無人化料場和庫場設計與實現(xiàn)

吳毅平 商曉東 陶鈞

(上海寶信軟件股份有限公司,上海 201203)

無人化料場和庫場設計與實現(xiàn)

吳毅平 商曉東 陶鈞

(上海寶信軟件股份有限公司,上海 201203)

利用激光掃描裝置對散裝料堆和鋼卷等物體進行激光掃描,在計算機中建立3D圖像,通過3D圖像分析和智能優(yōu)化數(shù)模,輔以自動化控制設備,實現(xiàn)料場堆取料機自動作業(yè)以及庫場吊運自動作業(yè)。經(jīng)過實際工程檢驗,證明基于3D虛擬技術的無人化料場和庫場解決方案能很好地應用于散貨碼頭和鋼卷庫物料搬運。該方案減少了操作人員,降低了能耗和運行成本,優(yōu)化了生產(chǎn)過程,實現(xiàn)了無人化的智能工廠,具有很好的推廣價值。

料場 鋼卷庫 無人化 智能控制 3D圖像

0 引言

散裝碼頭裝卸和庫場搬運是一種周期性重復、勞動強度大和條件惡劣的工作。因此,在散裝料場對堆取料機裝備全自動控制設備以及庫場吊車安裝檢測和自動搬運系統(tǒng),進而實現(xiàn)無人操作,提高自動化水平,降低勞動強度具有重要意義。

近年來,面向制造系統(tǒng)的虛擬仿真技術受到國內(nèi)外工業(yè)界的極大重視,它能夠用于輔助制造系統(tǒng)的設計和配置方案的確定、設備的布局研究,生產(chǎn)工藝規(guī)劃、生產(chǎn)調(diào)度和生產(chǎn)控制的研究等采用面向?qū)ο蠼＜夹g和圖形化建模方式是當前仿真領域研究的熱點。本文利用激光掃描裝置對貨物進行外表面掃描,在計算機內(nèi)部形成虛擬3D圖像,通過3D圖像和數(shù)模對堆取料機作業(yè)操作、庫場吊車吊運作業(yè)等進行處理,配合其他設備和控制技術,形成無人化的智能工廠。

1 基于激光掃描儀的三維成像

在料場及庫場的物流運輸中,安裝于堆取料機和天花板上的激光掃描裝置可以掃描測得物體表面各點的距離。從掃描點云數(shù)據(jù)中提取表面特征信息是一個十分復雜的過程,其處理過程包括掃描數(shù)據(jù)獲得、三維成像還原、掃描噪聲過濾、掃描數(shù)據(jù)坐標系變換、3D模型建立等。將激光成像分析應用于物流中是實現(xiàn)料場及庫場無人化的關鍵。

1.1 點云數(shù)據(jù)的獲取

在三維重建中,首先要獲取實體表面空間信息的點云數(shù)據(jù)。利用激光掃描技術可以快速、準確地采集到三維空間數(shù)據(jù)。由于對象體積較大,不可能一次成像,因此需要對對象進行分塊掃描。在掃描時,我們從當前視點選擇一個矩形區(qū)域,然后激光會按照先上后下、再左到右的方向來掃描投射在此矩形區(qū)域中的實際場景點。

由于掃描過程是逐行逐列進行的,因此掃描得到的數(shù)據(jù)自然地表現(xiàn)為一種矩陣形式,每個矩陣單元的值為掃描點到儀器的距離。

1.2 三維成像還原

對于圖像掃描而言,掃描采樣的過程采用的是各批次坐標,坐標原點為掃描裝置,一般X、Y軸在批次坐標的水平面上,Y軸常為掃描裝置掃描方向,Z為垂直方向。

三維激光掃描點坐標示意圖如圖1所示。

圖1 三維激光掃描點坐標示意圖Fig.1 Schematic diagram of 3D laser scanning point coordinates

由圖1所示可得被測目標點P的坐標(X、Y、Z)計算公式:

被測點三維坐標,可經(jīng)過檢測裝置與被測點間的距離、檢測裝置與測量點夾角、偏轉(zhuǎn)角測量得到,所得結果以三維數(shù)據(jù)點的方式提供。掃描裝置在1 s內(nèi)測量成千上萬個點數(shù)據(jù)。市面上不同的掃描儀掃描精度不同,為了獲得足夠的計算精度,可根據(jù)實際的需求進行選擇。

1.3 掃描噪聲過濾

采用激光檢測裝置掃描物體數(shù)據(jù)過程中,受測量環(huán)境、被測物體特性(發(fā)射特性、表面凹凸不平、尖銳點)和自身振動等影響,測量誤差不可避免。極端情況下,聚合后的圖像與實際相差很遠,這些誤差的存在,嚴重影響了物體的外形和外形評價。為了精確描述掃描點云重構所得到的物體幾何外形信息,有必要對激光掃描點云進行預處理,以便得到在規(guī)定的誤差范圍之內(nèi)的點云數(shù)據(jù)。常用的濾波方法有高斯濾波、中值濾波、平均濾波,通過這些方法,可以很容易去除這些噪聲,獲得完整的3D圖像。

1.4 掃描數(shù)據(jù)坐標系變換

前面談到測量物體的復雜性,在實際布置測量裝置時,通常會從各個方向設置不同的掃描儀同時工作,這樣才能把被測對象掃描完整。每一裝置掃描數(shù)據(jù)都有自身的坐標體系,要將這些同時測量的數(shù)據(jù)拼接在一道,就需要把不同檢測裝置的掃描數(shù)據(jù)通過坐標變換到與被掃描物體相同的坐標系統(tǒng)下。只有統(tǒng)一的坐標系,才能進行數(shù)據(jù)歸并,形成統(tǒng)一成像數(shù)據(jù)。對于單一掃描儀,也一樣存在坐標變換問題。由于掃描儀是安裝在堆取料機臂上,堆取料機在工作時要移動位置,這樣采樣的原點位置就會跟著移動,這也需要進行坐標變換。對此,在掃描區(qū)域中設置控制點或標靶點,使得相鄰區(qū)域的掃描點云圖上有三個以上的同名控制點,通過控制點的強制附和,將相鄰的掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個坐標系下。

2 料場自動化控制技術

料場自動化控制系統(tǒng)是對散裝料場主體設備進行全自動化控制?？紤]的前提是在堆取料作業(yè)時,在充分保證料場利用率、發(fā)揮堆取料機的堆取料能力和防止料機碰撞等功能基礎上,實現(xiàn)堆取料機無操作人員進行操作和監(jiān)視。中央控制室內(nèi)可通過遠程的操作開關對現(xiàn)場設備進行遠程干預,正常情況下不需要操作人員進行作業(yè)。操作過程是中央管理人員從管理計算機系統(tǒng)獲得作業(yè)任務后,無人控制系統(tǒng)根據(jù)料場情況和堆取料機狀態(tài)進行優(yōu)化計算和安全檢查,自動產(chǎn)生相關堆或取模式指令。隨后系統(tǒng)自動將相關控制指令發(fā)送到對應堆取料機PLC,實時指導堆取料機進行全過程無人駕駛的自動堆、取料作業(yè)。

2.1 堆取料機堆料自動化模型

2.1.1 堆取料機堆料流程

當要卸貨的貨輪?？吭谛洞a頭泊位后,散裝料由卸貨港機卸到皮帶傳送機上。皮帶傳輸設備按照卸貨指令,傳輸散料到預先制定的堆場的堆取料機上。堆取料機按照事先制定的堆料安排,通過堆取料機將料堆放在某個料場的某塊空閑區(qū)域或已有料堆上。堆料過程是根據(jù)卸料計劃和料場劃分,按照一定的規(guī)則進行卸料,堆積到一定的高度,料機自動推進一個位置,直到卸料完成或更換另一料堆。

2.1.2 堆取料機堆料模型

在散裝料堆料過程中,需要對料堆堆積的形狀進行計算,目的是使得堆積的料堆體積最大。料堆形狀簡化示意圖如圖2所示。

圖2 料堆形狀簡化示意圖Fig.2 Shape of the work pile

理想情況下(W=L),每堆料的標準形狀應該是一個底面為直角矩形的正四棱臺,實際情況視料礦的安息角θ和長度L而定。安息角是料礦的自然屬性,一般它是一個固定的值,最大堆高由它決定。最大可能堆高表達式如式(2)所示。

實際應用中不同料礦屬性不同,它的安息角、臨界角也不同。因此要分析這些角度與長度、寬度與料堆形狀之間的關系,以便確定堆積方式。無人系統(tǒng)可以根據(jù)激光掃描結果分析料場當前使用情況,確定堆積地址、料堆高度。

在堆料作業(yè)過程中,模型程序通過不斷讀取堆取料機的走行位置及激光掃描裝置檢測正在作業(yè)料堆的邊界地址與作業(yè)結束地址之間的距離,計算目前已作業(yè)完成量和剩余堆積地址內(nèi)可堆積的最大量。同時,判斷目前剩余場地是否能堆積卸船機剩余的散裝料量。如果滿足,剩余作業(yè)量完成,并計算堆料終點位置;如果不滿足,則模型通知提示卸料機在何處停止作業(yè),并啟用備用場地重新開始作業(yè)。

2.2 堆取料機取料自動化模型

2.2.1 堆取料機取料流程

當輪船泊位后,根據(jù)計劃確定要裝的散裝料堆場和裝船量。確定好后,啟動堆取料機工作,斗輪旋轉(zhuǎn)開始取料,通過傳輸設備,由皮帶傳輸?shù)窖b船碼頭,由裝貨港機把礦料放到泊位船只上。

2.2.2 堆取料機取料模型

當某區(qū)域的料礦裝運完成,開始往外運料時,由于堆取料機斗輪旋轉(zhuǎn)工作后,散裝料堆形狀發(fā)生變化,斗輪總是先裝載靠得更近的散裝料,因此被運走的散裝料是一個底面近似為直角梯形的四棱錐臺,如圖3所示右側(cè)空間。

圖3 取料后的料堆圖Fig.3 The graphic of the work pile after reclaiming

實際取料時進行了分層,即斗輪一層層取,取完料后料堆形成階梯狀,其體積計算比較復雜。因此,需要結合激光掃描結果獲取料堆邊界形狀,分層計算各自的體積,再疊加得到料堆實際體積。

作業(yè)過程中,模型根據(jù)計劃作業(yè)量、作業(yè)貨種等信息,以及料場實際堆料情況確定第一次取料切入點(即哪個料堆,堆取料機初始走行位置、懸臂初始回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度)。通過作業(yè)貨種的質(zhì)量、計劃料堆的形狀、取料計劃作業(yè)量等信息確定料堆取料開層長度。每取一層,該層的長度要計算出來,以便通過作業(yè)貨種的質(zhì)量來確定取料時堆取料機每次寸動距離。

堆取料機利用懸臂回轉(zhuǎn)、斗輪旋轉(zhuǎn)取料。為達到旋轉(zhuǎn)分層等量取料的目的,在自動控制方式下,按等量取料算法,斗輪旋轉(zhuǎn)速度應與懸臂回轉(zhuǎn)速度成一定關系。在每層進行取料時,模型利用機上激光掃描設備確定回旋角度。根據(jù)掃描儀返回的料堆信息,計算出懸臂在對應位置應該回旋的角度范圍。

對于邊界取料,由于取料層較薄,取料流量會下降,因此為提高邊角料的取料流量,采用兩次回旋周期取一次料的方式。

3 庫場自動化技術

庫場自動化數(shù)學模型包括入庫控制模型、出庫控制模型、倒垛控制模型和行車調(diào)度模型。模型需要自動識別待入庫鋼卷和出庫鞍座位置信息,兼顧貨品行走路徑、倉庫空間利用率、貨品周轉(zhuǎn)率等信息確定鋼卷合適放置庫位或鞍座,指導行車完成吊運工作。

3.1 入庫自動化模型

入庫控制模型通過掃描儀設備自動識別待入庫鋼卷物理位置,根據(jù)庫場信息、入庫鋼卷信息和預計出庫信息,合理構建優(yōu)化過程的目標函數(shù);并充分考慮相關約束條件,動態(tài)產(chǎn)生優(yōu)化目標函數(shù)和約束方程,確定入庫鋼卷的調(diào)運計劃。特別是雙層堆放時,必須考慮相關工藝約束,如厚度、寬度、外徑和重量等方面。

3.1.1 入庫鋼卷自動識別

當一車鋼卷入庫時,框架車會停到指定車位,掃描儀開始對整車進行掃描,模型需要自動識別車上鋼卷數(shù)量、鋼卷物理位置,為行車吊運提供數(shù)據(jù)支撐。圖4為特征點提取效果圖,圖5為將掃描數(shù)據(jù)做三維還原后的示意圖。

圖4 特征點提取效果圖Fig.4 The effect diagram of feature point extraction

圖5 入庫鋼卷三維效果圖Fig.5 The 3D effect diagram of the steel coils put in storage

對還原后的鋼卷圖進行降噪及特征點提取,即可求得鋼卷中心物理位置及尺寸等參數(shù)信息。模型計算完成后,根據(jù)現(xiàn)場實際條件對計算結果進行校正并發(fā)送行車,進行吊運等相關工作。

3.1.2 鋼卷庫位推薦

庫位推薦模型根據(jù)庫場最新信息、入庫鋼卷信息等合理構建優(yōu)化目標函數(shù),為鋼卷推薦最優(yōu)放置庫位,并指導行車完成相關吊運工作。

庫位推薦模型由數(shù)據(jù)前處理、模型內(nèi)核調(diào)度和優(yōu)化工具軟件組成。其中,數(shù)據(jù)前處理主要負責庫場庫位、待調(diào)鋼卷以及待求解矩陣的初始化或準備工作。模型內(nèi)核則負責目標函數(shù)、約束方式構建以及最優(yōu)化求解過程。優(yōu)化工具軟件為交互式的線性和通用優(yōu)化求解器,可以用于求解非線性規(guī)劃,也可以用于一些線性和非線性方程組的求解等。

庫位優(yōu)化建模過程需要兼顧貨品行走路徑、倉庫空間利用率,實現(xiàn)綜合目標合理優(yōu)化。優(yōu)化建模過程的目標函數(shù)基本形式如下。

在具體應用過程中,還需要根據(jù)具體情況進行目標函數(shù)的擴展,以應對不同的工況,或?qū)崿F(xiàn)其他目的,如出庫倒垛預防、漲庫處理等。模型計算結果發(fā)送行車,由行車基礎自動化系統(tǒng)具體控制執(zhí)行。

3.2 出庫自動化模型

出庫控制模型通過掃描儀自動識別框架車上鞍座位置,根據(jù)出庫計劃并充分考慮框架車配載、裝船計劃等信息,確定出庫吊運順序及待出庫鋼卷放置鞍座位置,并生成行車計劃指導行車作業(yè)。

3.2.1 鞍座圖形分析

當一出庫框架車停到指定車位后,掃描儀開始對整車進行掃描,模型會自動識別車上可放置鋼卷的鞍座物理位置及尺寸信息,為后續(xù)配載計算及行車吊運提供數(shù)據(jù)支撐。圖6為將掃描數(shù)據(jù)做三維還原后的空框架車示意圖。

圖6 框架車三維效果圖Fig.6 The 3D effect diagram of frame cart

出庫框架車鞍座位識別與入庫鋼卷原理相似,對三維還原后的圖形進行降噪及特征點提取、坐標校正后即可求得車上鞍座位信息。

3.2.2 出庫配載計算

出庫配載計算即根據(jù)出庫計劃、裝船計劃、框架車尺寸及均衡裝載等約束,計算鋼卷出庫順序及合理放置位置。計算過程中需要判斷是否有出庫倒剁鋼卷。如果有,需要對倒剁鋼卷進行新的庫位推薦,待出庫倒剁結束后對下層鋼卷進行特殊出庫操作。計算結果經(jīng)過應用系統(tǒng)發(fā)送行車,由行車基礎自動化系統(tǒng)具體控制執(zhí)行。圖7為計算好的出庫鋼卷配載示意圖。矩形部分代表鋼卷,鋼卷下方為框架車上的鞍座凹槽。

圖7 鋼卷配載示意圖Fig.7 Schematic diagram of steel coil stowage

3.3 倒剁控制模型

倒垛控制模型中待倒剁鋼卷的識別分為手動選擇及自動識別兩種方式。自動識別部分由模型根據(jù)庫場鋼卷分布、列密度、出庫計劃等信息識別出需要倒剁的鋼卷信息,并對此部分鋼卷進行新的庫位推薦,之后生產(chǎn)行車吊運計劃。

3.4 行車調(diào)度模型

行車調(diào)度模型包括行車任務分配、路徑優(yōu)化及防撞等,模型需要充分考慮多部行車作業(yè)效率、最小走行路程及行車之間防撞等問題。

行車根據(jù)出入庫及倒垛作業(yè)計劃,從停車點出發(fā),依次經(jīng)過各個作業(yè)點,將各鋼卷運送到庫位或框架車鞍座位上。模型根據(jù)待吊運鋼卷所在庫區(qū)及行車空閑狀態(tài)、行走路徑等對行車進行任務分配。行車路徑優(yōu)化可以減少作業(yè)時間,降低行車行駛里程,提高倉庫的工作效率。

行車路徑優(yōu)化問題可歸結為運籌學中的旅行商問題,即在一個城市集合中找出一個最短且經(jīng)過每個城市一次且一次回到起點的路徑。入庫、倒剁、出庫作業(yè)即是將鋼卷從某一位置移動到另一位置的過程。在得到各計劃后,整個行車路徑是由各作業(yè)的先后次序決定的,在同一作業(yè)批次中,作業(yè)過程中的行車從起點到終點這一行駛路徑之和是不變的,可以不加考慮。這時只要考慮行車從一作業(yè)轉(zhuǎn)化到另一作業(yè)而應行駛的路程,應使這一行駛路程最短,且行車作業(yè)等待時間越小越好。

4 結束語

上海寶信軟件公司經(jīng)過多年的研究和實際工程的實踐,攻克了無人化料場及庫場多項關鍵技術。無人化料場已在國內(nèi)多個港料場得到應用,其中馬跡山港料場無人化系統(tǒng)在國內(nèi)是首創(chuàng),在國際上也保有技術先進性。無人化庫場在寶鋼也得到應用,且為國內(nèi)首個應用案例。在保證設備安全、穩(wěn)定運行的基礎上,無人化料場和庫場可以進一步提高堆取料機和行車的自動化程度,減輕勞動強度,改善操作人員作業(yè)環(huán)境及安全性。料場及庫場的自動化和智能化是物流發(fā)展的方向。

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Design and Implementation of Unmanned Material Yard and Storage Yard

The objects such as bulk work piles and steel coils are scanned by adopting laser scanning device,then the 3D graphics are built in computer.Through 3D graphic analysis and intelligent optimum modeling,as well as supplemented by automation control equipment,the automatic jobs of stacker and reclaimer in material yard,and hoisting in storage yard are implemented.The practical engineering examination verifies that the strategy of unmanned material yard and storage yard based on 3D virtual technology can be well applied in material handler for bulk terminal and steel coil storage;it reduces operators,and energy consumption as well as operation costs,furthermore the production process is optimized and unmanned intelligent factory is realized,the design possesses excellent promotional value.

Material yard Steel coil yard Unmanned Intelligent control 3D graphics

TD56

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修改稿收到日期:2014-11-06。

吳毅平(1963-),男,1998年畢業(yè)于東北大學自動化專業(yè),獲碩士學位,教授級高級工程師;主要從事冶金自動化技術的研究、能源管理和節(jié)能產(chǎn)品技術研究。