輛以及車載物料的精確定位，完成了對整個庫區(qū)的數(shù)字化重構與精準感知。
2、無人天車機器視覺庫位識別技術和安全精準控制設備。針對長材無人天車吊運過程存在的易擠壓形變、易位置變化、定位精度要求高以及吊運穩(wěn)定性要求高等特點，創(chuàng)新開發(fā)了基于機器視覺庫位識別的精準定位控制、基于模糊變增益控制的吊具防搖擺控制、多段路徑協(xié)同過渡控制、四軸聯(lián)動控制以及多車動態(tài)防撞控制等關鍵技術，突破了長材無人天車定位控制技術瓶頸，保證智能庫區(qū)的高效率、高穩(wěn)定安全運行。
3、基于多智能體的庫區(qū)物流高效生產調度優(yōu)化。針對長材庫區(qū)多天車及地面設備協(xié)同交互、垛位位置動態(tài)變化、物料出入庫倒垛頻繁、庫區(qū)環(huán)境復雜多變等特點，建立了復雜時空約束下基于多車協(xié)同優(yōu)化的天車集群動態(tài)調度模型、基于多目標優(yōu)化的物料出入庫垛位智能決策模型、基于強化學習的天車路徑規(guī)劃模型，實現(xiàn)了天車工作效率、庫區(qū)倒垛量、物流節(jié)奏等指標的全面優(yōu)化。
4、融合工業(yè)5G和數(shù)字孿生技術的庫區(qū)智慧集控。針對長材智能庫區(qū)遠程集控建設需求，開發(fā)了基于庫區(qū)運行關鍵要素的數(shù)字孿生與集群調度仿真系統(tǒng)、庫區(qū)物流設計及分析優(yōu)化、面向在線控制與監(jiān)控的工業(yè)5G網絡、基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控等關鍵技術，構建了以庫區(qū)現(xiàn)場無人化運行，物流設備高效協(xié)同運轉，遠程集中可視化、數(shù)字化監(jiān)控為特點的長材庫區(qū)智慧集控新模式。
四、應用情況與效果
該成果在珠?；浽ＸS鋼鐵有限公司棒材智能庫、馬鞍山鋼鐵股份有限公司特鋼高線智能庫（飛馬智科信息技術股份有限公司合作開發(fā)）及河北物流集團棒線材多功能物流庫進行了示范應用，實現(xiàn)了長材庫區(qū)鋼材全無人自動吊運，以及高效穩(wěn)定智能協(xié)同調度。2021年6月完成了整體上線運行，實現(xiàn)了國內首套棒材無人庫和首套高線無人庫的成功應用業(yè)績，順利完成庫區(qū)7*24小時的全無人自動下線轉運、汽車裝運、火車裝運等功能，整個庫區(qū)僅需要1~2人遠程監(jiān)控，解決了傳統(tǒng)庫區(qū)模式下繁重惡劣環(huán)境人工操作問題，顯著提高庫區(qū)運行效率，并通過突破庫區(qū)生產瓶頸有效釋放產能。
圖4 棒材智能無人庫
圖5 高線智能無人庫
