李承錦

（中天鋼鐵集團(tuán)（南通）有限公司）

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

關(guān)鍵詞：電氣機(jī)車；無人駕駛

1  引言

鐵水運(yùn)輸作為煉鐵煉鋼過程中的重要環(huán)節(jié)，其效率與穩(wěn)定性直接影響到整個生產(chǎn)線的運(yùn)行。傳統(tǒng)的鐵水運(yùn)輸方式多依賴于人工操作，這不僅勞動強(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)，對于提升煉鐵煉鋼生產(chǎn)線的自動化水平，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)車無人駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1  系統(tǒng)組成

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

本工程新增無人駕駛純電氣機(jī)車10臺。

本工程設(shè)備改造范圍包括：37輛鐵水車、56個鐵水罐、36套鐵水罐加蓋裝置、1~7號道口、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)：

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

1）新建自動駕駛車載系統(tǒng)

在每臺無人駕駛電氣機(jī)車上部署1套自動駕駛車載系統(tǒng)，對37輛鐵水車進(jìn)行鐵水運(yùn)輸自動駕駛配套改造，對56個鐵水罐加裝容錯二維碼號牌，實(shí)現(xiàn)鐵水運(yùn)輸自動駕駛、車載設(shè)備自動化控制功能。

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/鐵水車行駛方向上的障礙物、道口附近的車輛、行人感知，為鐵水運(yùn)輸自動駕駛控制決策提供感知數(shù)據(jù)輸入。

4）新建地面自動化系統(tǒng)

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

5）輔助系統(tǒng)

對供電、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)、動靜態(tài)軌道衡稱重系統(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)、移動中天平臺、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，共有8個鐵水吊裝工位，3臺天車進(jìn)行吊裝作業(yè)。

共有12臺GK1C型鐵水運(yùn)輸內(nèi)燃機(jī)車，機(jī)車具備司控駕駛和遙控駕駛2種模式，目前由司機(jī)手動駕駛。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230t鐵水罐、37臺鐵水車（其中1臺為砝碼車）。目前投運(yùn)約34輛鐵水車，鐵水罐平均周轉(zhuǎn)率約4.1，鐵鋼界面鐵水溫降約130℃。機(jī)車牽引鐵水車到達(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，調(diào)車員需下車人工放置鐵鞋防止鐵水車溜逸。在鐵水運(yùn)輸作業(yè)中每臺機(jī)車配置1名司機(jī)和1名調(diào)車員。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)車及鐵水車狀態(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)鎖開啟進(jìn)路。調(diào)度員與司機(jī)通過電話溝通，司機(jī)根據(jù)作業(yè)任務(wù)和目的地，人工駕駛機(jī)車作業(yè)。

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

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)輸自動駕駛作業(yè)。

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

爐下鐵水車完成受鐵之后，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，機(jī)車按照指令進(jìn)行重罐運(yùn)輸、機(jī)罐匹配等作業(yè)。機(jī)車和目標(biāo)鐵水車進(jìn)行自動連掛作業(yè)，連掛成功后鐵水車自動解除駐車，機(jī)車牽引重罐進(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，機(jī)車推送重罐進(jìn)入煉鋼鐵水吊裝工位自動完成作業(yè)對位。對位作業(yè)完成后，鐵水車自動駐車，機(jī)車和鐵水車自動解掛。鐵水車在煉鋼廠進(jìn)行自動充電，保障車載設(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)車和鐵水車的狀態(tài)信息，系統(tǒng)自動生成煉鋼拉空指令，并在人工確認(rèn)后將該指令下發(fā)至機(jī)車。機(jī)車運(yùn)行至煉鋼并與目標(biāo)空罐鐵水車自動連掛，鐵水車自動釋放駐車后，機(jī)車按照智能調(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駕駛鐵水運(yùn)輸作業(yè)。在機(jī)車作業(yè)過程中，系統(tǒng)控制微機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)機(jī)車行進(jìn)路線規(guī)劃與排列。針對機(jī)車、鐵水車及鐵水罐的檢修、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)車重新上線需由人工駕駛至機(jī)修間自動駕駛交接點(diǎn)。

高爐修鐵溝作業(yè)任務(wù)，由人工生成任務(wù)，系統(tǒng)自動開放進(jìn)路，人工駕駛機(jī)車完成。高爐出渣作業(yè)任務(wù)，由調(diào)度人工下發(fā)，系統(tǒng)自動開放進(jìn)路，機(jī)車自動駕駛完成。砝碼車的作業(yè)任務(wù)，由調(diào)度人工下發(fā)，系統(tǒng)自動開放進(jìn)路，機(jī)車自動駕駛完成。但是砝碼車上線作業(yè)之前，需要人工保證砝碼車的電量充足，且在自動駕駛區(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)主要包括自動駕駛車載系統(tǒng)、智慧鐵水運(yùn)輸?shù)孛婀芸叵到y(tǒng)、地面自動化系統(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，在高爐出鐵平臺設(shè)置狀態(tài)采集箱，由高爐平臺操作人員通過狀態(tài)采集箱按鈕確認(rèn)開口進(jìn)罐、堵口流盡、動車信號。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)自動采集以上信息用于保障動車安全。

自動駕駛車載系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)機(jī)車和鐵水車的自動駕駛控制、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)車調(diào)度、數(shù)據(jù)管理功能。

地面自動化系統(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)車自動駕駛提供全天候的障礙物檢測和行車安全保護(hù)，為機(jī)車車載決策系統(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)、動靜態(tài)軌道衡稱重系統(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)、移動中天平臺、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)車加揭蓋相關(guān)供電設(shè)備利舊。

2.5  需要說明的問題

1) 本工程采用融合定位信息實(shí)現(xiàn)道口開閉信號的控制，設(shè)置地面環(huán)境感知系統(tǒng)，保障通行安全。同時，無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 號道口有管廊橋架，高度受限，為保證運(yùn)輸安全，所有鐵水車經(jīng)過 4 號道口需保持開蓋狀態(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，增加信號燈和聲光報警器提示，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)車充電設(shè)備，保證機(jī)車下線檢修后能夠正常充電上線。如果在線的某臺機(jī)車電量不足，無法滿足在線充電的條件，則自動駕駛至機(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，換線點(diǎn)離 5 號道口很近，為保障安全，自動駕駛后，換線時需要關(guān)閉 5 號道口。

3  結(jié)論

本文介紹的無人駕駛電氣機(jī)車采用電力驅(qū)動降低化石能源消耗，符合國家節(jié)能減排要求，無人化運(yùn)行，降低人員勞動強(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目標(biāo)。