科技強國！北科大填補該領域技術空白！
習近平總書記在黨的二十大報告中強調(diào)：推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)融合集群發(fā)展，構建新一代信息技術、人工智能、生物技術、新能源、新材料、高端裝備、綠色環(huán)保等一批新的增長引擎。鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，加快鋼鐵工業(yè)的智能制造技術升級，實現(xiàn)信息化和工業(yè)化深度融合，將為鋼鐵行業(yè)帶來新一輪的變革和創(chuàng)新驅動，是鋼鐵企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。2022年，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、生態(tài)環(huán)境部等三部委發(fā)布了《關于促進鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展的指導意見》（工信部聯(lián)原〔2022〕6號）提出“鼓勵企業(yè)大力推進智慧物流，探索新一代信息技術在生產(chǎn)和營銷各環(huán)節(jié)的應用，不斷提高效率、降低成本”，將推動鋼鐵行業(yè)智慧物流建設上升到國家戰(zhàn)略的高度。
長期以來，軋鋼車間的庫區(qū)管理一直采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，存在著自動化水平低、勞動定員多、操作環(huán)境惡劣、安全生產(chǎn)和職業(yè)健康風險高、作業(yè)規(guī)范化和生產(chǎn)效率低等問題。這些問題嚴重制約了軋鋼產(chǎn)線智能化升級的進程。近年來，國內(nèi)外研究機構逐步實現(xiàn)了針對帶卷的智能無人化管控技術，而在占鋼鐵產(chǎn)能45%的長材領域，受困于天車定位控制精度、過程安全以及庫區(qū)運行效率等系列難題，該技術的成功應用仍未突破。
為解決長材智能無人庫技術的瓶頸問題，北京科技大學王曉晨研究員團隊聯(lián)合9家合作單位，通過理論分析、技術研發(fā)、系統(tǒng)集成與工業(yè)實踐，最終形成了“長材(棒線材)庫區(qū)智能化管控關鍵技術及裝備”，并成功完成棒材、高線平面智能無人庫的首創(chuàng)示范應用，填補該領域技術空白。相關成果獲2022年冶金科學技術一等獎，授權發(fā)明專利16件、計算機軟件著作權14項，發(fā)表論文17篇。
尋本溯源，對癥求解
人在自然環(huán)境中完成操作動作需要依靠眼睛、大腦和手腳，分別實現(xiàn)感知、思考和執(zhí)行功能。自20世紀70年代第三次工業(yè)革命以來，隨著控制理論的發(fā)展，依托位置、位移、速度、力能等各類傳感器技術，以及液壓壓下、電氣傳動等高精度執(zhí)行機構技術的發(fā)展，再通過以工業(yè)PLC為代表的核心控制系統(tǒng)進行“思考”，實現(xiàn)工業(yè)自動化。然而，在許多復雜的工業(yè)環(huán)境中，不僅難以實現(xiàn)自感知、自決策、自執(zhí)行替代人工操作，而且人的干預操作仍需貫穿每一次執(zhí)行動作始終。這是由于機器系統(tǒng)仍然存在“眼睛看不到”、“大腦決策不清”和“手腳執(zhí)行不準”的局限，不得不依賴人去“補位”。
項目團隊通過對包括卷材、棒材、線材的十余條不同類型產(chǎn)線的庫區(qū)環(huán)境、吊運精度、運行效率等多方面細致調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)長材庫區(qū)存在以下兩個顯著特點：首先，庫區(qū)密集多層碼放，導致物料形變與位移，使得定位變得困難，易導致鋼材重心偏離吊具而發(fā)生吊運過程的掉落事故；其次，庫位變動、自動裝卸車、多車作業(yè)與高節(jié)奏生產(chǎn)，對庫管調(diào)度系統(tǒng)要求極為苛刻。因此，實現(xiàn)長材庫區(qū)智能無人化管控，必須突破認知與方法局限，構建符合長材庫區(qū)特點的感知重構、精準定位與調(diào)度決策成套技術體系。
圖1 長材吊運的定位控制難點
創(chuàng)新驅動模式變革
針對長材智能無人庫研發(fā)所面對的技術難點，團隊十年如一日，探索與研發(fā)針對性解決方案。首先，針對長材庫區(qū)視場大、物料密集碼放、易擠壓形變的特點，自主研制了基于機器視覺的長材庫區(qū)環(huán)境感知與三維重構技術，實現(xiàn)高精度瞬態(tài)掃描；基于此，創(chuàng)新開發(fā)了基于機器視覺庫位物料識別的精準定位控制技術，實現(xiàn)在庫區(qū)復雜工業(yè)環(huán)境下“眼睛”（機器視覺）與“手腳”（定位控制）的完美融合，并進一步自主開發(fā)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，實現(xiàn)長材庫區(qū)的高效率、高穩(wěn)定性吊運控制。
為了實現(xiàn)長材庫區(qū)復雜時空約束條件下生產(chǎn)、物流系統(tǒng)的高效、協(xié)同運行，團隊研發(fā)了基于多智能體的庫區(qū)物流優(yōu)化調(diào)度技術，根據(jù)動態(tài)的生產(chǎn)任務、發(fā)貨計劃以及多種設備的實時狀態(tài)進行調(diào)度策略動態(tài)優(yōu)化，降低倒垛次數(shù)，減少平均吊運距離，形成了會思考的“庫區(qū)智慧大腦”。在此基礎上，進一步集成工業(yè)5G網(wǎng)絡、基于視覺AI的庫區(qū)安全監(jiān)控等關鍵技術，完成了長材庫區(qū)智能無人化成套技術及裝備的開發(fā)與建設。
圖2 項目研究技術路線
依托項目研究成果，團隊成功完成了國內(nèi)首套棒材和高線平面無人庫的示范應用，實現(xiàn)長材庫區(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，顯著提升庫區(qū)運行效率，并通過突破庫區(qū)生產(chǎn)瓶頸，有效釋放了產(chǎn)能。全部或部分技術已相繼推廣至國內(nèi)寶武馬鋼、粵裕豐鋼鐵、新余鋼鐵、鞍鋼、首鋼遷鋼、漣鋼等多家大中型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)及物流庫區(qū)，平均每年創(chuàng)造經(jīng)濟效益達5億元。
圖3 高線與棒材智能無人庫區(qū)
該項目的成功實施，實現(xiàn)了智能無人化管控技術在環(huán)境工況復雜且精度要求極高的長材庫區(qū)的應用突破，從十年前帶卷智能庫技術依賴國外引進，轉變?yōu)槿缃耖L材智能庫技術的國產(chǎn)化引領，為國內(nèi)大量長材生產(chǎn)企業(yè)提供了亟需的關鍵技術，有力支撐長材智能工廠信息流斷點貫通、跨工序跨業(yè)務協(xié)同管控以及少人化、高效化技術升級。更為關鍵的是，對軋鋼安全生產(chǎn)和職業(yè)健康保障做出積極貢獻，工作人員從惡劣工作環(huán)境與繁重體力勞動中解放出來，成長為智能工廠模式下的新型技術人才。
圖4 高線庫區(qū)應用實例
路雖遠，行則將至
事雖難，做則可成
他們目光銳利探尋問題
精準求解突破困局
酷暑中滴水的衣服，嚴寒中凍僵的雙手
他們沒有向艱苦的環(huán)境低頭
技術開發(fā)時的絆腳石，設備調(diào)試時的攔路虎
他們沒有向屢次碰壁屈服
他們執(zhí)著的不僅是一次技術突破
更致力于守護是一線工作者的生命安全
保障行業(yè)智能化轉型之路
北科大，始終引領鋼鐵行業(yè)技術發(fā)展前沿
嚴謹務實，將科研做在祖國大地上
為行業(yè)創(chuàng)造價值，與企業(yè)共同成長！