焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

李玉菲

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司信息自動(dòng)化部，河北 唐山 063000）

焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛是焦化企業(yè)前瞻的戰(zhàn)略選擇，也是行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)趨勢(shì)，更屬于國(guó)家大力鼓勵(lì)扶持的智能制造范疇，其對(duì)于焦化企業(yè)的發(fā)展有著重大意義，首先，它是焦化智能工廠建設(shè)必不可少的環(huán)節(jié)；其次，無(wú)人駕駛可以大幅減人增效；最后，可以規(guī)范焦?fàn)t作業(yè)管理、提高焦?fàn)t生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t作業(yè)過(guò)程的數(shù)字化、智能化，為焦化智能工廠提供數(shù)據(jù)支撐。加快焦?fàn)t機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛是焦化企業(yè)未來(lái)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1 背景

焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)是焦?fàn)t作業(yè)車(chē)輛上的無(wú)人化，不僅僅是無(wú)人操控、更關(guān)鍵的是要實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車(chē)輛作業(yè)過(guò)程中的無(wú)人值守，只有真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守才能實(shí)現(xiàn)減人增效，降低安全事故隱患。焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)本質(zhì)上是一套智能化信息處理系統(tǒng)，以傳感檢測(cè)、智能控制為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)無(wú)人化為核心訴求。

焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)，根據(jù)技術(shù)發(fā)展和演化可分為1.0、2.0、3.0及4.0時(shí)代。1.0完全是人工指揮、人工駕駛，沒(méi)有任何車(chē)輛間作業(yè)管控系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)2000年前后焦?fàn)t車(chē)輛基本屬于1.0時(shí)代；2.0級(jí)以焦?fàn)t車(chē)輛聯(lián)鎖定位通信和操作記錄管理以及車(chē)輛本身的單元自動(dòng)為標(biāo)志；3.0級(jí)在車(chē)輛作業(yè)間的聯(lián)鎖對(duì)位和車(chē)輛單元自動(dòng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一鍵操作、有人值守；4.0級(jí)實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛，在焦?fàn)t車(chē)輛可靠的單元自動(dòng)及聯(lián)鎖對(duì)位基礎(chǔ)上，大規(guī)模采用各類(lèi)傳感檢測(cè)技術(shù)、識(shí)別焦?fàn)t車(chē)輛作業(yè)過(guò)程的各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)、自動(dòng)分發(fā)作業(yè)計(jì)劃、焦?fàn)t車(chē)輛自動(dòng)完成相關(guān)作業(yè)，并且記錄作業(yè)數(shù)據(jù)、在線優(yōu)化作業(yè)過(guò)程、預(yù)測(cè)車(chē)輛故障。

目前，國(guó)內(nèi)焦?fàn)t車(chē)輛作業(yè)基本上屬于3.0時(shí)代，如何實(shí)現(xiàn)由3.0到4.0時(shí)代的跨越，為焦化企業(yè)提供可持續(xù)運(yùn)行的安全可靠的焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)，是本文研究的目標(biāo)。

2 無(wú)人駕駛系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)，本質(zhì)上是一套基于人工智能技術(shù)的管理控制系統(tǒng)，其管理控制涉及的對(duì)象包括車(chē)輛、軌道、爐體、運(yùn)維人員多個(gè)維度，車(chē)輛只是其關(guān)鍵對(duì)象之一，并非全部?？刂茖?duì)象的車(chē)輛近十多年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步、更多的是增加一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)（功能硬件），完成過(guò)去必須由人工實(shí)現(xiàn)的功能。所以，無(wú)人駕駛系統(tǒng)其關(guān)鍵技術(shù)是基于人工智能的信息技術(shù)，其具體內(nèi)容涵括如下：①基于焦?fàn)t操作工藝的系統(tǒng)可靠性安全性框架設(shè)計(jì)；②計(jì)劃編排、調(diào)度及重調(diào)度技術(shù)；③復(fù)雜場(chǎng)景的傳感檢測(cè)及數(shù)據(jù)融合技術(shù)；④模型及人工智能算法；⑤業(yè)務(wù)流程及專(zhuān)家知識(shí)梳理和發(fā)現(xiàn)；⑥人機(jī)交互設(shè)計(jì)。

只要焦?fàn)t爐體、軌道、車(chē)輛能夠滿足在車(chē)輛單元自動(dòng)情況下，由人工駕駛車(chē)輛完成相關(guān)作業(yè)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要完成的難題就是如何確保安全可靠持續(xù)的解決無(wú)人操控及無(wú)人值守問(wèn)題。

3 焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛方案設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)是運(yùn)行在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的智能信息系統(tǒng)，涉及到焦?fàn)t、軌道、其它協(xié)同作業(yè)的工藝系統(tǒng)、氣候、車(chē)輛以及運(yùn)維作業(yè)人員。所以，無(wú)人駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須建立在作業(yè)場(chǎng)景的詳細(xì)分析和影響評(píng)估之上，其總體設(shè)計(jì)包含系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、與外部工藝系統(tǒng)的交互、與附著設(shè)備交互設(shè)計(jì)、運(yùn)維作業(yè)的交互設(shè)計(jì)、系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)等。

3.1 無(wú)人駕駛系統(tǒng)內(nèi)部的體系結(jié)構(gòu)

圖1 焦?fàn)t機(jī)車(chē)智能操作系統(tǒng)圖

無(wú)人駕駛系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、中控協(xié)調(diào)控制子系統(tǒng)、位置檢測(cè)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、各車(chē)輛子系統(tǒng)、PDA移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。減輕數(shù)據(jù)中心計(jì)算壓力、同時(shí)減輕通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分利用邊緣計(jì)算技術(shù)，對(duì)車(chē)輛子系統(tǒng)增加了本地計(jì)算功能。

3.2 無(wú)人駕駛系統(tǒng)與外部工藝系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)和外部工藝系統(tǒng)的交互是通過(guò)與無(wú)人駕駛系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。上升管、干熄焦、地面除塵及煤塔下煤系統(tǒng)通過(guò)中控協(xié)同子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖和協(xié)同作業(yè)。在交互過(guò)程中，無(wú)人駕駛系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)外部工藝系統(tǒng)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐，如除塵風(fēng)機(jī)的精確控制、下煤系統(tǒng)的控制等；而外部系統(tǒng)的性能也深深的影響無(wú)人駕駛系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3.3 無(wú)人駕駛系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)盡管車(chē)上無(wú)人，但運(yùn)維人員及中控監(jiān)控人員必不可少。

無(wú)人駕駛系統(tǒng)人機(jī)交互包含多個(gè)維度：系統(tǒng)的監(jiān)控管理、系統(tǒng)的緊急處理管理、系統(tǒng)的身份識(shí)別，系統(tǒng)的運(yùn)維管理、系統(tǒng)安全管理，這些具體的管理措施設(shè)計(jì)都融入各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

3.4 無(wú)人駕駛系統(tǒng)與設(shè)備爐體軌道氣候系統(tǒng)的交互設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)運(yùn)行在設(shè)備、爐體、軌道、氣候場(chǎng)景之中，系統(tǒng)的可靠設(shè)計(jì)必須對(duì)相關(guān)作業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行分割、估值等分析，并采取應(yīng)對(duì)措施。這是無(wú)人駕駛系統(tǒng)能否可靠持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一，這也是無(wú)人駕駛系統(tǒng)成本高的關(guān)鍵要素，這些場(chǎng)景檢測(cè)設(shè)計(jì)貫穿系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中。

3.5 無(wú)人駕駛系統(tǒng)安全防護(hù)設(shè)計(jì)

無(wú)人駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行，必須有全面、詳盡、高效率、穩(wěn)定的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，并且安全防護(hù)設(shè)計(jì)要嵌入在系統(tǒng)中的各個(gè)子系統(tǒng)、各個(gè)層級(jí)。安全防護(hù)設(shè)計(jì)涉及到三個(gè)方面：人員安全防護(hù)、設(shè)備安全防護(hù)、作業(yè)安全防護(hù)。

（1）人員安全防護(hù)。無(wú)人駕駛系統(tǒng)，嚴(yán)格意義上是嚴(yán)禁人員出入作業(yè)區(qū)域的。但是，由于現(xiàn)場(chǎng)需要人工進(jìn)行清掃、檢修及其它應(yīng)急處理等作業(yè)，導(dǎo)致仍然有人員可能在該區(qū)域內(nèi)活動(dòng)。那么，我們要做到的是“無(wú)關(guān)人員能隔離、出入人員有要求、人員進(jìn)入能檢測(cè)、識(shí)別人員能保護(hù)?！?/p>

“無(wú)關(guān)人員能隔離”：用戶在現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)防護(hù)隔離柵估計(jì)有難度，但機(jī)車(chē)必須進(jìn)行身份識(shí)別。系統(tǒng)在車(chē)輛樓梯處、危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)也增加出入口設(shè)施進(jìn)行管理。允許出入人員進(jìn)行注冊(cè)和分類(lèi)管理，出入人員必須刷RFID身份識(shí)別卡才能進(jìn)入，不同類(lèi)別人員進(jìn)出的權(quán)限不同（權(quán)限包含出入位置和時(shí)間段）。

“出入人員有要求”：出入人員必須穿戴有特殊標(biāo)識(shí)的安全防護(hù)衣帽（如反光衣服、顏色鮮明的頭盔）；必須攜帶有源的RFID的身份識(shí)別卡；必須經(jīng)過(guò)安全培訓(xùn)。

“人員進(jìn)入能檢測(cè)”，人員檢測(cè)系統(tǒng)中將包含3種方式：1.RFID檢測(cè)，根據(jù)RFID有源標(biāo)簽信號(hào)檢測(cè)人員；2.機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的人員；3.毫米波雷達(dá)，通過(guò)毫米波的全天時(shí)、全天候、高精準(zhǔn)的特點(diǎn)檢測(cè)人員。

“識(shí)別人員能保護(hù)”，系統(tǒng)會(huì)制定詳細(xì)的規(guī)則：雨雪大霧天氣作業(yè)規(guī)程，禁止某些非緊急作業(yè)、在緊急作業(yè)情況下根據(jù)作業(yè)類(lèi)型決定系統(tǒng)是否取消無(wú)人駕駛狀態(tài)；非雨霧天氣作業(yè)規(guī)程，在允許人員和車(chē)輛交互作業(yè)的情況下，系統(tǒng)能夠能夠根據(jù)人員所處的位置、行為來(lái)判別危險(xiǎn)程度來(lái)進(jìn)行處理。例如，人員只是在非作業(yè)區(qū)域，則只進(jìn)行報(bào)警提示，并不中斷作業(yè)；若人員在爐前等作業(yè)區(qū)域或危險(xiǎn)區(qū)域，則立即暫停相關(guān)作業(yè)，報(bào)警提示。

（2）設(shè)備安全防護(hù)。設(shè)備安全防護(hù)的主要措施有：設(shè)備狀態(tài)自診斷、設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全聯(lián)鎖、設(shè)備作業(yè)過(guò)程防護(hù)。

設(shè)備狀態(tài)自診斷，對(duì)設(shè)備的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、趨勢(shì)三個(gè)方面進(jìn)行故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提前預(yù)估隱患。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)安全聯(lián)鎖，即設(shè)備啟動(dòng)條件聯(lián)鎖、設(shè)備運(yùn)行中聯(lián)鎖。設(shè)備作業(yè)過(guò)程防護(hù)，除了故障自診斷外，還將對(duì)作業(yè)動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行安全限定。主要有，作業(yè)時(shí)長(zhǎng)限定，各個(gè)作業(yè)動(dòng)作設(shè)定極限作業(yè)時(shí)長(zhǎng)、以及作業(yè)等待時(shí)長(zhǎng)；作業(yè)行程限定，機(jī)構(gòu)動(dòng)作行程設(shè)定極限行程；作業(yè)速度限定，機(jī)構(gòu)在特定動(dòng)作作業(yè)時(shí)進(jìn)行速度限制，避免出現(xiàn)速度過(guò)快、機(jī)構(gòu)姿態(tài)有問(wèn)題而發(fā)生刮、蹭、撞、別等現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人駕駛系統(tǒng)本質(zhì)上是一套智能化信息處理系統(tǒng)，以傳感檢測(cè)、智能控制為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)無(wú)人化為核心訴求。無(wú)人駕駛系統(tǒng)需要解決的是將車(chē)輛已有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的人工操控、改成安全可靠能持續(xù)運(yùn)行的無(wú)人操控和無(wú)人值守，解決上述技術(shù)難題實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t車(chē)輛無(wú)人值守，完成焦化智能企業(yè)工廠目標(biāo)指日可待。