一、研究的背景与问题

近年来，发改委、工信部、科技部、交通运输部等先后联合发布了《关于进一步降低物流成本实施意见的通知》和《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》等文件，指出要结合钢铁工业调整升级规划，以智能制造为重点，构建新型现代化钢铁企业，实现钢铁产业智能化、绿色化的可持续发展。

传统的铁水运输模式的罐车调度、机车驾驶、摘钩、驻车、对位、路径规划、配罐等作业均需人工完成。随着高炉和炼钢智能化系统不断升级，传统模式暴露出了人力依赖大、成本高，调度响应慢、作业环境恶劣，运输效率低，智能化升级困难等诸多问题，逐渐成为制约铁钢界面生产效率再提升的瓶颈，迫切需要引入先进的信息化和自动化技术，实现智能调度和优化物流管理，以提升整体作业效率和安全性。

iSmartOne智慧铁水运输系统是人工智能、智能化技术在工业场景的一次深度融合，是无人驾驶技术在工业场景的一次创新实践，自主研发实时自学习自适应高精度控制模型，并结合全天候环境感知、数字孪生等技术，打造了iSmartOne智慧铁水运输系统。iSmartOne极大地改善工人作业环境，解放劳动生产力，提高铁水运输效率，大幅降低钢厂铁水运输成本，打造了钢铁智能制造标杆。

二、解决问题的思路与技术方案

以形成铁水运输无人化体系为目标，以全流程物流优化、供需生产联动、运转效率提升、劳动力节约、本质安全提高、运营成本降低、绿色节能环保为主旨，将新一代物联网、机器学习、人工智能等先进技术和智能机车控制装备和感知装备深度融合，打造以智能管控为基础、机车无人驾驶为核心、智能环境感知为保障的全天候、全流程、高效、稳定、安全的智慧铁水运输系统，具思路包括：

1、打通“两点”，即需实现智能化高炉与炼钢之间的有效衔接。铁水智能调度系统通过指定通信协议及数据接口与智能高炉/炼钢系统进行通信，从而获取高炉原料成分、风氧量、高炉自身炉况、炼钢生产节奏等生产信息，驱动铁水智能运输系统各模型运行。

2、升级“一线”，即需实现钢铁界面铁水运输的自动化与智能化。可拆分为两个部分——地面管控系统与自动驾驶系统。

（1）耦合生产和运输信息通讯、各工位实绩和异常反馈分析、机车路径规划等模块，形成智慧铁水运输地面管控系统。① 构建数据-知识双向驱动的决策模式，完成罐车任务分配。② 建立基于供应链多级闭环多级的机车路径规划模型。③ 构建高效的控制-调度之间的动态反馈修正机制，确保高效、无冲突的路径调度。（2）集成基于人工智能的环境感知系统和自动车辆控制系统，形成铁水运输机车无人驾驶系统。① 通过深度学习算法进行数据与知识的融合，实现高可靠的环境感知。② 研究钢铁生产环境下的定位传感器融合技术，实现机车全流程高精度定位和跟踪。实现机车/罐车自动摘钩。设计自动驻车器，实现罐车的精准对位。

3、打破“信息孤岛”，即需要一款集成上述模块的数字平台，融合各个业务应用子系统，将钢铁物流涉及各部门分散、孤立的信息汇总处理形成信息管理链，具备系统通讯及管理、系统运行监控、用户管理和数据报表等功能，使数字物流真正成为统一体。

图1  iSmartOne智慧铁水运输系统框架

三、主要创新性成果

1、面向智能管控系统的高效率路径调度技术研究

针对外部生产条件约束情况下的铁水资源合理分配、运输路径动态规划等技术难题，设计铁水调度分配模型，通过机器学习算法，优化人工调度作业过程，实现铁水的智能分配；建立面向动态环境的机车路径规划模型，针对该模型求解过程中的复杂非线性目标函数和约束条件，引入结合数字孪生技术的启发式搜索算法，快速求得目标函数的近似最优解，完成过程协同、任务自优化和多生产节拍异步调度，实现路径的动态路径规划。针对多任务机车路径冲突问题，建立多任务并行时机车间路径的冲突消解匹配模型，基于团队定向模型及蚁群算法，融合人脑的注意力复利用和增强机制的渐进式人工智能算法等前沿技术，对机车执行任务实时监控，动态调整路径规划，避免路径的冲突，最终实现智能、高效的铁水运输管控。结合钢铁界面特征，系统为高炉端和炼钢端设计两套不同的作业模式。

图2 铁水资源分配、运输路径动态规划

2、面向无人驾驶系统的高精准自适应控制技术

在控制算法方面，采用了无模型的传统控制算法和基于模型的先进控制算法。无模型算法通过专家PID控制器，在运动学和动力学约束下解决长距离运行的控制问题；基于模型的算法主要用于处理工位点附近的复杂环境和动态过程的非线性，以及模型失配问题。模型结合运行速度要求和空气制动操纵约束，设计了带约束的多目标代价函数。通过优化计算策略，实现了对工位点处速度控制精度和定位偏差的精确控制。

在模型参数辨识方面，模型则涵盖了随机性扰动补偿、空气制动模型校准和基本阻力模型参数辨识。随机性扰动补偿利用基于学习规则的神经网络算法，从实际数据中分析扰动特性，以补偿模型中的随机误差并消除预测偏差。空气制动模型校准和基本阻力模型参数辨识则通过估计和分离机车模型误差，进行模型参数的校准和迭代优化，确保机车在全线路不同场景中的安全运行。

成果解决了在复杂任务时机车牵引/推动罐车的自动对位面临惯性大且负载不确定、液态铁水晃动、机车与车辆之间的车钩柔性变化、轨道表面摩擦性的变化、无线网络的延时等干扰因素，实现无人机车精确控制下的罐车对位误差≤±5cm。

3、面向铁水运输无人驾驶的高可靠性环境感知技术

为了克服工作环境中的温、水蒸气、尘埃、强烈震动和复杂的建筑、设备和人员的影响，采用了多传感器融合技术，利用视觉、激光雷达及毫米波雷达形成多层次感知体系。依托自主研发的多目标跟踪算法，能够对机车预警范围内的障碍物进行类型和运动轨迹的实时识别，为车载决策提供精准的环境信息。视觉传感器在光照条件充分，白天等环境下效果较好，在低光照，复杂光照下，恶劣天气下受影响较大的缺点，可以通过激光雷达和毫米波雷达进行弥补。

各种传感器在不同的应用场景里都可以发挥独特的性能优势，在算法后融合框架下形成较优的感知信息，并结合深度学习和计算机视觉算法来提高障碍物识别的精度和鲁棒性。

图3 传感器融合架构图

本成果通过多传感器融合技术，实现对整个复杂环境的全面理解及恶劣工况下的高兼容性，极大的提高感知系统的鲁棒性，为基于无人驾驶人工智能决策系统提供高可靠性知识。

4、智能装备研发

（1）自动摘挂钩

自动摘挂钩可以实现车钩自动摘挂功能，取代人工手动摘钩操作。改造后的自动摘挂钩系统主要包括自动摘钩设备、助力设备和车钩状态检测设备。机车自动化系统接收机车车载决策系统发出的摘钩指令，控制摘钩装置动作，实现机车车钩的自动摘钩功能。

图4 自动摘挂钩装置及其驱动器

（2）自动驻车器

驻车装置对称安装在铁水车高炉方向端转向架轮对上，采用夹钳式方式，使用安装夹板将驻车器连接支座与车架焊接在一起。具备体积小、结构紧凑、防护等级高、防振性能优良、力矩大且稳定、耐低温等特点。驻车装置主要由驻车器、控制器、状态指示三部分设备组成，装置支持现场手轮操作、机旁操作、远程自动控制、驻车状态监控等功能。

图5 自动驻车装置

（3）自动充电桩

自动充电装置主要由地面自动充电装置、车载受电装置以及地面控制箱组成。地面固定充电装置具备自动通、断电功能，同时在地面充电装置周边设置声光报警装置及安全警示牌以提高现场安全等级。车载受电装置安装在铁水车高炉方向一端走行部侧面，当铁水车在高炉炉下铁口工位点停车后与地面自动充电装置进行接触，实现对车载电池系统的快速充电。

5、钢铁界面智慧管控平台

打造「铁钢界面智慧管控平台」，改变传统铁钢界面作业模式，用AI赋能铁钢生产数智升级。实现事前“精准感知、积极预防”，事中“实时感知、快速响应”，事后“快速调查、深度分析”。

平台由全流程智能跟踪系统、全流程智能状态管理系统、综合信息集中管理系统等组成。全流程智能跟踪系统覆盖从高炉到炼钢车间运输作业全过程，实现铁水罐罐号、机车号自动识别、位置自动跟踪、到位自动确认等功能；全流程智能状态管理系统对出铁口状态、罐车受铁状态、炼钢车间倒罐/折铁状态、罐车空/重状态的自动识别、采集，实现数据集中透明管理；综合信息集中管理系统可对铁水生产及运输信息集中管理、可视化展示，生产实绩信息自动生成，对关键指标由统一界面整合，多元、多维度综合分析实现任务自动闭环、位置信息动态展示。

四、应用情况与效果

1、宝武湛江钢铁智慧铁水运输

该项目一期二期投用以来，减少操作人员70%，提高鱼雷罐车平均周转率；机车台日产量由4200吨提升至4800吨；铁水温降减少10～10℃，每年减少能源消耗1804万元，实现降本增效2263万元/年。

图6 湛江智慧铁水运输机车运行及主画面图

2、宝武武钢铁钢界面智慧管控平台

项目涉及5座高炉、4座炼钢、20辆机车、69台鱼雷罐车、100个敞口罐，于2021年11月上线运行，实现减少操作人员10%，提升罐车平均周转率，铁水温降减少11℃，每年减少能源消耗3107万元，每年产生的效益3331万元。

图7 武钢铁钢界面智慧管控平台项目主画面图

3、包头钢铁智慧铁水运输

首次实现国产GK1C型工矿内燃机车无人化改造，实现了低温、沙尘、远距离、跨区域的无人化铁水运输。项目实现了人员优化40人，年均减少人工成本400万元；平均油耗减少约10%，年均节约成本约38万元新体系综合温降降低约8℃~10℃，年均节约生产成本约1500万元~1900万元。

图8 包钢项目改造后的机车

4、鞍钢鲅鱼圈钢铁智慧铁水运输

首次实现国产GKD0A型机车无人驾驶改造，铁水运输周转率提升约47%，温降降低10度，岗位优化42%，年经济效益超过3000万元。

图9 鞍钢鲅鱼圈智慧铁水运输系统

5、天柱钢铁智慧铁水运输（建设中）

6台机车及26台铁水罐车的自动驾驶改造，采用“一罐制”铁水运输模式。

图10 天柱钢铁智慧铁水运输系统

6、中天钢铁智慧铁水运输（建设中）

业内首套AI+5G新能源纯电机车自动驾驶。

图11 中天钢铁智慧铁水运输系统

信息来源：中冶赛迪工程技术有限公司