一、研究的背景與問(wèn)題
目前，在國(guó)內(nèi)外鋼鐵制造廠，高溫液態(tài)鐵水從高爐到煉鋼主要通過(guò)鐵路進(jìn)行運(yùn)輸，采用機(jī)車(chē)牽引混鐵車(chē)（TPC）或鐵水包的方式。傳統(tǒng)鐵水運(yùn)輸方式需要人工下達(dá)運(yùn)輸指令，人工按照指令辦理鐵路進(jìn)路，司機(jī)駕駛機(jī)車(chē)拖掛鐵水車(chē)的方式進(jìn)行鐵水運(yùn)輸，這種方式生產(chǎn)作業(yè)效率低，鐵水罐周轉(zhuǎn)率（鐵水罐每天運(yùn)送鐵水的次數(shù)）低，鐵水溫降（鐵水從高爐到煉鋼的溫度差）損失大，同時(shí)采用燃油動(dòng)力的機(jī)車(chē)高能耗、高排放。用智能化手段進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，搭建滿足綠色環(huán)保、智能感知需求的智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)已成為必然。
二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案
智能鐵水運(yùn)輸SmartHIT系統(tǒng)從運(yùn)輸指令的自動(dòng)產(chǎn)生、進(jìn)路的自動(dòng)辦理、道口的自動(dòng)開(kāi)放、新型電動(dòng)力鐵水運(yùn)輸車(chē)的無(wú)人自動(dòng)駕駛等多方面共同協(xié)作，解決鋼鐵企業(yè)鐵路方式運(yùn)輸高溫液態(tài)鐵水的上述問(wèn)題。系統(tǒng)平臺(tái)采用了中國(guó)寶武寶聯(lián)登xIn3Plat工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，構(gòu)建云邊端一體化的全場(chǎng)景生產(chǎn)管控系統(tǒng),系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
系統(tǒng)主要由SmartTPC（靈巧魚(yú)雷車(chē)）和SmartRail（智能鐵路）兩部分組成。SmartTPC是一種全新智能、綠色、高效型魚(yú)雷車(chē)，該技術(shù)為全球首創(chuàng)，它采用超級(jí)電容供電，自帶驅(qū)動(dòng)無(wú)需機(jī)車(chē)牽引，具備無(wú)人駕駛功能，可實(shí)現(xiàn)“滿罐即走”的極致效率鐵水運(yùn)輸模式，有效減少鐵水降溫和燃油消耗。SmartRail作為整個(gè)系統(tǒng)的核心和指揮中樞，采用中國(guó)寶武的寶聯(lián)登xIn3Plat工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，通過(guò)綠色驅(qū)動(dòng)、智能感知、數(shù)字軌道、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)進(jìn)路、全行程行車(chē)安全防護(hù)、全自動(dòng)充電、全自動(dòng)加揭保溫蓋、全場(chǎng)景設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及全流程管控，對(duì)鐵路線路、道口和工位點(diǎn)進(jìn)行安全感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)SmartTPC的安全控制和高效運(yùn)行。通過(guò)鐵水運(yùn)輸自動(dòng)排程、智能進(jìn)路規(guī)劃及自動(dòng)開(kāi)放、車(chē)地聯(lián)控、行車(chē)安全防護(hù)等，可按照“火車(chē)時(shí)刻表”精細(xì)化模式組織生產(chǎn)，減少空罐在高爐下的等待時(shí)間，構(gòu)建了“罐空即配、滿罐即走、到站即用”的極致鐵水運(yùn)輸效率，實(shí)現(xiàn)了鐵水運(yùn)輸作業(yè)無(wú)人化、智能化。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
項(xiàng)目基于對(duì)大軸重冶金車(chē)輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架、新能源電力驅(qū)動(dòng)和無(wú)人駕駛控制技術(shù)的研究，自主開(kāi)發(fā)了純電力自驅(qū)無(wú)人駕駛靈巧魚(yú)雷車(chē)，實(shí)現(xiàn)魚(yú)雷車(chē)無(wú)人駕駛、自動(dòng)加揭保溫蓋的功能，開(kāi)創(chuàng)了鋼鐵行業(yè)鐵水運(yùn)輸“滿罐即走”的高效運(yùn)行模式。創(chuàng)新性研發(fā)SmartRail智能鐵路系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)基于視覺(jué)感知的全自動(dòng)智能道口安全防護(hù)功能，與無(wú)人駕駛靈巧魚(yú)雷車(chē)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)道口的安全高效通行。本項(xiàng)目獲發(fā)明專(zhuān)利17項(xiàng)、軟件著作權(quán)7項(xiàng)。經(jīng)委托中國(guó)科學(xué)院上?？萍疾樾伦稍?xún)中心查新，本項(xiàng)目綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。主要有以下4個(gè)方面的創(chuàng)新點(diǎn)：
1、開(kāi)發(fā)了全新的智能、綠色、高效的純電力自驅(qū)無(wú)人駕駛靈巧魚(yú)雷車(chē)，采用超級(jí)電容供電，自帶驅(qū)動(dòng)無(wú)需機(jī)車(chē)牽引，具備無(wú)人駕駛功能，可實(shí)現(xiàn)“滿罐即走”的極致效率鐵水運(yùn)輸模式，有效減少鐵水降溫和燃油消耗。 （1）設(shè)計(jì)了自帶動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的靈巧魚(yú)雷車(chē)：通過(guò)開(kāi)發(fā)大軸重冶金車(chē)輛動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，增加超級(jí)電容、電機(jī)、減速機(jī)、氣制動(dòng)和控制系統(tǒng)等設(shè)備，使混鐵車(chē)具備自驅(qū)式運(yùn)行功能，自帶驅(qū)動(dòng)無(wú)需機(jī)車(chē)牽引，是一種全新智能、綠色、高效型魚(yú)雷車(chē)。 （2）開(kāi)發(fā)了靈巧魚(yú)雷車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)：考慮不同載重狀態(tài)下車(chē)輛性能不同，控制器結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)計(jì)算并下發(fā)控制量，達(dá)到高效，穩(wěn)定和準(zhǔn)確的控制效果。在自動(dòng)控制防護(hù)方面，通過(guò)多反饋系統(tǒng)避免車(chē)輪空轉(zhuǎn)、滑行、抱死現(xiàn)象產(chǎn)生，確保了穩(wěn)定運(yùn)行。在高精度定位方面，實(shí)現(xiàn)廠外定位精度±500mm，高爐、煉鋼工位點(diǎn)對(duì)位精度±50mm。 （3）開(kāi)發(fā)了靈巧魚(yú)雷車(chē)自動(dòng)加蓋控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)了根據(jù)高爐生產(chǎn)預(yù)報(bào)自動(dòng)開(kāi)蓋、煉鋼倒鐵前自動(dòng)開(kāi)蓋、堵口罐的自動(dòng)加蓋，相較于業(yè)內(nèi)在工位點(diǎn)外開(kāi)蓋的普遍做法，最大化實(shí)現(xiàn)了加蓋的保溫效果。
圖2 SmartTPC(無(wú)人駕駛靈巧魚(yú)雷車(chē))
2、創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了鐵水運(yùn)輸智能調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)工位點(diǎn)生產(chǎn)狀態(tài)、煉鋼鐵水需求及煉鐵出鐵預(yù)報(bào)信息，結(jié)合靈巧魚(yú)雷車(chē)的實(shí)時(shí)定位，自動(dòng)匹配重罐調(diào)度模型、空罐調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)了靈巧魚(yú)雷車(chē)的智能調(diào)度，運(yùn)輸指令自動(dòng)生成，解決了人工下達(dá)運(yùn)輸指令時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確知道魚(yú)雷車(chē)位置，無(wú)法及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息（基本靠與現(xiàn)場(chǎng)電話溝通），調(diào)度水平參差不齊的問(wèn)題，改變了原有人工編制、人工下達(dá)作業(yè)指令方式，降低了調(diào)度崗位人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了運(yùn)輸調(diào)度管控水平。
圖3 智能調(diào)度系統(tǒng)
3、率先開(kāi)發(fā)了鐵水運(yùn)輸智能進(jìn)路系統(tǒng)，包括智能規(guī)劃模型、智能開(kāi)放模型和智能沖突模型等功能，按起點(diǎn)終點(diǎn)一次規(guī)劃、分段開(kāi)放方式，實(shí)時(shí)判斷前方線路安全、根據(jù)靈巧魚(yú)雷車(chē)位置移動(dòng)逐步開(kāi)放下一段進(jìn)路、根據(jù)設(shè)備故障等異常實(shí)時(shí)調(diào)整線路規(guī)劃、提前預(yù)判多車(chē)線路規(guī)劃，根據(jù)多車(chē)位置實(shí)時(shí)解決潛在沖突、允許靈巧魚(yú)雷車(chē)間以安全運(yùn)行的最小間隔動(dòng)態(tài)調(diào)整，從而大大提高行車(chē)密度，在業(yè)務(wù)最繁忙的時(shí)候，支撐了655米直線距離，同時(shí)有5輛靈巧魚(yú)雷車(chē)正常作業(yè)的極致效率。徹底解決了傳統(tǒng)的進(jìn)路開(kāi)放崗位人工辦理進(jìn)路、人工與司機(jī)協(xié)同解決沖突的問(wèn)題。
圖4 智能進(jìn)路系統(tǒng)
4、率先開(kāi)發(fā)了智能道口控制系統(tǒng)，根據(jù)靈巧魚(yú)雷車(chē)位置及車(chē)速提前控制道口封閉，在靈巧魚(yú)雷車(chē)通過(guò)鐵路道口過(guò)程中，通過(guò)靈巧魚(yú)雷車(chē)位置預(yù)報(bào)、道口警報(bào)、對(duì)道口封閉區(qū)間的人員、車(chē)輛等目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)識(shí)別，檢測(cè)結(jié)果與靈巧魚(yú)雷車(chē)無(wú)人駕駛控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)異常自動(dòng)緊急停車(chē)，確保靈巧魚(yú)雷車(chē)高速安全通過(guò)道口。
同時(shí)，與運(yùn)輸指令的協(xié)同，解決了工位點(diǎn)外的道口封閉無(wú)法提前預(yù)警；通過(guò)道口后折返車(chē)輛需要兩次封閉道口影響公路通行和鐵水運(yùn)輸效率；未經(jīng)過(guò)道口折返但是靠近道口仍需要封閉道口；日常封閉偶爾使用的常閉道口安全檢測(cè)；多個(gè)道口聯(lián)動(dòng)控制等一系列道口智能控制難題，提高道口的道路通行效率，在業(yè)務(wù)最繁忙的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)了3分鐘內(nèi)2輛靈巧魚(yú)雷車(chē)先后通過(guò)道口，道口多次開(kāi)放、封閉的高效通行控制。
圖5 智能道口控制系統(tǒng)
四、應(yīng)用情況與效果
寶鋼股份寶山基地智能鐵水運(yùn)輸SmartHIT系統(tǒng)于2022年1月上線運(yùn)行，項(xiàng)目投用以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，截至2024年12月，鐵水魚(yú)雷車(chē)周轉(zhuǎn)率提高至6.5次/天，鐵水溫降降低至102℃，帶來(lái)鐵鋼界面效率的顯著提升，平均每年可降低成本約2693萬(wàn)元，可減少標(biāo)準(zhǔn)煤消耗約5000噸，減少二氧化碳排放約12900噸。實(shí)現(xiàn)鋼鐵廠鐵水的清潔運(yùn)輸、智慧運(yùn)輸，引領(lǐng)冶金企業(yè)鐵路運(yùn)輸技術(shù)變革，提供了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的典型示范效應(yīng)，具有較大推廣價(jià)值。
圖6 寶鋼股份智能鐵水運(yùn)輸運(yùn)行控制中心
信息來(lái)源：寶山鋼鐵股份有限公司
