基于多任務多設備協調的炭塊庫無人堆垛系統研究與應用

楊 飛 楊海東 劉 俊 鄭正國 高文義

1內蒙古霍煤鴻駿鋁電有限責任公司 霍林郭勒 029200 2貴陽鋁鎂設計研究院有限公司 貴陽 550081 3株洲天橋起重機股份有限公司 株洲 412000 4云南神火鋁業有限公司 文山 663000

0 引言

目前國內鋁用炭素企業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完成炭塊搬運作業，倉儲信息依靠工人記錄，炭塊庫區工作環境惡劣，工人勞動強度較大，操作機械枯燥，堆垛起重機缺乏科學合理調度，沒有精確的出入庫及庫存數據，無法實現動態監測和炭塊信息跟蹤，因此，研究堆垛橋式起重機智能控制技術、調度模型，開發炭塊庫無人堆垛系統，對促進鋁用炭素工廠向智能工廠的升級轉變，減少勞動定員，提高生產管理水平，減少安全事故發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站，擔負著鋁用炭素企業成型、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備，通過鏈板將炭塊輸送到各個車間。炭素企業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

生產出的炭塊并非立即使用，需要在炭塊庫內臨時存放，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，負責庫內的炭塊搬運作業，堆垛橋式起重機的工作任務如圖2所示。

圖2 堆垛橋式起重機工作任務

目前來看，大多數鋁用炭素企業炭塊庫中的堆垛橋式起重機自動化、智能化程度較低，缺乏科學合理的調度，經過對多家炭素企業進行調研，目前企業的炭塊轉運站存在一些問題：1）堆垛橋式起重機設備智能化程度不高，還需要人工駕駛，設備故障率較高；2）堆垛橋式起重機的調度仍然是人工調度模式，作業效率較低；3）炭塊夾損率高，與起重機駕駛員責任心、操作技能及起重機性能密切相關；4）橋式起重機工人工作環境惡劣、操作機械枯燥，勞動強度較大；5）庫房沒有嚴格合理的區域劃分，沒有精確的出入庫及庫存數據，無法動態監測與炭塊信息跟蹤；6）存在搬運中炭塊掉落及炭塊堆垛倒塌等較大的人身安全隱患。

開發鋁用陽極炭塊庫無人堆垛系統，實現堆垛橋式起重機的自動運行、智能調度操作，優化庫存管理，對提高庫房運轉率意義重大，也是鋁用炭素企業智能制造發展的趨勢。

1.2 國內外研究現狀

國外的炭塊倉儲及堆垛機組的無人行車技術起源于21世紀初的韓國，1998年某制鐵集團由于橋式起重機操作工不滿工作環境惡劣，需研發智能橋式起重機以減少操作人員。2002年，第一部無人值守橋式起重機研發成功。目前國外運作模式已為半智能狀態，即作業現場已實現了無人化，堆垛機組已無需人工操作，但整個控制系統還需要人工操作，出現異常系統不能智能識別，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，實現橋式起重機無人調度和倉儲的智能管理。國外的理論研究也較多，He H N等[1]針對鋼鐵生產倉庫智能化建設，完整概括了智能橋式起重機的快速自感知、精確定位、運動學模型、基于優化目標函數的夾具擺動控制、基于激光雷達的車輛識別系統、基于多智能體強化學習的橋式起重機調度方法，有很大的借鑒意義。Tasoglu G等[2]提出了一種考慮隨機處理時間的無沖突岸邊橋式集裝箱起重機調度算法，將基于模擬退火的優化過程與參數化仿真模型相結合，解決泊位分配和碼頭吊車調度問題。

目前，國內炭塊倉儲系統及堆垛橋式起重機尚停留在人工配合設備完成簡單的機械操作階段，由橋式起重機操作員在駕駛艙中手動操作堆垛橋式起重機，實現堆垛和裝卸車等各種上下塊作業，生產效率低，自動化水平有待提高。在無人駕駛技術方面，國內BG的鋼卷庫引進了國外的技術，TG部分引進國外技術，研發都屬于起步階段。在理論研究方面，自2004年起向無人化、智能感知、最優優化等方向蓬勃發展；張燦[3]提出了一種通過劃分區域建立坐標系、多軸定位等方法改進橋式起重機的準確識別和吊運狀態識別方法；寇晨光[4]從生產調度的角度出發，研究訂單驅動對車間生產方式的影響，以最小化機床等待時間和最小化最長完工時間為目標，采用遺傳算法進行求解得到橋式起重機的最優控制方法；孫立紅等[5]結合工業4.0概念，從工業互聯網的角度提出了入網的智能化橋式起重機概念和待解決的問題，實現數據信息共享提高生產效率。

總體來看，除鋼鐵行業外，國內外關于橋式起重機無人駕駛技術及自動調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。

按今后的發展趨勢，需要一款先進可靠的智能陽極堆垛橋式起重機、地面設備及倉儲管理系統。使用傳感器、變頻器、PLC、中央控制器及無線通訊系統，實現陽極堆垛機組的自動定位、自動夾取，自動堆垛等。機組需具有遠程控制和本地控制、遠程監控、車間防撞、故障報警、故障記錄功能，用以實現全自動運行，行走路線自學習、自定義等。研發無人炭塊倉儲系統，智能優化運行模式，完成精確、快速的位置定位和堆垛，無需反復確認，節省操作時間，提高作業效率。機組重復定位精度高，可提高炭塊多層堆垛的穩定性，降低安全隱患。根據倉儲管理系統，智能推薦出入庫位置，合理規劃，提高運轉率；并自動記錄每一批炭塊的時間和位置信息，自動生成報表，提供信息查詢等實現車間的信息化管理。

1.3 炭塊無人堆垛系統的特點和難題

構建炭塊無人堆垛系統，實現堆垛橋式起重機的無人駕駛、智能調度，亟需解決的問題主要集中在硬件設備方面和在調度管理方面。

1.3.1 硬件設備

1）堆垛橋式起重機本體智能化改造 目前國內的堆垛橋式起重機技術發展相對滯后，企業堆垛橋式起重機大多是人工駕駛的機械模式，僅部分新建工廠的堆垛橋式起重機配備了PLC控制系統，但還是遠遠不能滿足自動化控制和智能調度要求。

2）外購炭塊卸車引導 受制于車輛型號、車廂尺寸、裝卸方式、炭塊規格、炭塊擺放整齊度等客觀因素，很難自動精準定位到炭塊位置，并進行夾取作業，目前企業的卸車作業都是通過橋式起重機駕駛員+地面輔助人員協作完成，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自動控制的難點之一，不僅與控制方法有關，也和機械結構設計有關，目前企業的單塊作業都是通過橋式起重機駕駛員+地面輔助人員協作完成。

1.3.2 調度管理

1）任務的多樣性與復雜性 炭塊倉儲作業中周期任務、循環任務、事件任務等多類型任務并存，需要綜合調度與資源分配，實現計算實時性和服務一體化。

2）設備的多樣性 炭塊庫中有堆垛橋式起重機、地面輸送鏈板、裝卸車輔助設備等多種多樣設備，任務的調度執行既要考慮效率也要兼顧生產節拍。

3）橋式起重機調度算法優化問題 該問題本質是數學優化問題，目前橋式起重機作業的調度指令仍然需要人為操縱或預設，缺乏數學的統籌優化方法，雖然已有多篇文獻給出了不同的橋式起重機調度問題優化算法，但實際應用可能遠比數學建模的情景更加復雜，需要根據生產場景優化和改進。

2 堆垛橋式起重機智能化技術研究

堆垛橋式起重機智能化改造的目的使橋式起重機具備自動精準定位、大小車自動行走功能，自動接收調度系統指令，自動完成炭塊搬運作業，通過無人駕駛或遠程操控堆垛橋式起重機，實現橋式起重機一鍵自動運行和橋式起重機遠程控制的目標，一臺智能堆垛橋式起重機設備至少包括如下特征：自動檢測裝置、遠程通訊模塊、自動控制系統、視頻監控系統、智能單夾具，如圖3所示。

圖3 智能堆垛橋式起重機設備的特征

1）自動檢測裝置 自動檢測裝置安裝在橋式起重機上，使橋式起重機能夠感知自身和環境狀態，當與目標出現偏差時，能夠自動調整修正。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品，如精準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，夾具狀態識別可采用力學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一步提高，或針對炭塊作業做定制設計。

2）遠程通訊模塊 遠程通訊模塊讓橋式起重機在快速移動過程中仍然保持與地面控制系統穩定的通訊，通常采用工業無線，在地面設置無線接入點AP，橋式起重機設備上設置無線客戶端，車間與中控室之間采用光纖傳輸，移動終端采用工業WiFi，如果企業已經建設了5G網絡，也可以使用5G方式進行通信。

3）自動控制系統 自動控制系統使橋式起重機設備具備按照預定邏輯連貫的完成一套復雜動作的能力，例如自動行走和夾取，通過對PLC進行加裝或升級，對控制邏輯進行優化，由原來的本地控制模式升級為支持遠程模式，由原來的只能執行單個機構動作，升級為能執行一系列的原子操作。

4）視頻監控系統 視頻監控系統是無人化作業的重要安全保障措施之一，通過在橋式起重機合適的位置設置2～4個攝像頭，實時拍攝夾具和作業場景畫面，使維護人員能夠遠程實時查看橋式起重機的工作狀況或操作橋式起重機。

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、圖像識別技術的智能單夾具微動平臺[7]，實現3自由度單夾具位置和姿態微動調整，完成單個炭塊的自動精準夾取。

除了上述幾點，還需要進行一些物理機械改裝、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設備的構建，使無人堆垛系統有了基礎保障，在實際生產應用中，不同的橋式起重機設備改造難度不同，新建的企業設備技術更新，能更快速地完成改造升級。

3 多任務多設備協調模型研究

多任務和多設備協調在金屬冶煉、加工鑄造、物流運輸等行業普遍存在，是目前學術和工程領域的研究熱點，在越來越廣泛的領域得到了應用。在鋁用陽極炭塊倉儲中，周期任務、循環任務、事件任務、衍生任務等多類型任務并存，這里的衍生任務，是指為了執行正常任務而自動增加的任務，例如橋式起重機設備有干擾時會增加避讓任務，生塊炭塊下線時增加自動等待任務。針對上述特性，提出一種分級任務隊列模型，通過對優先級、時序等要素的綜合計算實現多任務調度，模型結構如圖4所示。

圖4 多任務調度模型

1）任務生成模塊 負責任務的生成、有效性檢測、初始化等，通過事件響應、定時觸發、循環控制等生成對應類型的任務，然后推送到分級隊列管理模塊。

2）分級隊列管理模塊 管理和維護分級隊列，監控任務的入隊和出隊。

3）多任務調度模塊 根據綜合計算結果，將優先級最高的任務推送到調度任務隊列，進入設備調度環節。

在鋁用陽極炭塊倉儲中堆垛橋式起重機設備、地面輸送設備、裝卸車設備等多設備協同工作，涉及區域路徑、倉儲資源、設備資源的競爭和共享。針對這一特性，提出一種基于多Agent協調和局部尋優的調度模型[8]，通過多Agent的協調尋找局部最優解實現多設備調度，模型結構如圖5所示。

圖5 多設備調度模型

整個調度模型分為3類Agent，第一類是基礎資源Agent，包括數據訪問控制Agent、任務管理Agent、庫位管理Agent，為調度分析提供基礎支持；第二類是設備資源Agent，包括輸送設備Agent、橋式起重機設備Agent，是任務的執行主體；第三類是調度協調Agent，即分析處理Agent，通過對任務目標、資源信息、設備狀態的綜合計算評估，得出需要執行的任務、所需的基礎資源、執行的設備，下發指令調度設備執行。

多任務調度模型和多設備調度模型共同完成了任務創建、任務調度、任務執行的整個流程，實現了任務的有序調度執行，為無人堆垛系統提供了核心和大腦。

4 無人堆垛系統應用

針對炭塊倉儲中設備數量多、地點分散的特點，研發無人堆垛系統，其核心思想是在設備智能化升級改造的基礎上，通過物聯網技術打通各分散的設備及邊緣終端與中央控制系統之間的網絡通訊屏障，并采用科學的分析模型和調度算法，實現設備的遠程控制和自動運行，最終實現無人化作業，系統總體設計架構如6圖所示。

圖6 系統架構圖

系統劃分為邊緣設備層、物聯網絡層、融合計算層、應用操作層，向上的數據流是狀態信息的傳輸，向下的數據流是控制指令的下發，加上貫穿整個系統的安全保障體系，形成了鋁用陽極炭塊庫無人堆垛系統整體解決方案。邊緣設備層包括智能堆垛橋式起重機設備、智能地面輸送線設備、自動卸車引導系統等，通過檢測裝置的加裝和升級改造，使設備具備自動控制的基礎；物聯網絡層是采用工業無線、工業WiFi、光纖通信等構建的物聯網，使孤立的設備和系統之間可以互通互聯；融合計算層主要是橋式起重機調度和倉儲管理系統，將匯聚的數據融合計算，自動控制各設備協同作業，是整個系統的核心和大腦；應用操作層主要是操作維護終端，為維護人員提供豐富的遠程操作模式和展示界面；安全保障體系包括數據安全、通信安全、設備安全、人員安全等，主要通過數據加密、權限控制、異常告警、信號隔離、運動防撞、物理圍欄等一系列安全措施，保障安全生產。

系統在某鋁用炭素企業應用實施，取得了較好的應用效果，實現了橋式起重機作業的無人化、炭塊倉儲的智能管理，圖7為該應用系統主界面示意圖。

圖7 系統主頁

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

5 結語

通過對堆垛橋式起重機和地面輸送線等硬件設備的智能化改造，建立多任務多設備協調的調度模型，開發出炭塊無人堆垛系統，解決了炭塊倉儲中無人橋式起重機調度、炭塊自動上下線、自動裝卸車等問題，實現庫存數據、設備數據、作業數據的實時監控，滿足了鋁用炭素企業生產無人化、智能化發展的需要，降低了企業生產成本，提高了生產效率，但國內一些年限較長的炭素企業，設備陳舊，廠房設施落后，改造成本較高，制約了整個行業邁向智能化的步伐。