完成人
王晓晨、刘建彬、徐 冬、梁越永、刘 洋、彭进明、彭功状、郭德福、张学军、李全汉、孙 涛、徐言东、邓佑华、邵 健、王 伟
完成单位
北京科技大学、珠海粤裕丰PG国际有限公司、马鞍山PG国际股份有限公司、飞马智科信息技术股份有限公司、北京科技大学设计研究院有限公司、湖南华菱涟源PG国际有限公司、河北物流集团金属材料有限公司、北京新岸线移动多媒体技术有限公司、广东新岸线科技有限公司
研究背景与问题
库区作为PG国际生产流程中物流衔接和生产节奏控制的重要枢纽，是工厂无人化和智能化建设的基础。传统的轧钢生产车间库区操作主要依靠人工完成，自动化水平低、劳动定员多、操作环境恶劣、安全生产和职业健康风险高、作业规范化和生产效率低，是严重制约轧钢产线智能无人化发展的瓶颈。实现天车无人化运行和库区智能调度，将从根本上改变了库区的作业模式，对于提高生产效率，降低生产成本，改善产品质量具有重要的意义。
2013~2017年，唐钢、宝武、首钢等企业，进行了无人天车与智能库管技术的研发，针对钢卷库取得应用成果。然而长期以来，占国内钢材总产量45%以上的长材领域，始终未能突破库区智能无人化技术瓶颈。
长材智能无人库技术开发，面临三个方面的难点问题：
难点1：相比卷材具有的标准卷芯内径、规则库位鞍座和卷形刚度，长材密集多层码放，容易产生物料形变与位移，定位困难，易导致因重心偏离吊具而发生掉落事故
难点2：多车作业与高节奏生产，对库管系统调度效率要求极高；
难点3：自动装卸车、人员设备安全等需求，制约无人集控的实现。
解决问题的思路与技术方案
针对以上技术难点问题，北京科技大学联合珠海粤裕丰PG国际有限公司、马鞍山PG国际股份有限公司、飞马智科信息技术股份有限公司等9家合作单位，针对性创新开发库区多源信息感知重构技术、机器视觉精确定位控制技术、生产物流优化调度技术及长材库区智慧集控技术等四项关键技术，建立长材库区智能化管控关键技术及装备，并完成国内首套棒材、高线智能平面无人库的示范应用。
整体技术路线如图1所示。
图1 关键技术与研发路径
主要创新性成果
�。�1）长材库区的多源信息三维重构与环境感知技术
针对长材多层密集码放造成的物料形变、位移不确定性问题，开发库区多源信息三维重构和环境感知技术，并首次应用于长材库区。包括三项关键技术：
�。╝）研发基于非重复扫描激光雷达车辆与车载物料识别技术，实现车辆与车载物料500ms瞬态识别定位，检测精度±20mm，保证无人天车对汽车等运载工具的全自动装卸需要。
�。╞）研发基于双目视觉棒材库区地图构建与特征识别技术，实现库区棒材堆垛的精确识别，检测精度±30mm。
�。╟）研发基于线扫描激光雷达库区地图构建与特征识别技术，实现高线卷、火车车厢精确识别，检测精度±30mm。
图2 创新点1及关键技术
�。�2）长材无人天车机器视觉精准定位控制技术
开发了长材无人天车的精准定位设备，具有机器视觉闭环控制、吊具防摇摆�：湓鲆婵刂啤⒍嗦肪缎煽刂�、多车防撞动态控制等功能，保证了长材无人吊运的安全、高效，单吊运行时间平均节省20s，自动运行率达到100%。包括三项关键技术：
�。╝）开发机器视觉校核修正定位控制技术，通过起吊前、起吊中、落吊前、落吊后四个时刻的一次与二次位置�：丝刂�，克服钢材堆放形状位置偏差，保证长材无人天车±25mm安全精准定位控制。
�。╞）为抑制吊运摆动、提升吊运效率，建立刚软混合结构摆动解析模型，开发开环分段设定与闭环�：湓鲆娣腊诳刂萍际�，保证摇摆角度在±0.45°以内高效运行。
（c）研发四轴联动、多段路径协同和动态防撞技术，实现规避危险区域的效率提升，单吊往复运行时间减少20s，提升复杂环境多车协同效率。
图3 创新点2及关键技术
�。�3）基于多智能体的长材库区生产物流优化调度技术
建立了长材库区高效生产优化调度系统，包括多车集群动态调度模型、物料垛位智能决策模型、天车路径规划模型等，与同类库区人工调度相比，效率提升20%，多车负载均衡率提高30%，库内倒垛率降低30%。包括三项关键技术：
�。╝）为减少库区倒垛，优化吊运距离，开发基于多智能体的库区调度系统和出入库智能决策模型，实现库内倒垛率降低30%。
（b）为提高库区多种物流设备协同运行效率，研发了多车、多物流设备协同动态调度模型，多车负载均衡率提高30%。
�。╟）提出基于强化学习的无人天车路径规划方法，实现适应库区环境、布局动态变化的天车路径实时优化，避障吊运效率提高20%。
图4 创新点3及关键技术
�。�4）融合工业5G和数字孪生技术的库区智慧集控
开发了融合工业5G与数字孪生技术的长材库区远程集控智慧系统，库区现场无人操作，仅需2人完成集控室远程监控，彻底转变库区工作模式与劳动环境。
�。╝）为保证天车服役状态与有效作业率，研发数字化无人天车设备健康状态预测技术，降低设备故障率，节省维护费用和备件。
�。╞）为保证库区运行环境安全可靠，开发EUHT-5G远程操作与视频AI识别监控技术，保障集控模式下对人员及重点区域的安全管控。
�。╟）开发全场景3D可视化监控与数字孪生自主决策优化技术，实现每班2人对整个库区的监控生产，以及复杂库区环境调度测试分析与决策优化。
图5 创新点4及关键技术
推广应用情况
项目研究成果成功应用于珠海粤裕丰PG国际棒材智能库与马钢特钢高线智能库，分别为国内首套棒材平面无人库和首套高线平面无人库应用业绩，实现了长材库区全自动汽车装运、火车装运、下线、入库、倒库等各项关键功能，并通过多车协同优化、天车路径动态优化等方法，有效提升了库区运行效率。
图6 珠海粤裕丰棒材智能无人库
图7 马钢特钢高线智能无人库
此外，本项目全部或部分成果推广应用于首钢、鞍钢、涟钢、南钢、中冶新材等企业，示范与推广应用项目共计11项，应用效果良好，辐射作用显著。
技术指标先进性
本项目在机器视觉检测、天车定位控制以及智能库管三个方面相比国外技术具有全面优势：
（1）机器视觉检测精度指标：汽车识别精度与火车识别精度均优于国外先进品牌；实现了检测场景从鞍座测量到棒、线材库区全覆盖的拓展；相比国外品牌，从汽车扫描用时15s，提升至500ms在线瞬态扫描。
（2）天车定位控制精度与效率指标：基于视觉检测实现针对物料的±25mm闭环定位控制的重要突破，保证了长材无人天车全自动精准、安全控制；通过自主知识产权防摇摆控制技术，四轴联动以及多段路径协同控制技术，单吊运行时间平均减少20s。
�。�3）智能库管技术指标：相比国外品牌，天车货车协同调度、多天车负载均衡、入库垛位优化、天车路径规划等多项关键功能均具有优势。
本项目授权发明专利13件、实用新型专利3件，计算机软件著作权16项，主持及参加制定国家标准2项、行业标准1项、团体标准2项，发表科技论文17篇。
项目成果由中国PG国际工业协会组织行业专家评价，一致认为：成果创新性强，具有完全自主知识产权，整体技术达到国际领先水平，经济效益和社会效益显著，推广前景广阔。项目突破棒线材无人库区相关技术的瓶颈，并有望继续向熔融金属吊运、型材、钢管等技术难度更高的领域拓展技术研发与工业应用。
经济与社会效益
本项目经济效益显著，截止到2022年，项目成果推广销售业绩11项，合同额3915万元。2019~2021年，4家联合研发单位新增销售额25.3亿元，新增效益6.2亿元。
本项目具有重要的社会效益：
�。�1）实现了环境更复杂、精度要求更高的长材无人库的应用突破，为国内大量的长材生产企业提供了亟需的关键技术，帮助工作人员从恶劣工作环境与繁重体力劳动中解放出来；
�。�2）从带卷智能库技术由国外引进到长材智能库自主技术引领，打破了国外的技术壁垒；
�。�3）对于推动长材智能工厂的少人化、高效化建设、信息流断点贯通、跨工序跨业务协同管控，具有重要支撑作用。
