王 飛

（上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠， 江蘇 南京 210039）

0 引言

近年來，隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，智能物流、智能制造、設(shè)備智能運(yùn)維等場景對起重機(jī)智能化的需求迅速增加，一鍵煉鋼、無人車間、黑燈工廠等行業(yè)變革更是將上述領(lǐng)域智能化起重機(jī)的需求推向高潮，起重機(jī)制造商競相研發(fā)智能化技術(shù)，根據(jù)客戶需求提供了多種不同應(yīng)用場合的智能化起重機(jī)。然而，起重機(jī)智能化運(yùn)行的效率、穩(wěn)定性尚未滿足客戶預(yù)期，可靠性、可用性、可維修性和安全性尚有較大欠缺，甚至連續(xù)發(fā)生多次停產(chǎn)故障或傷亡事故，對起重機(jī)智能化技術(shù)的推廣產(chǎn)生了重大負(fù)面影響。

鑄造起重機(jī)是鋼廠吊運(yùn)液態(tài)熔融金屬的關(guān)鍵設(shè)備，工作環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生事故，將造成非常嚴(yán)重的危害。提高鑄造起重機(jī)智能化水平，可極大地降低勞動強(qiáng)度、提升生產(chǎn)安全性、優(yōu)化煉鋼工藝步驟之間的銜接程度、提高生產(chǎn)效率[1]。

研究智能化起重機(jī)的工程案例發(fā)現(xiàn)，智能化吊具、防搖擺與精確定位、路徑規(guī)劃與障礙物避讓、無線傳輸和視頻監(jiān)控等所謂智能化技術(shù)，包括智能化運(yùn)行的管理、調(diào)度和監(jiān)控等三大系統(tǒng)，全部是解決自動化運(yùn)行的技術(shù)，只能代替人的操作實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動運(yùn)行，尚不能代替人對起重機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行自動感知、自我分析、自主決策和自動執(zhí)行等，如操作者發(fā)現(xiàn)溜鉤需緊急制動、出現(xiàn)異響需檢查傳動鏈或啃軌等感知與決策行為，特別是軟件崩潰、信息傳遞延遲或中斷等故障，導(dǎo)致起重機(jī)在無操控狀態(tài)下自由運(yùn)行，從而造成人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等嚴(yán)重?fù)p害。因此，本文以鑄造起重機(jī)智能化實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，研究基于多源信息融合的鑄造起重機(jī)的智能感知和智能監(jiān)測。

1 智能感知

要實(shí)現(xiàn)鑄造起重機(jī)的自動巡航、自動掛鉤及自動坐包等運(yùn)行，必須提升智能感知和智能監(jiān)測的可靠性。智能感知是通過限位開關(guān)、編碼器、紅外雷達(dá)、微波雷達(dá)和激光雷達(dá)等硬件設(shè)備，借助視覺識別、數(shù)字孿生等前沿技術(shù)，映射到數(shù)字世界，再將這些數(shù)字信息進(jìn)一步提升至可認(rèn)知的層次[2]。

煉鋼廠環(huán)境條件惡劣復(fù)雜，溫度高、光線差、粉塵多，通過多種感知手段反饋回來的信息可能一致，也可能不一致。得到這樣的多種信息該如何分析處理，是困擾安全生產(chǎn)運(yùn)行的一大難題。

工業(yè)5G 專網(wǎng)作為主傳輸網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)WiFi 作為備份，采用5G 和工業(yè)WiFi 自動切換的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，充分保證了煉鋼車間惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)程操作的安全，確?？刂坪蜖顟B(tài)信號、實(shí)時視頻監(jiān)控圖像的高質(zhì)量、低時延穩(wěn)定傳輸。

通過在煉鋼車間廠房兩端各部署一個5G 網(wǎng)絡(luò)AAU 微基站，煉鋼車間實(shí)現(xiàn)了5G 信號全覆蓋。每臺起重機(jī)上分別部署2 個工業(yè)CPE 終端，CPE 通過網(wǎng)線接入車載AR 交換機(jī)，車載AR 交換機(jī)與起重機(jī)控制系統(tǒng)核心交換機(jī)連接。每個CPE 終端對應(yīng)1 個AAU，通過5G 網(wǎng)絡(luò)的雙發(fā)選收技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通訊信號冗余傳輸。

5G 網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)WiFi 均進(jìn)入AR 交換機(jī)輸入端口，AR 交換機(jī)輸出端口連接至起重機(jī)控制核心交換機(jī)。AR 交換機(jī)默認(rèn)采用5G 網(wǎng)絡(luò)端口進(jìn)行信號傳輸，工業(yè)WiFi 端口默認(rèn)為阻塞狀態(tài)。AR 交換機(jī)實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)檢測到5G 網(wǎng)絡(luò)端口信號傳輸中斷且延時時間超過設(shè)定的閾值時，會自動關(guān)閉5G 網(wǎng)絡(luò)端口，打開工業(yè)WiFi 端口，切換到工業(yè)WiFi 傳輸模式。5G 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常后，又會自動切換至5G 傳輸模式。

2 智能監(jiān)測

鑄造起重機(jī)常常存在著一些非健康的狀態(tài)，如設(shè)備由于磨損、斷裂、腐蝕導(dǎo)致出現(xiàn)異常狀態(tài)；電控部分出現(xiàn)觸頭粘連、元器件老化和腐蝕等異常狀態(tài)；安全防護(hù)失靈會出現(xiàn)起重作業(yè)超載、碰撞、過卷揚(yáng)等。若不及時排除并維護(hù)管理，必將引發(fā)重大安全事故[3]。

智能監(jiān)測通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和周圍環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測功能，包括起重機(jī)行走視頻監(jiān)控、吊鉤視頻監(jiān)控、軌道異物監(jiān)測、司機(jī)室異響監(jiān)測和軌道異響監(jiān)測等內(nèi)容。這樣獲取的信息十分龐大，若不能通過信息分析做出決策，將會影響設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

基于語音識別技術(shù)的起重機(jī)人機(jī)語音交互系統(tǒng)，采用專業(yè)的六麥環(huán)形陣列麥克風(fēng)語音識別模塊，接收工作人員的語音指令，降噪處理后，轉(zhuǎn)換成語音命令，發(fā)送給工業(yè)電腦一體機(jī)。工業(yè)電腦一體機(jī)主要負(fù)責(zé)管理語音處理終端、通訊處理單元等設(shè)備，讀寫語音編碼庫數(shù)據(jù)。工業(yè)電腦一體機(jī)與語音編碼庫匹配后，交由通訊處理單元CU 發(fā)送給起重機(jī)管理系統(tǒng)。通訊處理單元CU 接收到起重機(jī)管理系統(tǒng)的指令后，發(fā)送給工業(yè)電腦一體機(jī)與語音編碼庫進(jìn)行匹配后，發(fā)給語音處理終端，以聲音的方式播報(bào)給現(xiàn)場工作人員。語音處理終端一方面接收現(xiàn)場工作人員的聲音并轉(zhuǎn)換成文字，發(fā)送給工業(yè)電腦一體機(jī)進(jìn)行匹配，另一方面接收工業(yè)電腦的語音指令，轉(zhuǎn)換成聲音，播放給現(xiàn)場工作人員。在發(fā)生緊急情況時，通過語音報(bào)警可提醒司機(jī)當(dāng)前起重機(jī)面臨的問題，大大提高了起重機(jī)的安全性。

3 多源信息融合

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及人工智能的快速發(fā)展，多源信息融合技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展[4]。

在鑄造起重機(jī)智能感知和智能監(jiān)測中，針對限位開關(guān)、編碼器、紅外雷達(dá)、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)、起重機(jī)行走視頻監(jiān)控、吊鉤視頻監(jiān)控、軌道異物監(jiān)測、司機(jī)室異響監(jiān)測和軌道異響監(jiān)測等數(shù)據(jù)，采用基于專家?guī)斓亩嘣葱畔⑷诤戏椒?，通過分析多種因素之間的關(guān)聯(lián)性，給出基于專家?guī)斓木C合權(quán)重系數(shù)，通過權(quán)重系數(shù)來給出最終的分析判斷，用以指導(dǎo)智能感知和智能監(jiān)測。在實(shí)際應(yīng)用中，隨著數(shù)據(jù)的規(guī)模越來越大，專家?guī)斓臋?quán)重系數(shù)也會不斷更新，更符合實(shí)際情況。

4 安全防護(hù)

起重機(jī)采用中控PLC 與煉鋼系統(tǒng)中的大包回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、鐵鋼包運(yùn)輸車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐控制系統(tǒng)、傾翻系統(tǒng)及廠房UWB 人員定位系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和連鎖，實(shí)現(xiàn)起重機(jī)自動運(yùn)行過程中的工藝流程連鎖，保證掛包和放包安全。采用先進(jìn)的UWB 定位系統(tǒng)，定位精度可達(dá)30 cm。廠房內(nèi)人員均處于定位和監(jiān)控中，被實(shí)時分析，并傳送至起重機(jī)控制系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)越界、危險進(jìn)入等違規(guī)事件，將會報(bào)警和記錄。起重機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合起重機(jī)位置和運(yùn)行狀態(tài)，判斷是否需要減速或者停機(jī)，主動避讓地面人員。配置起重機(jī)防撞系統(tǒng)，避免起重機(jī)發(fā)生碰撞。信息管控軟件采用用戶名和密碼管理，對操作人員權(quán)限進(jìn)行管理。設(shè)置大車軌道異物監(jiān)測和人員上下車識別系統(tǒng)，保證起重機(jī)運(yùn)行過程中的人員安全。PLC 采用故障安全型，使遠(yuǎn)程起重機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)到SIL3 安全等級。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國人口紅利逐步喪失，低成本傳統(tǒng)優(yōu)勢明顯減弱，依靠勞動力低成本、資源過度開發(fā)和犧牲環(huán)境贏得競爭優(yōu)勢的要素驅(qū)動型增長模式已難以為繼，技術(shù)引進(jìn)的可行空間也越來越小。產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展急需在創(chuàng)新驅(qū)動引領(lǐng)下，突破一批制約我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料、關(guān)鍵成套裝備等技術(shù)裝備“卡脖子”瓶頸，支撐引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的特色產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、價值鏈和供應(yīng)鏈，重塑并加快形成產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展新優(yōu)勢，壯大發(fā)展新動能，加快推動經(jīng)濟(jì)特別是制造業(yè)發(fā)展的質(zhì)量變革、效率變革、動力變革。

本文以鑄造起重機(jī)智能化實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，對智能感知和智能監(jiān)測進(jìn)行了深入分析，最終給出了一種基于多源信息融合的鑄造起重機(jī)的智能感知和智能監(jiān)測，為起重機(jī)作業(yè)提供智能化解決方案。