焦炉车辆无人驾驶系统方案设计

2019-07-11李玉菲

中国金属通报 2019年5期

李玉菲

（河钢集团唐钢公司信息自动化部，河北唐山 063000）

焦炉车辆无人驾驶是焦化企业前瞻的战略选择，也是行业发展的现实趋势，更属于国家大力鼓励扶持的智能制造范畴，其对于焦化企业的发展有着重大意义，首先，它是焦化智能工厂建设必不可少的环节；其次，无人驾驶可以大幅减人增效；最后，可以规范焦炉作业管理、提高焦炉生产效率、实现焦炉作业过程的数字化、智能化，为焦化智能工厂提供数据支撑。加快焦炉机车无人驾驶是焦化企业未来的必然发展趋势。

1 背景

焦炉车辆无人驾驶系统是焦炉作业车辆上的无人化，不仅仅是无人操控、更关键的是要实现焦炉车辆作业过程中的无人值守，只有真正实现无人值守才能实现减人增效，降低安全事故隐患。焦炉车辆无人驾驶系统本质上是一套智能化信息处理系统，以传感检测、智能控制为基础，以系统无人化为核心诉求。

焦炉车辆无人驾驶系统，根据技术发展和演化可分为1.0、2.0、3.0及4.0时代。1.0完全是人工指挥、人工驾驶，没有任何车辆间作业管控系统，国内2000年前后焦炉车辆基本属于1.0时代；2.0级以焦炉车辆联锁定位通信和操作记录管理以及车辆本身的单元自动为标志；3.0级在车辆作业间的联锁对位和车辆单元自动基础上实现一键操作、有人值守；4.0级实现焦炉车辆无人驾驶，在焦炉车辆可靠的单元自动及联锁对位基础上，大规模采用各类传感检测技术、识别焦炉车辆作业过程的各类风险、自动分发作业计划、焦炉车辆自动完成相关作业，并且记录作业数据、在线优化作业过程、预测车辆故障。

目前，国内焦炉车辆作业基本上属于3.0时代，如何实现由3.0到4.0时代的跨越，为焦化企业提供可持续运行的安全可靠的焦炉车辆无人驾驶系统，是本文研究的目标。

2 无人驾驶系统的关键技术

焦炉车辆无人驾驶系统，本质上是一套基于人工智能技术的管理控制系统，其管理控制涉及的对象包括车辆、轨道、炉体、运维人员多个维度，车辆只是其关键对象之一，并非全部。控制对象的车辆近十多年来的技术进步、更多的是增加一些执行机构（功能硬件），完成过去必须由人工实现的功能。所以，无人驾驶系统其关键技术是基于人工智能的信息技术，其具体内容涵括如下：①基于焦炉操作工艺的系统可靠性安全性框架设计；②计划编排、调度及重调度技术；③复杂场景的传感检测及数据融合技术；④模型及人工智能算法；⑤业务流程及专家知识梳理和发现；⑥人机交互设计。

只要焦炉炉体、轨道、车辆能够满足在车辆单元自动情况下，由人工驾驶车辆完成相关作业，自动驾驶系统需要完成的难题就是如何确保安全可靠持续的解决无人操控及无人值守问题。

3 焦炉车辆无人驾驶方案设计

无人驾驶系统是运行在复杂工业环境的智能信息系统，涉及到焦炉、轨道、其它协同作业的工艺系统、气候、车辆以及运维作业人员。所以，无人驾驶系统的设计必须建立在作业场景的详细分析和影响评估之上，其总体设计包含系统的体系结构、与外部工艺系统的交互、与附着设备交互设计、运维作业的交互设计、系统安全设计等。

3.1 无人驾驶系统内部的体系结构

图1 焦炉机车智能操作系统图

无人驾驶系统分为数据中心子系统、中控协调控制子系统、位置检测子系统、数据通信子系统、各车辆子系统、PDA移动监控系统。减轻数据中心计算压力、同时减轻通信网络负担，本系统设计充分利用边缘计算技术，对车辆子系统增加了本地计算功能。

3.2 无人驾驶系统与外部工艺系统的交互设计

无人驾驶系统和外部工艺系统的交互是通过与无人驾驶系统的各个子系统实现数据交互。上升管、干熄焦、地面除尘及煤塔下煤系统通过中控协同子系统实现安全联锁和协同作业。在交互过程中，无人驾驶系统的相关数据对外部工艺系统改进提供数据支撑，如除尘风机的精确控制、下煤系统的控制等；而外部系统的性能也深深的影响无人驾驶系统的系统设计。

3.3 无人驾驶系统人机交互设计

无人驾驶系统尽管车上无人，但运维人员及中控监控人员必不可少。

无人驾驶系统人机交互包含多个维度：系统的监控管理、系统的紧急处理管理、系统的身份识别，系统的运维管理、系统安全管理，这些具体的管理措施设计都融入各个子系统设计中。

3.4 无人驾驶系统与设备炉体轨道气候系统的交互设计

无人驾驶系统运行在设备、炉体、轨道、气候场景之中，系统的可靠设计必须对相关作业场景进行分割、估值等分析，并采取应对措施。这是无人驾驶系统能否可靠持续运行的关键设计之一，这也是无人驾驶系统成本高的关键要素，这些场景检测设计贯穿系统各个子系统设计之中。

3.5 无人驾驶系统安全防护设计

无人驾驶系统的运行，必须有全面、详尽、高效率、稳定的安全防护设计，并且安全防护设计要嵌入在系统中的各个子系统、各个层级。安全防护设计涉及到三个方面：人员安全防护、设备安全防护、作业安全防护。

（1）人员安全防护。无人驾驶系统，严格意义上是严禁人员出入作业区域的。但是，由于现场需要人工进行清扫、检修及其它应急处理等作业，导致仍然有人员可能在该区域内活动。那么，我们要做到的是“无关人员能隔离、出入人员有要求、人员进入能检测、识别人员能保护。”

“无关人员能隔离”：用户在现场建设防护隔离栅估计有难度，但机车必须进行身份识别。系统在车辆楼梯处、危险作业区也增加出入口设施进行管理。允许出入人员进行注册和分类管理，出入人员必须刷RFID身份识别卡才能进入，不同类别人员进出的权限不同（权限包含出入位置和时间段）。

“出入人员有要求”：出入人员必须穿戴有特殊标识的安全防护衣帽（如反光衣服、颜色鲜明的头盔）；必须携带有源的RFID的身份识别卡；必须经过安全培训。

“人员进入能检测”，人员检测系统中将包含3种方式：1.RFID检测，根据RFID有源标签信号检测人员；2.机器视觉检测，通过机器视觉检测监视区域内的人员；3.毫米波雷达，通过毫米波的全天时、全天候、高精准的特点检测人员。

“识别人员能保护”，系统会制定详细的规则：雨雪大雾天气作业规程，禁止某些非紧急作业、在紧急作业情况下根据作业类型决定系统是否取消无人驾驶状态；非雨雾天气作业规程，在允许人员和车辆交互作业的情况下，系统能够能够根据人员所处的位置、行为来判别危险程度来进行处理。例如，人员只是在非作业区域，则只进行报警提示，并不中断作业；若人员在炉前等作业区域或危险区域，则立即暂停相关作业，报警提示。

（2）设备安全防护。设备安全防护的主要措施有：设备状态自诊断、设备运行时安全联锁、设备作业过程防护。

设备状态自诊断，对设备的静态、动态、趋势三个方面进行故障诊断，及时发现故障，提前预估隐患。

设备运行时安全联锁，即设备启动条件联锁、设备运行中联锁。设备作业过程防护，除了故障自诊断外，还将对作业动作参数进行安全限定。主要有，作业时长限定，各个作业动作设定极限作业时长、以及作业等待时长；作业行程限定，机构动作行程设定极限行程；作业速度限定，机构在特定动作作业时进行速度限制，避免出现速度过快、机构姿态有问题而发生刮、蹭、撞、别等现象。