基于5G技术的铁水运输智慧管控系统设计与应用_李佳状.pdf

2023 年第 3 期宝钢技术基于 5G 技术的铁水运输智慧管控系统设计与应用李佳状，郑军平(武汉钢铁有限公司运输部，湖北 武汉430080)摘要:基于 5G、视觉识别、大数据等技术，从自动化、智慧化、可视化的角度出发，夯实铁水生产运输自动化基础，整合铁钢界面全流程、全要素信息，研究铁水智能分配、高炉智能配罐、机车智能调度、路径智能规划、进路自动排列、道口无人化智能控制等模型，设计铁水运输智慧管控系统，促进“3D”岗位削减及操作室集中，提高铁水物流周转效率，降低铁水温降，实现降本增效。关键词:5G;铁水运输;智慧管控中图分类号:TP391 9文献标志码:B文章编号:10080716(2023)03005905doi:10 3969/j issn 10080716 2023 03 011Design and application of intelligent management and control system formolten iron transportation based on 5G technologyLI Jiazhuang and ZHENG Junping(Transportation Department，Wuhan Iron Steel Co，Ltd，Wuhan 430080，Hubei，China)Abstract:Based on the technologies such as 5G，visual recognition，and big data，from the viewof automation，intelligence and visualization，we aim to consolidate the automation foundation ofmolten iron production and transportation;integrate the entire process and element information of theiron and steel interface;research on the models such as intelligent distribution of molten iron，intelligent blast furnace tank allocation，intelligent locomotive dispatching，intelligent path planning，automatic route arrangement，and unmanned intelligent control of crossings;design an intelligentmanagement and control system for molten iron transportation;promote the reduction of“3D”positions and the concentration of operating rooms，improve the turnover efficiency of molten ironlogistics，reduce the temperature drop of molten iron，and achieve cost reduction and efficiencyimprovementKey words:5G;molten iron transportation;intelligent management and control李佳状工程师1982 年生2007 年毕业于西安理工大学现从事运输物流工作电话[phone]E-mailE80603 baosteel com钢铁企业铁钢界面是钢铁制造长流程中炼铁和炼钢工序的衔接过程，主要包括高炉出铁、铁水运输、钢厂倒铁等环节。铁水温降是铁钢界面重要工艺参数，与总图布局、工序控制水平、物流组织效率、设备设施等多因素密切相关。1现状及问题分析目前，铁水运输基础自动化与过程自动化支撑不足，无法准确识别跟踪铁水罐运行轨迹及作业实绩，高炉受铁、钢厂倒空等人工反馈信息与现场实际脱钩，信息流与实物流不一致;铁水生产运输相关业务管理与信息系统协同不足，影响作业操作及时高效性、信息数据统一准确性;铁水分配模式交叉多变，没有固化，铁钢生产处于不平衡状态。上述问题导致铁水温降过大，造成热能浪费，95宝钢技术2023 年第 3 期增加生产成本，且影响后续炼钢工艺。因此，研究建立铁水运输智慧管控系统，对于提高铁水物流周转效率、降低过程温降、实现降本增效具有重要意义。2铁水运输智慧管控系统总体设计思路“自动化”原则，采用视觉识别等技术自动跟踪采集铁水罐、机车在关键位置的运输实绩信息，保障铁水调度作业基础数据准确性、及时性。“智慧化”原则，整合炼铁端、运输端、炼钢端全流程数据及调度计划、运输时序、铁水载体空间位置等多维度信息，运用大数据分析、智能决策算法，构建智慧化模型，实现铁水智能分配、运输智能调度、铁路道口自动控制、信号进路自动排列。“可视化”原则，利用 5G 网络1 大带宽、低时延特性，建立边缘数据2 与管控平台之间的大容量、高速率、低时延通信通道，实现铁水生产运输全流程、全要素信息集中实时展示。3铁水运输智慧管控系统主要内容3 1系统架构铁水运输智慧管控系统3 架构见图 1 所示。图 1铁水运输智慧管控系统架构图Fig 1Architecture of intelligent management andcontrol system for molten iron transportation3 2系统组成及主要功能3 2 1运输端视觉智能识别跟踪子系统结合铁水生产运输现场高温、高粉尘等工况，采用耐高温、耐腐蚀、不易反光材质，制作双层镂空钢板二维码标签。表面镂空板为浅色，背景板为深色，形成较强对比度，具备容错视觉识别功能。在铁水罐、机车合适位置进行安装，每个图案的二维码标签与所安装铁水罐一一对应，在系统中形成对照联锁关系，如图 2 所示。图 2二维码标签示意图Fig 2Schematic diagram of the Q code label在高炉出铁口、钢厂倒罐站、铁路干线咽喉等关键位置设置安装视觉智能识别设备。当机车、铁水罐通过某一视觉智能识别设备时，该设备针对二维码标签4 图像进行采集，经算法解码与边缘计算5 后，输出识别信息，同时通过 5G 网络实时反馈至铁水运输智能调度子系统，实现铁水运输作业环节数据全流程自动化、精准化采集，如图 3 所示。3 2 2炼铁端和炼钢端状态采集子系统炼铁端、炼钢端状态采集子系统通过信息交互等方式，获取高炉、钢厂铁水生产相关状态基础数据。通过视觉识别技术及接入外部系统数据，实现高炉炉下铁水罐受铁过程、炼钢倒罐站倒铁过程的实时跟踪，以及铁水罐空、重状态的自动转换。3 2 3机车车载终端子系统机车车载终端子系统主要由机车融合定位、5G MEC 专网6、车载 HMI 操控终端(运输作业指令、道口视频上车)等模块组成。机车融合定位模块集成多传感器信息输入，并采用卡尔曼滤波算法等技术，实现机车精准定06李佳状等基于 5G 技术的铁水运输智慧管控系统设计与应用图 3视觉智能识别跟踪示意图Fig 3Schematic diagram of visual intelligent identification and tracking位，为铁水运输智慧管控系统中机车智能调度、道口无人化智能控制及可视化管控提供准确位置信息来源保障。5G MEC 专网为机车车载终端实现计划与信号数据、道口视频等信息的 5G 网络高速传输提供基础保障，如图 4 所示。图 4机车车载终端功能画面图Fig 4Functional interface of the locomotive terminal车载 HMI 终端具备界面显示及操控反馈功能，主要包括运输作业指令接收显示及任务执行反馈、信号进路及定位信息显示与播报、道口视频与交通信号显示等;同时针对特殊区域道口，具备道口控制功能。3 2 4道口无人化智能控制子系统应用 5G 通信、GNSS 定位、铁路信号微机联锁等技术，融合机车精准定位、作业计划及铁路信号轨道电路等信息，建立道口无人化智能控制逻辑与模型，智能判断机车通过(离开)道口距离，达到设定阈值时，自动触发(解除)道口警报，控制铁路和公路方向交通信号，实现道口无人化自动控制7。通过“5G 高速公路”，实时传输通过道口区域现场视频、公路方向信号灯开闭状态等信息至机车车载终端播放，有效消除机车通行道口时司机瞭望盲区，辅助乘务人员安全快速通过道口，提升道口安全保障能力。3 2 5铁水智能调度子系统(1)铁钢平衡预测模型。根据炼钢端铁水需求计划，结合炼铁端实时生产状态，建立算法预测铁水需求量;利用高炉产量算法模型，预测高炉铁水产量。根据铁水需求预测与高炉铁水产量，预测铁水供需关系，结合当前运行罐数量，预测未来重罐数。(2)铁水智能分配模型。根据炼钢铁水需求16宝钢技术2023 年第 3 期和高炉生产实绩，结合炼钢耗铁优先级、高炉分铁优先级等参数，动态指导铁水分配去向。(3)高炉智能配罐模型。根据高炉出铁计划和铁钢生产实际情况，结合基于大数据分析的高炉智能配罐自学习模型，在运行罐中选出“最优罐”，进行配罐。按照“分时配罐、拆分送铁”等原则，针对高炉可设置多种配罐模型，具体示例见表 1。表 1高炉配罐模型示例表Table 1Sample table of the blast furnace tank allocating model高炉号配罐模型 高炉1 大+1 大，拆 1 补 1，再拆 1 补 1，走 2 高炉1 大+2 大，拆 1，再拆 1，补 2，拆 1，走 2 高炉1 大+8 小，1 大 5 小，拆 3 补 3(4)铁水罐智能调度模型。通过调度算法模型生成铁水罐的运送任务，实时监控铁水罐在高炉至钢厂的生产运输任务执行状态，针对超期的任务实现自动预警。3 2 6机车智能调度子系统机车智能调度子系统8 与铁水智能调度子系统、微机联锁系统进行信息交互，实现机车、铁水罐运输调度管理与铁路信号进路自动排列。主要包括机车调度管理模块、机车智能调度模型、路径智能规划模型。(1)机车调度管理模块。机车调度管理模块是机车调度计划编制下达的人机交互界面，结合高炉、钢厂、铁路的总图布局及运输作业流程进行画面布局设计，可由系统自动生成机车、铁水罐调度作业指令，同时保留人工干预(拖曳操作)接口。机车作业指令通过 5G 网络发送至执行任务机车车载终端，实时跟踪管控任务执行情况。(2)机车智能调度模型。按照作业区域、作业类型等方面，建立每台机车的调度作业动态优先级。根据铁水智能调度子系统下发的铁水罐调度指令，解析出铁水罐当前位置、分配去向(期望目的地)、任务紧急程度等信息，通过调度模型智能运算分析，推荐铁水罐调度任务承接机车。匹配确认执行任务机车后，同步分解生成机车作业计划并下达至机车车载终端子系统，同时实时监控任务完成情况，反馈结果至铁水智能调度子系统。(3)路径智能规划模型。根据机车承接的作业计划，运用路径规划算法进行机车通行轨道进路规划，同时路径规划模型与机车智能调度模型实时进行信息交互，结合机车走行实绩进行冲突检测及消解。机车智能调度子系统智能编制机车作业计划、通行轨道路径规划等指令，并控制微机联锁系统动作，实现信号进路自动排列。3 2 7铁水运输大数据可视化子系统以高炉端、运输端、炼钢端铁水生产运输全流程物质流、信息流数据为基础，进行筛选收集和归类分析，针对铁钢界面涉及的高炉、钢厂、铁路轨道、机车、铁水罐等要素进行图形抽象化处理，从时间序列、调度作业实绩及铁水载体空间位置、信号进路排列等多维度进行数据信息赋值，实现铁水生产运输在大屏、PC 机等终端设备的实时动态可视化展示9，见图 5。图 5铁水运输可视化管控画面图Fig 5Visual control interface of molten iron transportation26李佳状等基于 5G 技术的铁水运输智慧管控系统设计与应用通过铁水生产运输实绩大数据分析，建立铁水罐运用数、铁水罐周转率、机车运行效率、道口占用(通行)效率等报表并进行可视化展示，针对关键指标予以监控预警，为铁水物流组织优化提供大数据支撑。4系统应用情况铁水运输智慧管控系统已完成设计开发，投入生产运用。通过夯实铁水生产运输基础自动化基础，实现了机车、铁水罐的智能跟踪及状态可视化管理;通过整合铁水生产运输全流程、全要素信息，打破了铁钢界面管理与数据的“隔阂”，实现了作业管控一体化;通过机车智能调度、进路自动排列、道口无人化控制等智能模型的应用，实现了道口员、信号员等“3D”岗位削减及操作室集中，为铁水罐周转效率提升、铁水温降下降及减员增效提供了有力支撑。5结束语铁水运输智慧管控系统的建设，是智慧制造在物流运输领域的实践探索。未来，在铁水运输智慧管控系统基础上，持续开展机车无人驾驶、Smart 灵巧鱼雷车等智能装备升级，持续挖掘信息系统数据价值，发挥智慧模型的最大效用。参考文献1姜永富 我国铁路专用移动通信技术发展思路探讨J 中国铁路，2019(4):73 782刘语馨，陈姝，钟章队 边缘云技术在智能铁路中的应用 J 铁道通信信号，2019，55(增):7 123夏绪鹏 智慧铁水运输系统研究与应用J 冶金自动化，2019，43(5):6 124戴明新，申屠小进，高启胜 基于 FID 技术的罐号跟踪系统解决方案 J 衡器，2019(4):28 325李毅，董根才，蔺伟，等 边缘计算技术在铁路 5G 移动通信中的应用研究 J 中国铁路，2020(11):23 306王同军 铁路5G 关键技术分析和发展路线 J 中国铁路，2020(11):1 97况作尧，朱亮，范万龙，等 大型冶金企业铁路运输物联网技术的研究与应用 J 中国铁路，2012(10):61 648赵海霞，刘梅 基于动态规划的铁水运输智能调度方法J 青岛科技大学学报(自然科学版)，2009，30(1):70 739王瑞斌 铁路运输信息集成平台技术方案研究J 铁道运输与经济，2019，41(2):43 49(收稿日期:2022 12 18)(上接第 58 页)7聂慧远，李和平 高炉灰对烧结生产的影响分析J 梅山科技，2016(3):57 598韩凤光，许力贤，吴贤甫，等 焦炉煤气强化烧结技术研究 J 烧结球团，2016，41(2):12 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