基于多源信息融合的鑄造起重機智能感知和智能監(jiān)測研究

王 飛

（上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠， 江蘇 南京 210039）

0 引言

近年來，隨著智能化技術的快速發(fā)展，智能物流、智能制造、設備智能運維等場景對起重機智能化的需求迅速增加，一鍵煉鋼、無人車間、黑燈工廠等行業(yè)變革更是將上述領域智能化起重機的需求推向高潮，起重機制造商競相研發(fā)智能化技術，根據(jù)客戶需求提供了多種不同應用場合的智能化起重機。然而，起重機智能化運行的效率、穩(wěn)定性尚未滿足客戶預期，可靠性、可用性、可維修性和安全性尚有較大欠缺，甚至連續(xù)發(fā)生多次停產(chǎn)故障或傷亡事故，對起重機智能化技術的推廣產(chǎn)生了重大負面影響。

鑄造起重機是鋼廠吊運液態(tài)熔融金屬的關鍵設備，工作環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生事故，將造成非常嚴重的危害。提高鑄造起重機智能化水平，可極大地降低勞動強度、提升生產(chǎn)安全性、優(yōu)化煉鋼工藝步驟之間的銜接程度、提高生產(chǎn)效率[1]。

研究智能化起重機的工程案例發(fā)現(xiàn)，智能化吊具、防搖擺與精確定位、路徑規(guī)劃與障礙物避讓、無線傳輸和視頻監(jiān)控等所謂智能化技術，包括智能化運行的管理、調度和監(jiān)控等三大系統(tǒng)，全部是解決自動化運行的技術，只能代替人的操作實現(xiàn)起重機自動運行，尚不能代替人對起重機的運行進行自動感知、自我分析、自主決策和自動執(zhí)行等，如操作者發(fā)現(xiàn)溜鉤需緊急制動、出現(xiàn)異響需檢查傳動鏈或啃軌等感知與決策行為，特別是軟件崩潰、信息傳遞延遲或中斷等故障，導致起重機在無操控狀態(tài)下自由運行，從而造成人身傷亡、財產(chǎn)損失等嚴重損害。因此，本文以鑄造起重機智能化實際應用需求出發(fā)，研究基于多源信息融合的鑄造起重機的智能感知和智能監(jiān)測。

1 智能感知

要實現(xiàn)鑄造起重機的自動巡航、自動掛鉤及自動坐包等運行，必須提升智能感知和智能監(jiān)測的可靠性。智能感知是通過限位開關、編碼器、紅外雷達、微波雷達和激光雷達等硬件設備，借助視覺識別、數(shù)字孿生等前沿技術，映射到數(shù)字世界，再將這些數(shù)字信息進一步提升至可認知的層次[2]。

煉鋼廠環(huán)境條件惡劣復雜，溫度高、光線差、粉塵多，通過多種感知手段反饋回來的信息可能一致，也可能不一致。得到這樣的多種信息該如何分析處理，是困擾安全生產(chǎn)運行的一大難題。

工業(yè)5G 專網(wǎng)作為主傳輸網(wǎng)絡，工業(yè)WiFi 作為備份，采用5G 和工業(yè)WiFi 自動切換的無線網(wǎng)絡傳輸架構，充分保證了煉鋼車間惡劣環(huán)境下遠程操作的安全，確?？刂坪蜖顟B(tài)信號、實時視頻監(jiān)控圖像的高質量、低時延穩(wěn)定傳輸。

通過在煉鋼車間廠房兩端各部署一個5G 網(wǎng)絡AAU 微基站，煉鋼車間實現(xiàn)了5G 信號全覆蓋。每臺起重機上分別部署2 個工業(yè)CPE 終端，CPE 通過網(wǎng)線接入車載AR 交換機，車載AR 交換機與起重機控制系統(tǒng)核心交換機連接。每個CPE 終端對應1 個AAU，通過5G 網(wǎng)絡的雙發(fā)選收技術，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡內(nèi)部的通訊信號冗余傳輸。

5G 網(wǎng)絡和工業(yè)WiFi 均進入AR 交換機輸入端口，AR 交換機輸出端口連接至起重機控制核心交換機。AR 交換機默認采用5G 網(wǎng)絡端口進行信號傳輸，工業(yè)WiFi 端口默認為阻塞狀態(tài)。AR 交換機實時監(jiān)測網(wǎng)絡狀態(tài)，當檢測到5G 網(wǎng)絡端口信號傳輸中斷且延時時間超過設定的閾值時，會自動關閉5G 網(wǎng)絡端口，打開工業(yè)WiFi 端口，切換到工業(yè)WiFi 傳輸模式。5G 網(wǎng)絡恢復正常后，又會自動切換至5G 傳輸模式。

2 智能監(jiān)測

鑄造起重機常常存在著一些非健康的狀態(tài)，如設備由于磨損、斷裂、腐蝕導致出現(xiàn)異常狀態(tài)；電控部分出現(xiàn)觸頭粘連、元器件老化和腐蝕等異常狀態(tài)；安全防護失靈會出現(xiàn)起重作業(yè)超載、碰撞、過卷揚等。若不及時排除并維護管理，必將引發(fā)重大安全事故[3]。

智能監(jiān)測通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對起重機運行狀態(tài)和周圍環(huán)境的實時監(jiān)測功能，包括起重機行走視頻監(jiān)控、吊鉤視頻監(jiān)控、軌道異物監(jiān)測、司機室異響監(jiān)測和軌道異響監(jiān)測等內(nèi)容。這樣獲取的信息十分龐大，若不能通過信息分析做出決策，將會影響設備安全可靠運行。

基于語音識別技術的起重機人機語音交互系統(tǒng)，采用專業(yè)的六麥環(huán)形陣列麥克風語音識別模塊，接收工作人員的語音指令，降噪處理后，轉換成語音命令，發(fā)送給工業(yè)電腦一體機。工業(yè)電腦一體機主要負責管理語音處理終端、通訊處理單元等設備，讀寫語音編碼庫數(shù)據(jù)。工業(yè)電腦一體機與語音編碼庫匹配后，交由通訊處理單元CU 發(fā)送給起重機管理系統(tǒng)。通訊處理單元CU 接收到起重機管理系統(tǒng)的指令后，發(fā)送給工業(yè)電腦一體機與語音編碼庫進行匹配后，發(fā)給語音處理終端，以聲音的方式播報給現(xiàn)場工作人員。語音處理終端一方面接收現(xiàn)場工作人員的聲音并轉換成文字，發(fā)送給工業(yè)電腦一體機進行匹配，另一方面接收工業(yè)電腦的語音指令，轉換成聲音，播放給現(xiàn)場工作人員。在發(fā)生緊急情況時，通過語音報警可提醒司機當前起重機面臨的問題，大大提高了起重機的安全性。

3 多源信息融合

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、計算機信息技術以及人工智能的快速發(fā)展，多源信息融合技術的應用領域不斷擴展[4]。

在鑄造起重機智能感知和智能監(jiān)測中，針對限位開關、編碼器、紅外雷達、微波雷達、激光雷達、起重機行走視頻監(jiān)控、吊鉤視頻監(jiān)控、軌道異物監(jiān)測、司機室異響監(jiān)測和軌道異響監(jiān)測等數(shù)據(jù)，采用基于專家?guī)斓亩嘣葱畔⑷诤戏椒?，通過分析多種因素之間的關聯(lián)性，給出基于專家?guī)斓木C合權重系數(shù)，通過權重系數(shù)來給出最終的分析判斷，用以指導智能感知和智能監(jiān)測。在實際應用中，隨著數(shù)據(jù)的規(guī)模越來越大，專家?guī)斓臋嘀叵禂?shù)也會不斷更新，更符合實際情況。

4 安全防護

起重機采用中控PLC 與煉鋼系統(tǒng)中的大包回轉系統(tǒng)、鐵鋼包運輸車系統(tǒng)、轉爐控制系統(tǒng)、傾翻系統(tǒng)及廠房UWB 人員定位系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互和連鎖，實現(xiàn)起重機自動運行過程中的工藝流程連鎖，保證掛包和放包安全。采用先進的UWB 定位系統(tǒng)，定位精度可達30 cm。廠房內(nèi)人員均處于定位和監(jiān)控中，被實時分析，并傳送至起重機控制系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)越界、危險進入等違規(guī)事件，將會報警和記錄。起重機控制系統(tǒng)結合起重機位置和運行狀態(tài)，判斷是否需要減速或者停機，主動避讓地面人員。配置起重機防撞系統(tǒng)，避免起重機發(fā)生碰撞。信息管控軟件采用用戶名和密碼管理，對操作人員權限進行管理。設置大車軌道異物監(jiān)測和人員上下車識別系統(tǒng)，保證起重機運行過程中的人員安全。PLC 采用故障安全型，使遠程起重機控制系統(tǒng)達到SIL3 安全等級。

5 結語

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國人口紅利逐步喪失，低成本傳統(tǒng)優(yōu)勢明顯減弱，依靠勞動力低成本、資源過度開發(fā)和犧牲環(huán)境贏得競爭優(yōu)勢的要素驅動型增長模式已難以為繼，技術引進的可行空間也越來越小。產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟發(fā)展急需在創(chuàng)新驅動引領下，突破一批制約我國產(chǎn)業(yè)轉型升級和高質量發(fā)展的關鍵核心技術、關鍵基礎材料、關鍵成套裝備等技術裝備“卡脖子”瓶頸，支撐引領經(jīng)濟高質量發(fā)展的特色產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、價值鏈和供應鏈，重塑并加快形成產(chǎn)業(yè)與經(jīng)濟發(fā)展新優(yōu)勢，壯大發(fā)展新動能，加快推動經(jīng)濟特別是制造業(yè)發(fā)展的質量變革、效率變革、動力變革。

本文以鑄造起重機智能化實際應用出發(fā)，對智能感知和智能監(jiān)測進行了深入分析，最終給出了一種基于多源信息融合的鑄造起重機的智能感知和智能監(jiān)測，為起重機作業(yè)提供智能化解決方案。