焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)方案設計

李玉菲

（河鋼集團唐鋼公司信息自動化部，河北 唐山 063000）

焦爐車輛無人駕駛是焦化企業(yè)前瞻的戰(zhàn)略選擇，也是行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實趨勢，更屬于國家大力鼓勵扶持的智能制造范疇，其對于焦化企業(yè)的發(fā)展有著重大意義，首先，它是焦化智能工廠建設必不可少的環(huán)節(jié)；其次，無人駕駛可以大幅減人增效；最后，可以規(guī)范焦爐作業(yè)管理、提高焦爐生產(chǎn)效率、實現(xiàn)焦爐作業(yè)過程的數(shù)字化、智能化，為焦化智能工廠提供數(shù)據(jù)支撐。加快焦爐機車無人駕駛是焦化企業(yè)未來的必然發(fā)展趨勢。

1 背景

焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)是焦爐作業(yè)車輛上的無人化，不僅僅是無人操控、更關鍵的是要實現(xiàn)焦爐車輛作業(yè)過程中的無人值守，只有真正實現(xiàn)無人值守才能實現(xiàn)減人增效，降低安全事故隱患。焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)本質上是一套智能化信息處理系統(tǒng)，以傳感檢測、智能控制為基礎，以系統(tǒng)無人化為核心訴求。

焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)，根據(jù)技術發(fā)展和演化可分為1.0、2.0、3.0及4.0時代。1.0完全是人工指揮、人工駕駛，沒有任何車輛間作業(yè)管控系統(tǒng)，國內2000年前后焦爐車輛基本屬于1.0時代；2.0級以焦爐車輛聯(lián)鎖定位通信和操作記錄管理以及車輛本身的單元自動為標志；3.0級在車輛作業(yè)間的聯(lián)鎖對位和車輛單元自動基礎上實現(xiàn)一鍵操作、有人值守；4.0級實現(xiàn)焦爐車輛無人駕駛，在焦爐車輛可靠的單元自動及聯(lián)鎖對位基礎上，大規(guī)模采用各類傳感檢測技術、識別焦爐車輛作業(yè)過程的各類風險、自動分發(fā)作業(yè)計劃、焦爐車輛自動完成相關作業(yè)，并且記錄作業(yè)數(shù)據(jù)、在線優(yōu)化作業(yè)過程、預測車輛故障。

目前，國內焦爐車輛作業(yè)基本上屬于3.0時代，如何實現(xiàn)由3.0到4.0時代的跨越，為焦化企業(yè)提供可持續(xù)運行的安全可靠的焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)，是本文研究的目標。

2 無人駕駛系統(tǒng)的關鍵技術

焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)，本質上是一套基于人工智能技術的管理控制系統(tǒng)，其管理控制涉及的對象包括車輛、軌道、爐體、運維人員多個維度，車輛只是其關鍵對象之一，并非全部。控制對象的車輛近十多年來的技術進步、更多的是增加一些執(zhí)行機構（功能硬件），完成過去必須由人工實現(xiàn)的功能。所以，無人駕駛系統(tǒng)其關鍵技術是基于人工智能的信息技術，其具體內容涵括如下：①基于焦爐操作工藝的系統(tǒng)可靠性安全性框架設計；②計劃編排、調度及重調度技術；③復雜場景的傳感檢測及數(shù)據(jù)融合技術；④模型及人工智能算法；⑤業(yè)務流程及專家知識梳理和發(fā)現(xiàn)；⑥人機交互設計。

只要焦爐爐體、軌道、車輛能夠滿足在車輛單元自動情況下，由人工駕駛車輛完成相關作業(yè)，自動駕駛系統(tǒng)需要完成的難題就是如何確保安全可靠持續(xù)的解決無人操控及無人值守問題。

3 焦爐車輛無人駕駛方案設計

無人駕駛系統(tǒng)是運行在復雜工業(yè)環(huán)境的智能信息系統(tǒng)，涉及到焦爐、軌道、其它協(xié)同作業(yè)的工藝系統(tǒng)、氣候、車輛以及運維作業(yè)人員。所以，無人駕駛系統(tǒng)的設計必須建立在作業(yè)場景的詳細分析和影響評估之上，其總體設計包含系統(tǒng)的體系結構、與外部工藝系統(tǒng)的交互、與附著設備交互設計、運維作業(yè)的交互設計、系統(tǒng)安全設計等。

3.1 無人駕駛系統(tǒng)內部的體系結構

圖1 焦爐機車智能操作系統(tǒng)圖

無人駕駛系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)、中控協(xié)調控制子系統(tǒng)、位置檢測子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、各車輛子系統(tǒng)、PDA移動監(jiān)控系統(tǒng)。減輕數(shù)據(jù)中心計算壓力、同時減輕通信網(wǎng)絡負擔，本系統(tǒng)設計充分利用邊緣計算技術，對車輛子系統(tǒng)增加了本地計算功能。

3.2 無人駕駛系統(tǒng)與外部工藝系統(tǒng)的交互設計

無人駕駛系統(tǒng)和外部工藝系統(tǒng)的交互是通過與無人駕駛系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)實現(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)通過中控協(xié)同子系統(tǒng)實現(xiàn)安全聯(lián)鎖和協(xié)同作業(yè)。在交互過程中，無人駕駛系統(tǒng)的相關數(shù)據(jù)對外部工藝系統(tǒng)改進提供數(shù)據(jù)支撐，如除塵風機的精確控制、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人駕駛系統(tǒng)的系統(tǒng)設計。

3.3 無人駕駛系統(tǒng)人機交互設計

無人駕駛系統(tǒng)盡管車上無人，但運維人員及中控監(jiān)控人員必不可少。

無人駕駛系統(tǒng)人機交互包含多個維度：系統(tǒng)的監(jiān)控管理、系統(tǒng)的緊急處理管理、系統(tǒng)的身份識別，系統(tǒng)的運維管理、系統(tǒng)安全管理，這些具體的管理措施設計都融入各個子系統(tǒng)設計中。

3.4 無人駕駛系統(tǒng)與設備爐體軌道氣候系統(tǒng)的交互設計

無人駕駛系統(tǒng)運行在設備、爐體、軌道、氣候場景之中，系統(tǒng)的可靠設計必須對相關作業(yè)場景進行分割、估值等分析，并采取應對措施。這是無人駕駛系統(tǒng)能否可靠持續(xù)運行的關鍵設計之一，這也是無人駕駛系統(tǒng)成本高的關鍵要素，這些場景檢測設計貫穿系統(tǒng)各個子系統(tǒng)設計之中。

3.5 無人駕駛系統(tǒng)安全防護設計

無人駕駛系統(tǒng)的運行，必須有全面、詳盡、高效率、穩(wěn)定的安全防護設計，并且安全防護設計要嵌入在系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)、各個層級。安全防護設計涉及到三個方面：人員安全防護、設備安全防護、作業(yè)安全防護。

（1）人員安全防護。無人駕駛系統(tǒng)，嚴格意義上是嚴禁人員出入作業(yè)區(qū)域的。但是，由于現(xiàn)場需要人工進行清掃、檢修及其它應急處理等作業(yè)，導致仍然有人員可能在該區(qū)域內活動。那么，我們要做到的是“無關人員能隔離、出入人員有要求、人員進入能檢測、識別人員能保護。”

“無關人員能隔離”：用戶在現(xiàn)場建設防護隔離柵估計有難度，但機車必須進行身份識別。系統(tǒng)在車輛樓梯處、危險作業(yè)區(qū)也增加出入口設施進行管理。允許出入人員進行注冊和分類管理，出入人員必須刷RFID身份識別卡才能進入，不同類別人員進出的權限不同（權限包含出入位置和時間段）。

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

“人員進入能檢測”，人員檢測系統(tǒng)中將包含3種方式：1.RFID檢測，根據(jù)RFID有源標簽信號檢測人員；2.機器視覺檢測，通過機器視覺檢測監(jiān)視區(qū)域內的人員；3.毫米波雷達，通過毫米波的全天時、全天候、高精準的特點檢測人員。

“識別人員能保護”，系統(tǒng)會制定詳細的規(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)類型決定系統(tǒng)是否取消無人駕駛狀態(tài)；非雨霧天氣作業(yè)規(guī)程，在允許人員和車輛交互作業(yè)的情況下，系統(tǒng)能夠能夠根據(jù)人員所處的位置、行為來判別危險程度來進行處理。例如，人員只是在非作業(yè)區(qū)域，則只進行報警提示，并不中斷作業(yè)；若人員在爐前等作業(yè)區(qū)域或危險區(qū)域，則立即暫停相關作業(yè)，報警提示。

（2）設備安全防護。設備安全防護的主要措施有：設備狀態(tài)自診斷、設備運行時安全聯(lián)鎖、設備作業(yè)過程防護。

設備狀態(tài)自診斷，對設備的靜態(tài)、動態(tài)、趨勢三個方面進行故障診斷，及時發(fā)現(xiàn)故障，提前預估隱患。

設備運行時安全聯(lián)鎖，即設備啟動條件聯(lián)鎖、設備運行中聯(lián)鎖。設備作業(yè)過程防護，除了故障自診斷外，還將對作業(yè)動作參數(shù)進行安全限定。主要有，作業(yè)時長限定，各個作業(yè)動作設定極限作業(yè)時長、以及作業(yè)等待時長；作業(yè)行程限定，機構動作行程設定極限行程；作業(yè)速度限定，機構在特定動作作業(yè)時進行速度限制，避免出現(xiàn)速度過快、機構姿態(tài)有問題而發(fā)生刮、蹭、撞、別等現(xiàn)象。

4 結語

焦爐車輛無人駕駛系統(tǒng)本質上是一套智能化信息處理系統(tǒng)，以傳感檢測、智能控制為基礎，以系統(tǒng)無人化為核心訴求。無人駕駛系統(tǒng)需要解決的是將車輛已有執(zhí)行機構的人工操控、改成安全可靠能持續(xù)運行的無人操控和無人值守，解決上述技術難題實現(xiàn)焦爐車輛無人值守，完成焦化智能企業(yè)工廠目標指日可待。