完成人
王曉晨、劉建彬、徐 冬、梁越永、劉 洋、彭進明、彭功狀、郭德福、張學軍、李全漢、孫 濤、徐言東、鄧佑華、邵 健、王 偉
完成單位
北京科技大學、珠海粵裕豐鋼鐵有限公司、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、飛馬智科信息技術股份有限公司、北京科技大學設計研究院有限公司、湖南華菱漣源鋼鐵有限公司、河北物流集團金屬材料有限公司、北京新岸線移動多媒體技術有限公司、廣東新岸線科技有限公司
研究背景與問題
庫區作為鋼鐵生產流程中物流銜接和生產節奏控制的重要樞紐，是工廠無人化和智能化建設的基礎。傳統的軋鋼生產車間庫區操作主要依靠人工完成，自動化水平低、勞動定員多、操作環境惡劣、安全生產和職業健康風險高、作業規范化和生產效率低，是嚴重制約軋鋼產線智能無人化發展的瓶頸。實現天車無人化運行和庫區智能調度，將從根本上改變了庫區的作業模式，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。
2013~2017年，唐鋼、寶武、首鋼等企業，進行了無人天車與智能庫管技術的研發，針對鋼卷庫取得應用成果。然而長期以來，占國內鋼材總產量45%以上的長材領域，始終未能突破庫區智能無人化技術瓶頸。
長材智能無人庫技術開發，面臨三個方面的難點問題：
難點1：相比卷材具有的標準卷芯內徑、規則庫位鞍座和卷形剛度，長材密集多層碼放，容易產生物料形變與位移，定位困難，易導致因重心偏離吊具而發生掉落事故
難點2：多車作業與高節奏生產，對庫管系統調度效率要求極高；
難點3：自動裝卸車、人員設備安全等需求，制約無人集控的實現。
解決問題的思路與技術方案
針對以上技術難點問題，北京科技大學聯合珠海粵裕豐鋼鐵有限公司、馬鞍山鋼鐵股份有限公司、飛馬智科信息技術股份有限公司等9家合作單位，針對性創新開發庫區多源信息感知重構技術、機器視覺精確定位控制技術、生產物流優化調度技術及長材庫區智慧集控技術等四項關鍵技術，建立長材庫區智能化管控關鍵技術及裝備，并完成國內首套棒材、高線智能平面無人庫的示范應用。
整體技術路線如圖1所示。
圖1 關鍵技術與研發路徑
主要創新性成果
（1）長材庫區的多源信息三維重構與環境感知技術
針對長材多層密集碼放造成的物料形變、位移不確定性問題，開發庫區多源信息三維重構和環境感知技術，并首次應用于長材庫區。包括三項關鍵技術：
（a）研發基于非重復掃描激光雷達車輛與車載物料識別技術，實現車輛與車載物料500ms瞬態識別定位，檢測精度±20mm，保證無人天車對汽車等運載工具的全自動裝卸需要。
（b）研發基于雙目視覺棒材庫區地圖構建與特征識別技術，實現庫區棒材堆垛的精確識別，檢測精度±30mm。
（c）研發基于線掃描激光雷達庫區地圖構建與特征識別技術，實現高線卷、火車車廂精確識別，檢測精度±30mm。
圖2 創新點1及關鍵技術
（2）長材無人天車機器視覺精準定位控制技術
開發了長材無人天車的精準定位設備，具有機器視覺閉環控制、吊具防搖擺模糊變增益控制、多路徑協同過渡控制、多車防撞動態控制等功能，保證了長材無人吊運的安全、高效，單吊運行時間平均節省20s，自動運行率達到100%。包括三項關鍵技術：
（a）開發機器視覺校核修正定位控制技術，通過起吊前、起吊中、落吊前、落吊后四個時刻的一次與二次位置校核控制，克服鋼材堆放形狀位置偏差，保證長材無人天車±25mm安全精準定位控制。
（b）為抑制吊運擺動、提升吊運效率，建立剛軟混合結構擺動解析模型，開發開環分段設定與閉環模糊變增益防擺控制技術，保證搖擺角度在±0.45°以內高效運行。
（c）研發四軸聯動、多段路徑協同和動態防撞技術，實現規避危險區域的效率提升，單吊往復運行時間減少20s，提升復雜環境多車協同效率。
圖3 創新點2及關鍵技術
（3）基于多智能體的長材庫區生產物流優化調度技術
建立了長材庫區高效生產優化調度系統，包括多車集群動態調度模型、物料垛位智能決策模型、天車路徑規劃模型等，與同類庫區人工調度相比，效率提升20%，多車負載均衡率提高30%，庫內倒垛率降低30%。包括三項關鍵技術：
（a）為減少庫區倒垛，優化吊運距離，開發基于多智能體的庫區調度系統和出入庫智能決策模型，實現庫內倒垛率降低30%。
（b）為提高庫區多種物流設備協同運行效率，研發了多車、多物流設備協同動態調度模型，多車負載均衡率提高30%。
（c）提出基于強化學習的無人天車路徑規劃方法，實現適應庫區環境、布局動態變化的天車路徑實時優化，避障吊運效率提高20%。
圖4 創新點3及關鍵技術
（4）融合工業5G和數字孿生技術的庫區智慧集控
開發了融合工業5G與數字孿生技術的長材庫區遠程集控智慧系統，庫區現場無人操作，僅需2人完成集控室遠程監控，徹底轉變庫區工作模式與勞動環境。
（a）為保證天車服役狀態與有效作業率，研發數字化無人天車設備健康狀態預測技術，降低設備故障率，節省維護費用和備件。
（b）為保證庫區運行環境安全可靠，開發EUHT-5G遠程操作與視頻AI識別監控技術，保障集控模式下對人員及重點區域的安全管控。
（c）開發全場景3D可視化監控與數字孿生自主決策優化技術，實現每班2人對整個庫區的監控生產，以及復雜庫區環境調度測試分析與決策優化。
圖5 創新點4及關鍵技術
推廣應用情況
項目研究成果成功應用于珠海粵裕豐鋼鐵棒材智能庫與馬鋼特鋼高線智能庫，分別為國內首套棒材平面無人庫和首套高線平面無人庫應用業績，實現了長材庫區全自動汽車裝運、火車裝運、下線、入庫、倒庫等各項關鍵功能，并通過多車協同優化、天車路徑動態優化等方法，有效提升了庫區運行效率。
圖6 珠海粵裕豐棒材智能無人庫
圖7 馬鋼特鋼高線智能無人庫
此外，本項目全部或部分成果推廣應用于首鋼、鞍鋼、漣鋼、南鋼、中冶新材等企業，示范與推廣應用項目共計11項，應用效果良好，輻射作用顯著。
技術指標先進性
本項目在機器視覺檢測、天車定位控制以及智能庫管三個方面相比國外技術具有全面優勢：
（1）機器視覺檢測精度指標：汽車識別精度與火車識別精度均優于國外先進品牌；實現了檢測場景從鞍座測量到棒、線材庫區全覆蓋的拓展；相比國外品牌，從汽車掃描用時15s，提升至500ms在線瞬態掃描。
（2）天車定位控制精度與效率指標：基于視覺檢測實現針對物料的±25mm閉環定位控制的重要突破，保證了長材無人天車全自動精準、安全控制；通過自主知識產權防搖擺控制技術，四軸聯動以及多段路徑協同控制技術，單吊運行時間平均減少20s。
（3）智能庫管技術指標：相比國外品牌，天車貨車協同調度、多天車負載均衡、入庫垛位優化、天車路徑規劃等多項關鍵功能均具有優勢。
本項目授權發明專利13件、實用新型專利3件，計算機軟件著作權16項，主持及參加制定國家標準2項、行業標準1項、團體標準2項，發表科技論文17篇。
項目成果由中國鋼鐵工業協會組織行業專家評價，一致認為：成果創新性強，具有完全自主知識產權，整體技術達到國際領先水平，經濟效益和社會效益顯著，推廣前景廣闊。項目突破棒線材無人庫區相關技術的瓶頸，并有望繼續向熔融金屬吊運、型材、鋼管等技術難度更高的領域拓展技術研發與工業應用。
經濟與社會效益
本項目經濟效益顯著，截止到2022年，項目成果推廣銷售業績11項，合同額3915萬元。2019~2021年，4家聯合研發單位新增銷售額25.3億元，新增效益6.2億元。
本項目具有重要的社會效益：
（1）實現了環境更復雜、精度要求更高的長材無人庫的應用突破，為國內大量的長材生產企業提供了亟需的關鍵技術，幫助工作人員從惡劣工作環境與繁重體力勞動中解放出來；
（2）從帶卷智能庫技術由國外引進到長材智能庫自主技術引領，打破了國外的技術壁壘；
（3）對于推動長材智能工廠的少人化、高效化建設、信息流斷點貫通、跨工序跨業務協同管控，具有重要支撐作用。
