基于多任務(wù)多設(shè)備協(xié)調(diào)的炭塊庫無人堆垛系統(tǒng)研究與應(yīng)用

楊 飛 楊海東 劉 俊 鄭正國 高文義

1內(nèi)蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責(zé)任公司 霍林郭勒 029200 2貴陽鋁鎂設(shè)計研究院有限公司 貴陽 550081 3株洲天橋起重機(jī)股份有限公司 株洲 412000 4云南神火鋁業(yè)有限公司 文山 663000

0 引言

目前國內(nèi)鋁用炭素企業(yè)在陽極炭塊倉儲的智能化方面相對落后，堆垛廠房由人工駕駛橋式起重機(jī)完成炭塊搬運(yùn)作業(yè)，倉儲信息依靠工人記錄，炭塊庫區(qū)工作環(huán)境惡劣，工人勞動強(qiáng)度較大，操作機(jī)械枯燥，堆垛起重機(jī)缺乏科學(xué)合理調(diào)度，沒有精確的出入庫及庫存數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測和炭塊信息跟蹤，因此，研究堆垛橋式起重機(jī)智能控制技術(shù)、調(diào)度模型，開發(fā)炭塊庫無人堆垛系統(tǒng)，對促進(jìn)鋁用炭素工廠向智能工廠的升級轉(zhuǎn)變，減少勞動定員，提高生產(chǎn)管理水平，減少安全事故發(fā)生具有非常重要的意義。

1 炭塊倉儲

1.1 炭塊倉儲的智能化需求

炭塊庫是連接生陽極和焙燒陽極的中轉(zhuǎn)站，擔(dān)負(fù)著鋁用炭素企業(yè)成型、焙燒和組裝3大工序的橋梁紐帶，在炭塊庫車間中分布有地面輸送鏈板設(shè)備，通過鏈板將炭塊輸送到各個車間。炭素企業(yè)炭塊庫車間的典型布局如圖1所示。

圖1 炭塊庫車間典型布局

生產(chǎn)出的炭塊并非立即使用，需要在炭塊庫內(nèi)臨時存放，炭塊庫一般可分為2～3跨廠房，每一跨廠房配備有1～2臺堆垛橋式起重機(jī)，負(fù)責(zé)庫內(nèi)的炭塊搬運(yùn)作業(yè)，堆垛橋式起重機(jī)的工作任務(wù)如圖2所示。

圖2 堆垛橋式起重機(jī)工作任務(wù)

目前來看，大多數(shù)鋁用炭素企業(yè)炭塊庫中的堆垛橋式起重機(jī)自動化、智能化程度較低，缺乏科學(xué)合理的調(diào)度，經(jīng)過對多家炭素企業(yè)進(jìn)行調(diào)研，目前企業(yè)的炭塊轉(zhuǎn)運(yùn)站存在一些問題：1）堆垛橋式起重機(jī)設(shè)備智能化程度不高，還需要人工駕駛，設(shè)備故障率較高；2）堆垛橋式起重機(jī)的調(diào)度仍然是人工調(diào)度模式，作業(yè)效率較低；3）炭塊夾損率高，與起重機(jī)駕駛員責(zé)任心、操作技能及起重機(jī)性能密切相關(guān)；4）橋式起重機(jī)工人工作環(huán)境惡劣、操作機(jī)械枯燥，勞動強(qiáng)度較大；5）庫房沒有嚴(yán)格合理的區(qū)域劃分，沒有精確的出入庫及庫存數(shù)據(jù)，無法動態(tài)監(jiān)測與炭塊信息跟蹤；6）存在搬運(yùn)中炭塊掉落及炭塊堆垛倒塌等較大的人身安全隱患。

開發(fā)鋁用陽極炭塊庫無人堆垛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堆垛橋式起重機(jī)的自動運(yùn)行、智能調(diào)度操作，優(yōu)化庫存管理，對提高庫房運(yùn)轉(zhuǎn)率意義重大，也是鋁用炭素企業(yè)智能制造發(fā)展的趨勢。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外的炭塊倉儲及堆垛機(jī)組的無人行車技術(shù)起源于21世紀(jì)初的韓國，1998年某制鐵集團(tuán)由于橋式起重機(jī)操作工不滿工作環(huán)境惡劣，需研發(fā)智能橋式起重機(jī)以減少操作人員。2002年，第一部無人值守橋式起重機(jī)研發(fā)成功。目前國外運(yùn)作模式已為半智能狀態(tài)，即作業(yè)現(xiàn)場已實(shí)現(xiàn)了無人化，堆垛機(jī)組已無需人工操作，但整個控制系統(tǒng)還需要人工操作，出現(xiàn)異常系統(tǒng)不能智能識別，需要靠人工識別、判斷、處理，缺少整套的炭塊庫自動化管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)無人調(diào)度和倉儲的智能管理。國外的理論研究也較多，He H N等[1]針對鋼鐵生產(chǎn)倉庫智能化建設(shè)，完整概括了智能橋式起重機(jī)的快速自感知、精確定位、運(yùn)動學(xué)模型、基于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的夾具擺動控制、基于激光雷達(dá)的車輛識別系統(tǒng)、基于多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)的橋式起重機(jī)調(diào)度方法，有很大的借鑒意義。Tasoglu G等[2]提出了一種考慮隨機(jī)處理時間的無沖突岸邊橋式集裝箱起重機(jī)調(diào)度算法，將基于模擬退火的優(yōu)化過程與參數(shù)化仿真模型相結(jié)合，解決泊位分配和碼頭吊車調(diào)度問題。

目前，國內(nèi)炭塊倉儲系統(tǒng)及堆垛橋式起重機(jī)尚停留在人工配合設(shè)備完成簡單的機(jī)械操作階段，由橋式起重機(jī)操作員在駕駛艙中手動操作堆垛橋式起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)堆垛和裝卸車等各種上下塊作業(yè)，生產(chǎn)效率低，自動化水平有待提高。在無人駕駛技術(shù)方面，國內(nèi)BG的鋼卷庫引進(jìn)了國外的技術(shù)，TG部分引進(jìn)國外技術(shù)，研發(fā)都屬于起步階段。在理論研究方面，自2004年起向無人化、智能感知、最優(yōu)優(yōu)化等方向蓬勃發(fā)展；張燦[3]提出了一種通過劃分區(qū)域建立坐標(biāo)系、多軸定位等方法改進(jìn)橋式起重機(jī)的準(zhǔn)確識別和吊運(yùn)狀態(tài)識別方法；寇晨光[4]從生產(chǎn)調(diào)度的角度出發(fā)，研究訂單驅(qū)動對車間生產(chǎn)方式的影響，以最小化機(jī)床等待時間和最小化最長完工時間為目標(biāo)，采用遺傳算法進(jìn)行求解得到橋式起重機(jī)的最優(yōu)控制方法；孫立紅等[5]結(jié)合工業(yè)4.0概念，從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的角度提出了入網(wǎng)的智能化橋式起重機(jī)概念和待解決的問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享提高生產(chǎn)效率。

總體來看，除鋼鐵行業(yè)外，國內(nèi)外關(guān)于橋式起重機(jī)無人駕駛技術(shù)及自動調(diào)度的研究集中在船舶碼頭集裝箱裝卸方面[6]，在陽極炭塊倉儲無人化方面的研究則相對比較滯后。

按今后的發(fā)展趨勢，需要一款先進(jìn)可靠的智能陽極堆垛橋式起重機(jī)、地面設(shè)備及倉儲管理系統(tǒng)。使用傳感器、變頻器、PLC、中央控制器及無線通訊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)陽極堆垛機(jī)組的自動定位、自動夾取，自動堆垛等。機(jī)組需具有遠(yuǎn)程控制和本地控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、車間防撞、故障報警、故障記錄功能，用以實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行，行走路線自學(xué)習(xí)、自定義等。研發(fā)無人炭塊倉儲系統(tǒng)，智能優(yōu)化運(yùn)行模式，完成精確、快速的位置定位和堆垛，無需反復(fù)確認(rèn)，節(jié)省操作時間，提高作業(yè)效率。機(jī)組重復(fù)定位精度高，可提高炭塊多層堆垛的穩(wěn)定性，降低安全隱患。根據(jù)倉儲管理系統(tǒng)，智能推薦出入庫位置，合理規(guī)劃，提高運(yùn)轉(zhuǎn)率；并自動記錄每一批炭塊的時間和位置信息，自動生成報表，提供信息查詢等實(shí)現(xiàn)車間的信息化管理。

1.3 炭塊無人堆垛系統(tǒng)的特點(diǎn)和難題

構(gòu)建炭塊無人堆垛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)堆垛橋式起重機(jī)的無人駕駛、智能調(diào)度，亟需解決的問題主要集中在硬件設(shè)備方面和在調(diào)度管理方面。

1.3.1 硬件設(shè)備

1）堆垛橋式起重機(jī)本體智能化改造 目前國內(nèi)的堆垛橋式起重機(jī)技術(shù)發(fā)展相對滯后，企業(yè)堆垛橋式起重機(jī)大多是人工駕駛的機(jī)械模式，僅部分新建工廠的堆垛橋式起重機(jī)配備了PLC控制系統(tǒng)，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足自動化控制和智能調(diào)度要求。

2）外購炭塊卸車引導(dǎo) 受制于車輛型號、車廂尺寸、裝卸方式、炭塊規(guī)格、炭塊擺放整齊度等客觀因素，很難自動精準(zhǔn)定位到炭塊位置，并進(jìn)行夾取作業(yè)，目前企業(yè)的卸車作業(yè)都是通過橋式起重機(jī)駕駛員+地面輔助人員協(xié)作完成，往往需要多次嘗試。

3）單個炭塊夾取精度 夾取精度是堆垛橋式起重機(jī)自動控制的難點(diǎn)之一，不僅與控制方法有關(guān)，也和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，目前企業(yè)的單塊作業(yè)都是通過橋式起重機(jī)駕駛員+地面輔助人員協(xié)作完成。

1.3.2 調(diào)度管理

1）任務(wù)的多樣性與復(fù)雜性 炭塊倉儲作業(yè)中周期任務(wù)、循環(huán)任務(wù)、事件任務(wù)等多類型任務(wù)并存，需要綜合調(diào)度與資源分配，實(shí)現(xiàn)計算實(shí)時性和服務(wù)一體化。

2）設(shè)備的多樣性 炭塊庫中有堆垛橋式起重機(jī)、地面輸送鏈板、裝卸車輔助設(shè)備等多種多樣設(shè)備，任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行既要考慮效率也要兼顧生產(chǎn)節(jié)拍。

3）橋式起重機(jī)調(diào)度算法優(yōu)化問題 該問題本質(zhì)是數(shù)學(xué)優(yōu)化問題，目前橋式起重機(jī)作業(yè)的調(diào)度指令仍然需要人為操縱或預(yù)設(shè)，缺乏數(shù)學(xué)的統(tǒng)籌優(yōu)化方法，雖然已有多篇文獻(xiàn)給出了不同的橋式起重機(jī)調(diào)度問題優(yōu)化算法，但實(shí)際應(yīng)用可能遠(yuǎn)比數(shù)學(xué)建模的情景更加復(fù)雜，需要根據(jù)生產(chǎn)場景優(yōu)化和改進(jìn)。

2 堆垛橋式起重機(jī)智能化技術(shù)研究

堆垛橋式起重機(jī)智能化改造的目的使橋式起重機(jī)具備自動精準(zhǔn)定位、大小車自動行走功能，自動接收調(diào)度系統(tǒng)指令，自動完成炭塊搬運(yùn)作業(yè)，通過無人駕駛或遠(yuǎn)程操控堆垛橋式起重機(jī)，實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)一鍵自動運(yùn)行和橋式起重機(jī)遠(yuǎn)程控制的目標(biāo)，一臺智能堆垛橋式起重機(jī)設(shè)備至少包括如下特征：自動檢測裝置、遠(yuǎn)程通訊模塊、自動控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能單夾具，如圖3所示。

圖3 智能堆垛橋式起重機(jī)設(shè)備的特征

1）自動檢測裝置 自動檢測裝置安裝在橋式起重機(jī)上，使橋式起重機(jī)能夠感知自身和環(huán)境狀態(tài)，當(dāng)與目標(biāo)出現(xiàn)偏差時，能夠自動調(diào)整修正。自動檢測裝置主要包括大小車方向定位裝置、夾具起升方向定位裝置、起重量檢測裝置、缺塊漏塊檢測裝置、斷繩檢測裝置、夾具組夾持狀態(tài)識別裝置、安全防撞距離檢測裝置等。大部分檢測裝置目前都有較為成熟的產(chǎn)品，如精準(zhǔn)定位可采用二維碼測距傳感器或激光定位器，炭塊檢測可采用超聲波傳感器，夾具狀態(tài)識別可采用力學(xué)傳感器或測距尺等方式，少部分檢測裝置在精度方面需要進(jìn)一步提高，或針對炭塊作業(yè)做定制設(shè)計。

2）遠(yuǎn)程通訊模塊 遠(yuǎn)程通訊模塊讓橋式起重機(jī)在快速移動過程中仍然保持與地面控制系統(tǒng)穩(wěn)定的通訊，通常采用工業(yè)無線，在地面設(shè)置無線接入點(diǎn)AP，橋式起重機(jī)設(shè)備上設(shè)置無線客戶端，車間與中控室之間采用光纖傳輸，移動終端采用工業(yè)WiFi，如果企業(yè)已經(jīng)建設(shè)了5G網(wǎng)絡(luò)，也可以使用5G方式進(jìn)行通信。

3）自動控制系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)使橋式起重機(jī)設(shè)備具備按照預(yù)定邏輯連貫的完成一套復(fù)雜動作的能力，例如自動行走和夾取，通過對PLC進(jìn)行加裝或升級，對控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，由原來的本地控制模式升級為支持遠(yuǎn)程模式，由原來的只能執(zhí)行單個機(jī)構(gòu)動作，升級為能執(zhí)行一系列的原子操作。

4）視頻監(jiān)控系統(tǒng) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)是無人化作業(yè)的重要安全保障措施之一，通過在橋式起重機(jī)合適的位置設(shè)置2～4個攝像頭，實(shí)時拍攝夾具和作業(yè)場景畫面，使維護(hù)人員能夠遠(yuǎn)程實(shí)時查看橋式起重機(jī)的工作狀況或操作橋式起重機(jī)。

5）智能單夾具 針對單個炭塊在取出和放入時對操作精度要求較高的問題，提出一種基于激光檢測、圖像識別技術(shù)的智能單夾具微動平臺[7]，實(shí)現(xiàn)3自由度單夾具位置和姿態(tài)微動調(diào)整，完成單個炭塊的自動精準(zhǔn)夾取。

除了上述幾點(diǎn)，還需要進(jìn)行一些物理機(jī)械改裝、軌道打磨等，以及增加必要的安全保障措施。

智能堆垛橋式起重機(jī)設(shè)備的構(gòu)建，使無人堆垛系統(tǒng)有了基礎(chǔ)保障，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，不同的橋式起重機(jī)設(shè)備改造難度不同，新建的企業(yè)設(shè)備技術(shù)更新，能更快速地完成改造升級。

3 多任務(wù)多設(shè)備協(xié)調(diào)模型研究

多任務(wù)和多設(shè)備協(xié)調(diào)在金屬冶煉、加工鑄造、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)普遍存在，是目前學(xué)術(shù)和工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在越來越廣泛的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在鋁用陽極炭塊倉儲中，周期任務(wù)、循環(huán)任務(wù)、事件任務(wù)、衍生任務(wù)等多類型任務(wù)并存，這里的衍生任務(wù)，是指為了執(zhí)行正常任務(wù)而自動增加的任務(wù)，例如橋式起重機(jī)設(shè)備有干擾時會增加避讓任務(wù)，生塊炭塊下線時增加自動等待任務(wù)。針對上述特性，提出一種分級任務(wù)隊列模型，通過對優(yōu)先級、時序等要素的綜合計算實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度，模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多任務(wù)調(diào)度模型

1）任務(wù)生成模塊 負(fù)責(zé)任務(wù)的生成、有效性檢測、初始化等，通過事件響應(yīng)、定時觸發(fā)、循環(huán)控制等生成對應(yīng)類型的任務(wù)，然后推送到分級隊列管理模塊。

2）分級隊列管理模塊 管理和維護(hù)分級隊列，監(jiān)控任務(wù)的入隊和出隊。

3）多任務(wù)調(diào)度模塊 根據(jù)綜合計算結(jié)果，將優(yōu)先級最高的任務(wù)推送到調(diào)度任務(wù)隊列，進(jìn)入設(shè)備調(diào)度環(huán)節(jié)。

在鋁用陽極炭塊倉儲中堆垛橋式起重機(jī)設(shè)備、地面輸送設(shè)備、裝卸車設(shè)備等多設(shè)備協(xié)同工作，涉及區(qū)域路徑、倉儲資源、設(shè)備資源的競爭和共享。針對這一特性，提出一種基于多Agent協(xié)調(diào)和局部尋優(yōu)的調(diào)度模型[8]，通過多Agent的協(xié)調(diào)尋找局部最優(yōu)解實(shí)現(xiàn)多設(shè)備調(diào)度，模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 多設(shè)備調(diào)度模型

整個調(diào)度模型分為3類Agent，第一類是基礎(chǔ)資源Agent，包括數(shù)據(jù)訪問控制Agent、任務(wù)管理Agent、庫位管理Agent，為調(diào)度分析提供基礎(chǔ)支持；第二類是設(shè)備資源Agent，包括輸送設(shè)備Agent、橋式起重機(jī)設(shè)備Agent，是任務(wù)的執(zhí)行主體；第三類是調(diào)度協(xié)調(diào)Agent，即分析處理Agent，通過對任務(wù)目標(biāo)、資源信息、設(shè)備狀態(tài)的綜合計算評估，得出需要執(zhí)行的任務(wù)、所需的基礎(chǔ)資源、執(zhí)行的設(shè)備，下發(fā)指令調(diào)度設(shè)備執(zhí)行。

多任務(wù)調(diào)度模型和多設(shè)備調(diào)度模型共同完成了任務(wù)創(chuàng)建、任務(wù)調(diào)度、任務(wù)執(zhí)行的整個流程，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的有序調(diào)度執(zhí)行，為無人堆垛系統(tǒng)提供了核心和大腦。

4 無人堆垛系統(tǒng)應(yīng)用

針對炭塊倉儲中設(shè)備數(shù)量多、地點(diǎn)分散的特點(diǎn)，研發(fā)無人堆垛系統(tǒng)，其核心思想是在設(shè)備智能化升級改造的基礎(chǔ)上，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打通各分散的設(shè)備及邊緣終端與中央控制系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)通訊屏障，并采用科學(xué)的分析模型和調(diào)度算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和自動運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)，系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)如6圖所示。

圖6 系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)劃分為邊緣設(shè)備層、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層、融合計算層、應(yīng)用操作層，向上的數(shù)據(jù)流是狀態(tài)信息的傳輸，向下的數(shù)據(jù)流是控制指令的下發(fā)，加上貫穿整個系統(tǒng)的安全保障體系，形成了鋁用陽極炭塊庫無人堆垛系統(tǒng)整體解決方案。邊緣設(shè)備層包括智能堆垛橋式起重機(jī)設(shè)備、智能地面輸送線設(shè)備、自動卸車引導(dǎo)系統(tǒng)等，通過檢測裝置的加裝和升級改造，使設(shè)備具備自動控制的基礎(chǔ)；物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層是采用工業(yè)無線、工業(yè)WiFi、光纖通信等構(gòu)建的物聯(lián)網(wǎng)，使孤立的設(shè)備和系統(tǒng)之間可以互通互聯(lián)；融合計算層主要是橋式起重機(jī)調(diào)度和倉儲管理系統(tǒng)，將匯聚的數(shù)據(jù)融合計算，自動控制各設(shè)備協(xié)同作業(yè)，是整個系統(tǒng)的核心和大腦；應(yīng)用操作層主要是操作維護(hù)終端，為維護(hù)人員提供豐富的遠(yuǎn)程操作模式和展示界面；安全保障體系包括數(shù)據(jù)安全、通信安全、設(shè)備安全、人員安全等，主要通過數(shù)據(jù)加密、權(quán)限控制、異常告警、信號隔離、運(yùn)動防撞、物理圍欄等一系列安全措施，保障安全生產(chǎn)。

系統(tǒng)在某鋁用炭素企業(yè)應(yīng)用實(shí)施，取得了較好的應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了橋式起重機(jī)作業(yè)的無人化、炭塊倉儲的智能管理，圖7為該應(yīng)用系統(tǒng)主界面示意圖。

圖7 系統(tǒng)主頁

系統(tǒng)的成功應(yīng)用顯著減少了企業(yè)的人力成本，炭塊庫車間從原來的5班3倒共12人減少到5人，同時也讓企業(yè)告別了紙質(zhì)化辦公模式，極大地提升了炭塊庫管理的整體水平。

5 結(jié)語

通過對堆垛橋式起重機(jī)和地面輸送線等硬件設(shè)備的智能化改造，建立多任務(wù)多設(shè)備協(xié)調(diào)的調(diào)度模型，開發(fā)出炭塊無人堆垛系統(tǒng)，解決了炭塊倉儲中無人橋式起重機(jī)調(diào)度、炭塊自動上下線、自動裝卸車等問題，實(shí)現(xiàn)庫存數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)控，滿足了鋁用炭素企業(yè)生產(chǎn)無人化、智能化發(fā)展的需要，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，但國內(nèi)一些年限較長的炭素企業(yè)，設(shè)備陳舊，廠房設(shè)施落后，改造成本較高，制約了整個行業(yè)邁向智能化的步伐。