研究背景与问题
库区作为钢铁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钢铁有限公司、马鞍山钢铁股份有限公司、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：
（a）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。
（b）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。
（c）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、吊具防摇摆模糊变增益控制、多路径协同过渡控制、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：
（a）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校核控制，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。
（b）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模糊变增益防摆控制技术，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：
（a）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%。
（c）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。
（a）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。
（b）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。
（c）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钢铁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。
项目成果由中国钢铁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。
