一、研究的背景與問題
目前，在國內(nèi)外鋼鐵制造廠，高溫液態(tài)鐵水從高爐到煉鋼主要通過鐵路進行運輸，采用機車牽引混鐵車（TPC）或鐵水包的方式。傳統(tǒng)鐵水運輸方式需要人工下達運輸指令，人工按照指令辦理鐵路進路，司機駕駛機車拖掛鐵水車的方式進行鐵水運輸，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，同時采用燃油動力的機車高能耗、高排放。用智能化手段進行轉(zhuǎn)型升級，搭建滿足綠色環(huán)保、智能感知需求的智慧鐵水運輸系統(tǒng)已成為必然。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
智能鐵水運輸SmartHIT系統(tǒng)從運輸指令的自動產(chǎn)生、進路的自動辦理、道口的自動開放、新型電動力鐵水運輸車的無人自動駕駛等多方面共同協(xié)作，解決鋼鐵企業(yè)鐵路方式運輸高溫液態(tài)鐵水的上述問題。系統(tǒng)平臺采用了中國寶武寶聯(lián)登xIn3Plat工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，構(gòu)建云邊端一體化的全場景生產(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（靈巧魚雷車）和SmartRail（智能鐵路）兩部分組成。SmartTPC是一種全新智能、綠色、高效型魚雷車，該技術(shù)為全球首創(chuàng)，它采用超級電容供電，自帶驅(qū)動無需機車牽引，具備無人駕駛功能，可實現(xiàn)“滿罐即走”的極致效率鐵水運輸模式，有效減少鐵水降溫和燃油消耗。SmartRail作為整個系統(tǒng)的核心和指揮中樞，采用中國寶武的寶聯(lián)登xIn3Plat工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過綠色驅(qū)動、智能感知、數(shù)字軌道、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)全自動進路、全行程行車安全防護、全自動充電、全自動加揭保溫蓋、全場景設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及全流程管控，對鐵路線路、道口和工位點進行安全感知，實現(xiàn)對SmartTPC的安全控制和高效運行。通過鐵水運輸自動排程、智能進路規(guī)劃及自動開放、車地聯(lián)控、行車安全防護等，可按照“火車時刻表”精細化模式組織生產(chǎn)，減少空罐在高爐下的等待時間，構(gòu)建了“罐空即配、滿罐即走、到站即用”的極致鐵水運輸效率，實現(xiàn)了鐵水運輸作業(yè)無人化、智能化。
三、主要創(chuàng)新性成果
項目基于對大軸重冶金車輛動力轉(zhuǎn)向架、新能源電力驅(qū)動和無人駕駛控制技術(shù)的研究，自主開發(fā)了純電力自驅(qū)無人駕駛靈巧魚雷車，實現(xiàn)魚雷車無人駕駛、自動加揭保溫蓋的功能，開創(chuàng)了鋼鐵行業(yè)鐵水運輸“滿罐即走”的高效運行模式。創(chuàng)新性研發(fā)SmartRail智能鐵路系統(tǒng)，開發(fā)基于視覺感知的全自動智能道口安全防護功能，與無人駕駛靈巧魚雷車進行聯(lián)動控制，實現(xiàn)道口的安全高效通行。本項目獲發(fā)明專利17項、軟件著作權(quán)7項。經(jīng)委托中國科學院上?？萍疾樾伦稍冎行牟樾?，本項目綜合技術(shù)達到國際先進水平。主要有以下4個方面的創(chuàng)新點：
1、開發(fā)了全新的智能、綠色、高效的純電力自驅(qū)無人駕駛靈巧魚雷車，采用超級電容供電，自帶驅(qū)動無需機車牽引，具備無人駕駛功能，可實現(xiàn)“滿罐即走”的極致效率鐵水運輸模式，有效減少鐵水降溫和燃油消耗。 （1）設(shè)計了自帶動力驅(qū)動的靈巧魚雷車：通過開發(fā)大軸重冶金車輛動力轉(zhuǎn)向架，增加超級電容、電機、減速機、氣制動和控制系統(tǒng)等設(shè)備，使混鐵車具備自驅(qū)式運行功能，自帶驅(qū)動無需機車牽引，是一種全新智能、綠色、高效型魚雷車。 （2）開發(fā)了靈巧魚雷車無人駕駛系統(tǒng)：考慮不同載重狀態(tài)下車輛性能不同，控制器結(jié)合當前狀態(tài)計算并下發(fā)控制量，達到高效，穩(wěn)定和準確的控制效果。在自動控制防護方面，通過多反饋系統(tǒng)避免車輪空轉(zhuǎn)、滑行、抱死現(xiàn)象產(chǎn)生，確保了穩(wěn)定運行。在高精度定位方面，實現(xiàn)廠外定位精度±500mm，高爐、煉鋼工位點對位精度±50mm。 （3）開發(fā)了靈巧魚雷車自動加蓋控制系統(tǒng)：實現(xiàn)了根據(jù)高爐生產(chǎn)預(yù)報自動開蓋、煉鋼倒鐵前自動開蓋、堵口罐的自動加蓋，相較于業(yè)內(nèi)在工位點外開蓋的普遍做法，最大化實現(xiàn)了加蓋的保溫效果。
圖2 SmartTPC(無人駕駛靈巧魚雷車)
2、創(chuàng)新開發(fā)了鐵水運輸智能調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)工位點生產(chǎn)狀態(tài)、煉鋼鐵水需求及煉鐵出鐵預(yù)報信息，結(jié)合靈巧魚雷車的實時定位，自動匹配重罐調(diào)度模型、空罐調(diào)度模型，實現(xiàn)了靈巧魚雷車的智能調(diào)度，運輸指令自動生成，解決了人工下達運輸指令時無法準確知道魚雷車位置，無法及時獲取現(xiàn)場生產(chǎn)信息（基本靠與現(xiàn)場電話溝通），調(diào)度水平參差不齊的問題，改變了原有人工編制、人工下達作業(yè)指令方式，降低了調(diào)度崗位人員勞動強度，提升了運輸調(diào)度管控水平。
圖3 智能調(diào)度系統(tǒng)
3、率先開發(fā)了鐵水運輸智能進路系統(tǒng)，包括智能規(guī)劃模型、智能開放模型和智能沖突模型等功能，按起點終點一次規(guī)劃、分段開放方式，實時判斷前方線路安全、根據(jù)靈巧魚雷車位置移動逐步開放下一段進路、根據(jù)設(shè)備故障等異常實時調(diào)整線路規(guī)劃、提前預(yù)判多車線路規(guī)劃，根據(jù)多車位置實時解決潛在沖突、允許靈巧魚雷車間以安全運行的最小間隔動態(tài)調(diào)整，從而大大提高行車密度，在業(yè)務(wù)最繁忙的時候，支撐了655米直線距離，同時有5輛靈巧魚雷車正常作業(yè)的極致效率。徹底解決了傳統(tǒng)的進路開放崗位人工辦理進路、人工與司機協(xié)同解決沖突的問題。
圖4 智能進路系統(tǒng)
4、率先開發(fā)了智能道口控制系統(tǒng)，根據(jù)靈巧魚雷車位置及車速提前控制道口封閉，在靈巧魚雷車通過鐵路道口過程中，通過靈巧魚雷車位置預(yù)報、道口警報、對道口封閉區(qū)間的人員、車輛等目標進行實時監(jiān)測和精準識別，檢測結(jié)果與靈巧魚雷車無人駕駛控制系統(tǒng)進行聯(lián)動，發(fā)現(xiàn)異常自動緊急停車，確保靈巧魚雷車高速安全通過道口。
同時，與運輸指令的協(xié)同，解決了工位點外的道口封閉無法提前預(yù)警；通過道口后折返車輛需要兩次封閉道口影響公路通行和鐵水運輸效率；未經(jīng)過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；多個道口聯(lián)動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)最繁忙的時候，實現(xiàn)了3分鐘內(nèi)2輛靈巧魚雷車先后通過道口，道口多次開放、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輸SmartHIT系統(tǒng)于2022年1月上線運行，項目投用以來，運行穩(wěn)定，截至2024年12月，鐵水魚雷車周轉(zhuǎn)率提高至6.5次/天，鐵水溫降降低至102℃，帶來鐵鋼界面效率的顯著提升，平均每年可降低成本約2693萬元，可減少標準煤消耗約5000噸，減少二氧化碳排放約12900噸。實現(xiàn)鋼鐵廠鐵水的清潔運輸、智慧運輸，引領(lǐng)冶金企業(yè)鐵路運輸技術(shù)變革，提供了數(shù)字化轉(zhuǎn)型的典型示范效應(yīng)，具有較大推廣價值。
圖6 寶鋼股份智能鐵水運輸運行控制中心
信息來源：寶山鋼鐵股份有限公司
