焦爐車輛無人駕駛系統方案設計

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前瞻的戰略選擇，也是行業發展的現實趨勢，更屬于國家大力鼓勵扶持的智能制造范疇，其對于焦化企業的發展有著重大意義，首先，它是焦化智能工廠建設必不可少的環節；其次，無人駕駛可以大幅減人增效；最后，可以規范焦爐作業管理、提高焦爐生產效率、實現焦爐作業過程的數字化、智能化，為焦化智能工廠提供數據支撐。加快焦爐機車無人駕駛是焦化企業未來的必然發展趨勢。

1 背景

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

焦爐車輛無人駕駛系統，根據技術發展和演化可分為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管控系統，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級在車輛作業間的聯鎖對位和車輛單元自動基礎上實現一鍵操作、有人值守；4.0級實現焦爐車輛無人駕駛，在焦爐車輛可靠的單元自動及聯鎖對位基礎上，大規模采用各類傳感檢測技術、識別焦爐車輛作業過程的各類風險、自動分發作業計劃、焦爐車輛自動完成相關作業，并且記錄作業數據、在線優化作業過程、預測車輛故障。

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

2 無人駕駛系統的關鍵技術

焦爐車輛無人駕駛系統，本質上是一套基于人工智能技術的管理控制系統，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行機構（功能硬件），完成過去必須由人工實現的功能。所以，無人駕駛系統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據融合技術；④模型及人工智能算法；⑤業務流程及專家知識梳理和發現；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，自動駕駛系統需要完成的難題就是如何確保安全可靠持續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

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

3.1 無人駕駛系統內部的體系結構

圖1 焦爐機車智能操作系統圖

無人駕駛系統分為數據中心子系統、中控協調控制子系統、位置檢測子系統、數據通信子系統、各車輛子系統、PDA移動監控系統。減輕數據中心計算壓力、同時減輕通信網絡負擔，本系統設計充分利用邊緣計算技術，對車輛子系統增加了本地計算功能。

3.2 無人駕駛系統與外部工藝系統的交互設計

無人駕駛系統和外部工藝系統的交互是通過與無人駕駛系統的各個子系統實現數據交互。上升管、干熄焦、地面除塵及煤塔下煤系統通過中控協同子系統實現安全聯鎖和協同作業。在交互過程中，無人駕駛系統的相關數據對外部工藝系統改進提供數據支撐，如除塵風機的精確控制、下煤系統的控制等；而外部系統的性能也深深的影響無人駕駛系統的系統設計。

3.3 無人駕駛系統人機交互設計

無人駕駛系統盡管車上無人，但運維人員及中控監控人員必不可少。

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

3.4 無人駕駛系統與設備爐體軌道氣候系統的交互設計

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

3.5 無人駕駛系統安全防護設計

無人駕駛系統的運行，必須有全面、詳盡、高效率、穩定的安全防護設計，并且安全防護設計要嵌入在系統中的各個子系統、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、作業安全防護。

（1）人員安全防護。無人駕駛系統，嚴格意義上是嚴禁人員出入作業區域的。但是，由于現場需要人工進行清掃、檢修及其它應急處理等作業，導致仍然有人員可能在該區域內活動。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。系統在車輛樓梯處、危險作業區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；必須經過安全培訓。

“人員進入能檢測”，人員檢測系統中將包含3種方式：1.RFID檢測，根據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視區域內的人員；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”，系統會制定詳細的規則：雨雪大霧天氣作業規程，禁止某些非緊急作業、在緊急作業情況下根據作業類型決定系統是否取消無人駕駛狀態；非雨霧天氣作業規程，在允許人員和車輛交互作業的情況下，系統能夠能夠根據人員所處的位置、行為來判別危險程度來進行處理。例如，人員只是在非作業區域，則只進行報警提示，并不中斷作業；若人員在爐前等作業區域或危險區域，則立即暫停相關作業，報警提示。

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

設備狀態自診斷，對設備的靜態、動態、趨勢三個方面進行故障診斷，及時發現故障，提前預估隱患。

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

4 結語

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