基于多源信息融合的鑄造起重機智能感知和智能監測研究

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智能化技術，根據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，甚至連續發生多次停產故障或傷亡事故，對起重機智能化技術的推廣產生了重大負面影響。

鑄造起重機是鋼廠吊運液態熔融金屬的關鍵設備，工作環境惡劣，一旦發生事故，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、提升生產安全性、優化煉鋼工藝步驟之間的銜接程度、提高生產效率[1]。

研究智能化起重機的工程案例發現，智能化吊具、防搖擺與精確定位、路徑規劃與障礙物避讓、無線傳輸和視頻監控等所謂智能化技術，包括智能化運行的管理、調度和監控等三大系統，全部是解決自動化運行的技術，只能代替人的操作實現起重機自動運行，尚不能代替人對起重機的運行進行自動感知、自我分析、自主決策和自動執行等，如操作者發現溜鉤需緊急制動、出現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下自由運行，從而造成人身傷亡、財產損失等嚴重損害。因此，本文以鑄造起重機智能化實際應用需求出發，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測。

1 智能感知

要實現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、數字孿生等前沿技術，映射到數字世界，再將這些數字信息進一步提升至可認知的層次[2]。

煉鋼廠環境條件惡劣復雜，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，是困擾安全生產運行的一大難題。

工業5G 專網作為主傳輸網絡，工業WiFi 作為備份，采用5G 和工業WiFi 自動切換的無線網絡傳輸架構，充分保證了煉鋼車間惡劣環境下遠程操作的安全，確保控制和狀態信號、實時視頻監控圖像的高質量、低時延穩定傳輸。

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

5G 網絡和工業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 網絡端口進行信號傳輸，工業WiFi 端口默認為阻塞狀態。AR 交換機實時監測網絡狀態，當檢測到5G 網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 網絡端口，打開工業WiFi 端口，切換到工業WiFi 傳輸模式。5G 網絡恢復正常后，又會自動切換至5G 傳輸模式。

2 智能監測

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

智能監測通過工業物聯網實現對起重機運行狀態和周圍環境的實時監測功能，包括起重機行走視頻監控、吊鉤視頻監控、軌道異物監測、司機室異響監測和軌道異響監測等內容。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，采用專業的六麥環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，發送給工業電腦一體機。工業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，讀寫語音編碼庫數據。工業電腦一體機與語音編碼庫匹配后，交由通訊處理單元CU 發送給起重機管理系統。通訊處理單元CU 接收到起重機管理系統的指令后，發送給工業電腦一體機與語音編碼庫進行匹配后，發給語音處理終端，以聲音的方式播報給現場工作人員。語音處理終端一方面接收現場工作人員的聲音并轉換成文字，發送給工業電腦一體機進行匹配，另一方面接收工業電腦的語音指令，轉換成聲音，播放給現場工作人員。在發生緊急情況時，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

隨著工業物聯網、計算機信息技術以及人工智能的快速發展，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、起重機行走視頻監控、吊鉤視頻監控、軌道異物監測、司機室異響監測和軌道異響監測等數據，采用基于專家庫的多源信息融合方法，通過分析多種因素之間的關聯性，給出基于專家庫的綜合權重系數，通過權重系數來給出最終的分析判斷，用以指導智能感知和智能監測。在實際應用中，隨著數據的規模越來越大，專家庫的權重系數也會不斷更新，更符合實際情況。

4 安全防護

起重機采用中控PLC 與煉鋼系統中的大包回轉系統、鐵鋼包運輸車系統、轉爐控制系統、傾翻系統及廠房UWB 人員定位系統進行數據交互和連鎖，實現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，定位精度可達30 cm。廠房內人員均處于定位和監控中，被實時分析，并傳送至起重機控制系統中，發現越界、危險進入等違規事件，將會報警和記錄。起重機控制系統結合起重機位置和運行狀態，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，避免起重機發生碰撞。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測和人員上下車識別系統，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達到SIL3 安全等級。

5 結語

經過多年的發展，我國人口紅利逐步喪失，低成本傳統優勢明顯減弱，依靠勞動力低成本、資源過度開發和犧牲環境贏得競爭優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。產業和經濟發展急需在創新驅動引領下，突破一批制約我國產業轉型升級和高質量發展的關鍵核心技術、關鍵基礎材料、關鍵成套裝備等技術裝備“卡脖子”瓶頸，支撐引領經濟高質量發展的特色產業鏈、創新鏈、價值鏈和供應鏈，重塑并加快形成產業與經濟發展新優勢，壯大發展新動能，加快推動經濟特別是制造業發展的質量變革、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，對智能感知和智能監測進行了深入分析，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測，為起重機作業提供智能化解決方案。