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科技强国!北科大填补该领域技术空白!
来源: | 作者:pmod84a71 | 发布时间: 2023-05-16 | 1198 次浏览 | 分享到:

习近平总书记在党的二十大报告中强调:推动战略性新兴产业融合集群发展,构建新一代信息技术、人工智能、生物技术、新能源、新材料、高端装备、绿色环保等一批新的增长引擎。钢铁工业是国民经济的支柱产业之一,加快钢铁工业的智能制造技术升级,实现信息化和工业化深度融合,将为钢铁行业带来新一轮的变革和创新驱动,是钢铁企业发展的必然趋势。2022年,工业和信息化部、发展改革委、生态环境部等三部委发布了《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》(工信部联原〔2022〕6号)提出“鼓励企业大力推进智慧物流,探索新一代信息技术在生产和营销各环节的应用,不断提高效率、降低成本”,将推动钢铁行业智慧物流建设上升到国家战略的高度。

长期以来,轧钢车间的库区管理一直采用传统的作业方式,存在着自动化水平低、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等问题。这些问题严重制约了轧钢产线智能化升级的进程。近年来,国内外研究机构逐步实现了针对带卷的智能无人化管控技术,而在占钢铁产能45%的长材领域,受困于天车定位控制精度、过程安全以及库区运行效率等系列难题,该技术的成功应用仍未突破。

为解决长材智能无人库技术的瓶颈问题,北京科技大学王晓晨研究员团队联合9家合作单位,通过理论分析、技术研发、系统集成与工业实践,*终形成了“长材(棒线材)库区智能化管控关键技术及装备”,并成功完成棒材、高线平面智能无人库的首创示范应用,填补该领域技术空白相关成果获2022年冶金科学技术一等奖,授权发明专利16件、计算机软件著作权14项,发表论文17篇。

寻本溯源,对症求解

人在自然环境中完成操作动作需要依靠眼睛、大脑和手脚,分别实现感知、思考和执行功能。自20世纪70年代第三次工业革命以来,随着控制理论的发展,依托位置、位移、速度、力能等各类传感器技术,以及液压压下、电气传动等高精度执行机构技术的发展,再通过以工业PLC为代表的核心控制系统进行“思考”,实现工业自动化。然而,在许多复杂的工业环境中,不仅难以实现自感知、自决策、自执行替代人工操作,而且人的干预操作仍需贯穿每一次执行动作始终。这是由于机器系统仍然存在“眼睛看不到”、“大脑决策不清”和“手脚执行不准”的局限,不得不依赖人去“补位”。

项目团队通过对包括卷材、棒材、线材的十余条不同类型产线的库区环境、吊运精度、运行效率等多方面细致调查与分析,发现长材库区存在以下两个显著特点:首先,库区密集多层码放,导致物料形变与位移,使得定位变得困难,易导致钢材重心偏离吊具而发生吊运过程的掉落事故;其次,库位变动、自动装卸车、多车作业与高节奏生产,对库管调度系统要求极为苛刻。因此,实现长材库区智能无人化管控,必须突破认知与方法局限,构建符合长材库区特点的感知重构、精准定位与调度决策成套技术体系。


图1 长材吊运的定位控制难点

创新驱动模式变革

针对长材智能无人库研发所面对的技术难点,团队十年如一日,探索与研发针对性解决方案。首先,针对长材库区视场大、物料密集码放、易挤压形变的特点,自主研制了基于机器视觉的长材库区环境感知与三维重构技术,实现高精度瞬态扫描;基于此,创新开发了基于机器视觉库位物料识别的精准定位控制技术,实现在库区复杂工业环境下“眼睛”(机器视觉)与“手脚”(定位控制)的完美融合,并进一步自主开发运行过程吊具防摆控制、多段路径协同过渡控制、四轴联动控制以及多车动态防撞控制等关键技术,实现长材库区的高效率、高稳定性吊运控制。

为了实现长材库区复杂时空约束条件下生产、物流系统的高效、协同运行,团队研发了基于多智能体的库区物流优化调度技术,根据动态的生产任务、发货计划以及多种设备的实时状态进行调度策略动态优化,降低倒垛次数,减少平均吊运距离,形成了会思考的“库区智慧大脑”。在此基础上,进一步集成工业5G网络、基于视觉AI的库区安全监控等关键技术,完成了长材库区智能无人化成套技术及装备的开发与建设。


图2 项目研究技术路线

依托项目研究成果,团队成功完成了国内首套棒材和高线平面无人库的示范应用,实现长材库区7*24小时的全无人自动下线、转运、汽车装运、火车装运等功能,整个库区仅需要1~2人远程监控,解决了传统库区模式下繁重恶劣环境人工操作问题,显著提升库区运行效率,并通过突破库区生产瓶颈,有效释放了产能。全部或部分技术已相继推广至国内宝武马钢、粤裕丰钢铁、新余钢铁、鞍钢、首钢迁钢、涟钢等多家大中型钢铁企业生产及物流库区,平均每年创造经济效益达5亿元。


图3 高线与棒材智能无人库区

该项目的成功实施,实现了智能无人化管控技术在环境工况复杂且精度要求极高的长材库区的应用突破,从十年前带卷智能库技术依赖国外引进,转变为如今长材智能库技术的国产化引领,为国内大量长材生产企业提供了亟需的关键技术,有力支撑长材智能工厂信息流断点贯通、跨工序跨业务协同管控以及少人化、高效化技术升级。更为关键的是,对轧钢安全生产和职业健康保障做出积极贡献,工作人员从恶劣工作环境与繁重体力劳动中解放出来,成长为智能工厂模式下的新型技术人才。


图4 高线库区应用实例

路虽远,行则将至

事虽难,做则可成

他们目光锐利探寻问题

精准求解突破困局

酷暑中滴水的衣服,严寒中冻僵的双手

他们没有向艰苦的环境低头

技术开发时的绊脚石,设备调试时的拦路虎

他们没有向屡次碰壁屈服

他们执着的不仅是一次技术突破

更致力于守护是一线工作者的生命安全

保障行业智能化转型之路

北科大,始终引领钢铁行业技术发展前沿

严谨务实,将科研做在祖国大地上

为行业创造价值,与企业共同成长!

本文来自“北京科技大学官微”。