李承錦

（中天鋼鐵集團(tuán)（南通）有限公司）

摘 要：無(wú)人駕駛系統(tǒng)是一種將列車(chē)駕駛員執(zhí)行的操作，完全由自動(dòng)化的、高度集屮的控制系統(tǒng)所替代的列車(chē)運(yùn)行模式。無(wú)人駕駛列車(chē)涉及到車(chē)輛設(shè)訓(xùn)技術(shù)、信號(hào)控制系統(tǒng)、通信技術(shù)利集成臨控系統(tǒng)技術(shù)等技術(shù)。本文介紹了一種無(wú)人駕駛電氣機(jī)車(chē)。

關(guān)鍵詞：電氣機(jī)車(chē)；無(wú)人駕駛

1  引言

鐵水運(yùn)輸作為煉鐵煉鋼過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其效率與穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行。傳統(tǒng)的鐵水運(yùn)輸方式多依賴(lài)于人工操作，這不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，還存在一定的安全隱患。為此，研究并改造鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)，對(duì)于提升煉鐵煉鋼生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，保障生產(chǎn)安全，提高生產(chǎn)效率，降低成本具有重要意義。

2  電氣機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  系統(tǒng)組成

本鐵水運(yùn)輸自動(dòng)駕駛范圍包括從 1#、2#、3#高爐出鐵場(chǎng)至煉鋼廠鐵水吊裝區(qū)，以及鑄鐵修罐間區(qū)域。機(jī)修庫(kù)不在自動(dòng)駕駛范圍，在機(jī)修庫(kù)廠門(mén)前設(shè)置自動(dòng)駕駛/人工駕駛切換點(diǎn)。

本工程新增無(wú)人駕駛純電氣機(jī)車(chē)10臺(tái)。

本工程設(shè)備改造范圍包括：37輛鐵水車(chē)、56個(gè)鐵水罐、36套鐵水罐加蓋裝置、1~7號(hào)道口、充電樁及輔助設(shè)施。

2.2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要包括以下子系統(tǒng)：

自動(dòng)駕駛車(chē)載系統(tǒng)、智慧鐵水運(yùn)輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)、地面自動(dòng)化系統(tǒng)、智能感知系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及系統(tǒng)外部接口。

1）新建自動(dòng)駕駛車(chē)載系統(tǒng)

在每臺(tái)無(wú)人駕駛電氣機(jī)車(chē)上部署1套自動(dòng)駕駛車(chē)載系統(tǒng)，對(duì)37輛鐵水車(chē)進(jìn)行鐵水運(yùn)輸自動(dòng)駕駛配套改造，對(duì)56個(gè)鐵水罐加裝容錯(cuò)二維碼號(hào)牌，實(shí)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸自動(dòng)駕駛、車(chē)載設(shè)備自動(dòng)化控制功能。

2）新建智慧鐵水運(yùn)輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)

新建1套智慧鐵水運(yùn)輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸全流程跟蹤、全流程狀態(tài)管理、鐵水智能調(diào)度推薦、機(jī)車(chē)智能調(diào)度推薦、數(shù)據(jù)管理功能。

3）新建智能感知系統(tǒng)

包括車(chē)載環(huán)境感知系統(tǒng)及地面環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)/鐵水車(chē)行駛方向上的障礙物、道口附近的車(chē)輛、行人感知，為鐵水運(yùn)輸自動(dòng)駕駛控制決策提供感知數(shù)據(jù)輸入。

4）新建地面自動(dòng)化系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸區(qū)域地面自動(dòng)化設(shè)備信息采集，為鐵水運(yùn)輸無(wú)人化決策控制提供數(shù)據(jù)輸入。

5）輔助系統(tǒng)

對(duì)供電、電訊、中控室等輔助系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性改造，主要包括對(duì)項(xiàng)目改造范圍內(nèi)的電氣工程、電訊設(shè)施、道口欄木機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性改造。

6）系統(tǒng)外部接口改造

系統(tǒng)外部接口包括中天煉鐵智能化系統(tǒng)、動(dòng)靜態(tài)軌道衡稱(chēng)重系統(tǒng)、微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、紅盾鐵路道口集控系統(tǒng)、煉鋼智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)、南通鋼后制造執(zhí)行系統(tǒng)、移動(dòng)中天平臺(tái)、千盟物流跟蹤系統(tǒng)、中天鐵路運(yùn)輸智能管理系統(tǒng)，本工程系統(tǒng)接入以上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)外部信息獲取。

2.3  工藝情況

中天鋼鐵現(xiàn)有1座煉鋼廠，主要設(shè)備有3座 190t轉(zhuǎn)爐。煉鋼鐵水吊裝區(qū)設(shè)有4條軌道線，每條線可停放2輛鐵水車(chē)，共有8個(gè)鐵水吊裝工位，3臺(tái)天車(chē)進(jìn)行吊裝作業(yè)。

共有12臺(tái)GK1C型鐵水運(yùn)輸內(nèi)燃機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)具備司控駕駛和遙控駕駛2種模式，目前由司機(jī)手動(dòng)駕駛。采用“一罐制”鐵水運(yùn)輸工藝，鐵水罐平均裝載量約180t，單罐最多裝載鐵水230t。

鐵水運(yùn)輸設(shè)備包含5個(gè)230t鐵水罐、37臺(tái)鐵水車(chē)（其中1臺(tái)為砝碼車(chē)）。目前投運(yùn)約34輛鐵水車(chē)，鐵水罐平均周轉(zhuǎn)率約4.1，鐵鋼界面鐵水溫降約130℃。機(jī)車(chē)牽引鐵水車(chē)到達(dá)出鐵口下方區(qū)域、煉鋼鐵水吊裝區(qū)域、鑄鐵間等工位點(diǎn)時(shí)，調(diào)車(chē)員需下車(chē)人工放置鐵鞋防止鐵水車(chē)溜逸。在鐵水運(yùn)輸作業(yè)中每臺(tái)機(jī)車(chē)配置1名司機(jī)和1名調(diào)車(chē)員。每班配置3名鐵水調(diào)度員，采用微機(jī)聯(lián)鎖進(jìn)行鐵水運(yùn)輸進(jìn)路控制，調(diào)度人員根據(jù)鐵鋼界面實(shí)際生產(chǎn)情況，結(jié)合鐵路線路、機(jī)車(chē)及鐵水車(chē)狀態(tài)和位置等信息，編制鐵水調(diào)度及運(yùn)輸指令，操作微機(jī)聯(lián)鎖開(kāi)啟進(jìn)路。調(diào)度員與司機(jī)通過(guò)電話溝通，司機(jī)根據(jù)作業(yè)任務(wù)和目的地，人工駕駛機(jī)車(chē)作業(yè)。

鐵水運(yùn)輸區(qū)域共有 7 個(gè)道口，均安裝有道口電動(dòng)欄木機(jī)，欄木機(jī)及信號(hào)由道口管理員通過(guò)鐵路道口集控系統(tǒng)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。

2.4  改造后作業(yè)流程

完成中天鋼鐵智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)建設(shè)及相關(guān)改造后，系統(tǒng)根據(jù)鐵鋼界面生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)，采用智能算法及模型，實(shí)現(xiàn)鐵鋼界面全流程信息化管理、鐵水智能調(diào)度管控及鐵水運(yùn)輸自動(dòng)駕駛作業(yè)。

智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)通過(guò)高爐配罐模型實(shí)現(xiàn)高爐配罐指令自動(dòng)生成，并在人工確認(rèn)后將該指令發(fā)送至對(duì)應(yīng)機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)按照指令推送空罐至高爐爐下進(jìn)行精確對(duì)位，同時(shí)完成鐵水車(chē)自動(dòng)駐車(chē)和自動(dòng)摘掛任務(wù)。

爐下鐵水車(chē)完成受鐵之后，系統(tǒng)根據(jù)鐵鋼平衡需要，生成鐵水罐重罐的去向及運(yùn)輸指令，并在人工確認(rèn)后將該指令下發(fā)至機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)按照指令進(jìn)行重罐運(yùn)輸、機(jī)罐匹配等作業(yè)。機(jī)車(chē)和目標(biāo)鐵水車(chē)進(jìn)行自動(dòng)連掛作業(yè)，連掛成功后鐵水車(chē)自動(dòng)解除駐車(chē)，機(jī)車(chē)牽引重罐進(jìn)行鐵水運(yùn)輸作業(yè)。

智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)根據(jù)煉鋼作業(yè)需求信息自動(dòng)生成重罐的運(yùn)輸作業(yè)指令，并在人工確認(rèn)后將該指令下發(fā)至機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)推送重罐進(jìn)入煉鋼鐵水吊裝工位自動(dòng)完成作業(yè)對(duì)位。對(duì)位作業(yè)完成后，鐵水車(chē)自動(dòng)駐車(chē)，機(jī)車(chē)和鐵水車(chē)自動(dòng)解掛。鐵水車(chē)在煉鋼廠進(jìn)行自動(dòng)充電，保障車(chē)載設(shè)備正常運(yùn)行。

智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)獲取煉鋼鐵水吊裝作業(yè)信息及機(jī)車(chē)和鐵水車(chē)的狀態(tài)信息，系統(tǒng)自動(dòng)生成煉鋼拉空指令，并在人工確認(rèn)后將該指令下發(fā)至機(jī)車(chē)。機(jī)車(chē)運(yùn)行至煉鋼并與目標(biāo)空罐鐵水車(chē)自動(dòng)連掛，鐵水車(chē)自動(dòng)釋放駐車(chē)后，機(jī)車(chē)按照智能調(diào)度指令牽引空罐前往鑄鐵修罐間或高爐爐下等工位點(diǎn)。

如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)高爐至煉鋼鐵水吊裝工位的自動(dòng)駕駛鐵水運(yùn)輸作業(yè)。在機(jī)車(chē)作業(yè)過(guò)程中，系統(tǒng)控制微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)行進(jìn)路線規(guī)劃與排列。針對(duì)機(jī)車(chē)、鐵水車(chē)及鐵水罐的檢修、下線、上線等作業(yè)內(nèi)容，由人工錄入，系統(tǒng)支持人工下發(fā)檢修、下線、上線指令。下線后的狀態(tài)信息，由人工錄入形式進(jìn)行在線記錄管理。機(jī)車(chē)重新上線需由人工駕駛至機(jī)修間自動(dòng)駕駛交接點(diǎn)。

高爐修鐵溝作業(yè)任務(wù)，由人工生成任務(wù)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)放進(jìn)路，人工駕駛機(jī)車(chē)完成。高爐出渣作業(yè)任務(wù)，由調(diào)度人工下發(fā)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)放進(jìn)路，機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛完成。砝碼車(chē)的作業(yè)任務(wù)，由調(diào)度人工下發(fā)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)放進(jìn)路，機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛完成。但是砝碼車(chē)上線作業(yè)之前，需要人工保證砝碼車(chē)的電量充足，且在自動(dòng)駕駛區(qū)域內(nèi)。

中天鋼鐵智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后的作業(yè)流程如圖 4-1 所示。

圖4-1改造后無(wú)人化作業(yè)流程圖

中天鋼鐵智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)主要包括自動(dòng)駕駛車(chē)載系統(tǒng)、智慧鐵水運(yùn)輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)、地面自動(dòng)化系統(tǒng)、智能感知系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)以及系統(tǒng)外部接口，智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)架構(gòu)如圖4-2所示。

圖 4-2 中天鋼鐵智慧鐵水運(yùn)輸系統(tǒng)架構(gòu)圖

本工程在高爐中控室設(shè)置操作終端，在高爐出鐵平臺(tái)設(shè)置狀態(tài)采集箱，由高爐平臺(tái)操作人員通過(guò)狀態(tài)采集箱按鈕確認(rèn)開(kāi)口進(jìn)罐、堵口流盡、動(dòng)車(chē)信號(hào)。在煉鋼鐵水吊裝區(qū)內(nèi)設(shè)置操作終端，由煉鋼鐵水吊裝區(qū)控制室操作人員通過(guò)操作界面按鈕確認(rèn)空罐、線路信息，在鑄鐵修罐間設(shè)置狀態(tài)采集箱，由鑄鐵修罐間操作人員確認(rèn)進(jìn)罐安全，系統(tǒng)自動(dòng)采集以上信息用于保障動(dòng)車(chē)安全。

自動(dòng)駕駛車(chē)載系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車(chē)和鐵水車(chē)的自動(dòng)駕駛控制、設(shè)備狀態(tài)采集、安全聯(lián)鎖保護(hù)功能。

智慧鐵水運(yùn)輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸全流程跟蹤、全流程狀態(tài)管理、鐵水調(diào)度、機(jī)車(chē)調(diào)度、數(shù)據(jù)管理功能。

地面自動(dòng)化系統(tǒng)主要是控制煉鋼廠內(nèi)充電裝置，并采集充電裝置狀態(tài)。

智能感知系統(tǒng)為鐵水運(yùn)輸機(jī)車(chē)自動(dòng)駕駛提供全天候的障礙物檢測(cè)和行車(chē)安全保護(hù)，為機(jī)車(chē)車(chē)載決策系統(tǒng)提供可靠的信息源。

外部系統(tǒng)接口主要包括中天煉鐵智能化系統(tǒng)、動(dòng)靜態(tài)軌道衡稱(chēng)重系統(tǒng)、微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)、紅盾鐵路道口集控系統(tǒng)、煉鋼智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)、南通鋼后制造執(zhí)行系統(tǒng)、移動(dòng)中天平臺(tái)、千盟物流跟蹤系統(tǒng)、中天鐵路運(yùn)輸智能管理系統(tǒng)，通過(guò)以上系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)鐵、鋼生產(chǎn)關(guān)鍵信息的統(tǒng)一獲取。

輔助系統(tǒng)包括供配電設(shè)施、電氣工程、電訊設(shè)施改造與建設(shè)，以及道口攝像頭、欄木機(jī)設(shè)備、機(jī)車(chē)加揭蓋相關(guān)供電設(shè)備利舊。

2.5  需要說(shuō)明的問(wèn)題

1) 本工程采用融合定位信息實(shí)現(xiàn)道口開(kāi)閉信號(hào)的控制，設(shè)置地面環(huán)境感知系統(tǒng)，保障通行安全。同時(shí)，無(wú)人化道口改造后需中天鋼鐵同步制定相關(guān)管理規(guī)定，加強(qiáng)道口通行安全管理。

2) 由于 4 號(hào)道口有管廊橋架，高度受限，為保證運(yùn)輸安全，所有鐵水車(chē)經(jīng)過(guò) 4 號(hào)道口需保持開(kāi)蓋狀態(tài)。

3) 中天鋼鐵應(yīng)保證摘掛鉤本體和鐵包加蓋本體維護(hù)在良好狀態(tài)。

4) 煉鋼盡頭的運(yùn)料線路，增加信號(hào)燈和聲光報(bào)警器提示，需要中天鋼鐵加強(qiáng)此線路通行安全管理。

5) 在機(jī)修間設(shè)置一套機(jī)車(chē)充電設(shè)備，保證機(jī)車(chē)下線檢修后能夠正常充電上線。如果在線的某臺(tái)機(jī)車(chē)電量不足，無(wú)法滿足在線充電的條件，則自動(dòng)駕駛至機(jī)修間交接點(diǎn)后，由人工駛?cè)霗C(jī)修間進(jìn)行充電。

6) 煉鋼配重罐換線拉空罐時(shí)，換線點(diǎn)離 5 號(hào)道口很近，為保障安全，自動(dòng)駕駛后，換線時(shí)需要關(guān)閉 5 號(hào)道口。

3  結(jié)論

本文介紹的無(wú)人駕駛電氣機(jī)車(chē)采用電力驅(qū)動(dòng)降低化石能源消耗，符合國(guó)家節(jié)能減排要求，無(wú)人化運(yùn)行，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度和提高人員安全性，滿足鋼鐵企業(yè)的不斷發(fā)展和智能化工廠的升級(jí)目標(biāo)。