浅析堆取料系统智能化改造的一种敏捷设计方法

王鹏铖

青岛理工大学艺术与设计学院（266011）

0 前言

2001年2月，在美国的犹他州，17位“无政府主义者”共同发表了《敏捷软件开发宣言》。该宣言指出:尽早地、持续地向客户交付有价值的软件对开发人员来说是最重要的；拥抱变化，即使在开发的后期，敏捷过程能够驾驭变化，保持客户的竞争力；在整个项目中，业务人员和开发者紧密合作；围绕士气高昂的团队进行开发，为团队成员提供适宜的环境，满足他们的需要，并给予足够的信任；在团队中，最有效率的也是效果最好的沟通方式是面对面地交流；可以工作的软件是进度首要的度量方式；可持续地开发，投资人、开发团队和用户应该保持固定的节奏；不断追求优秀的技术和良好的设计有助于提高敏捷性；尽可能减少工作量，减少工作量的艺术是非常重要的。

至此，敏捷开发方法进入了大发展的时代，这份宣言也就是敏捷方法的灯塔。

传统基于原型法的设计开发强调的是，足够清晰的需求，制定详细的文档，按照预定的计划逐一进行开发、测试。这样的方式在制订好计划之后很难适应变化，无法应对客户对需求的实时更改，后续的维护必将付出不小的代价。

敏捷设计方法定义人是设计、开发中最重要的因素，其理念是充分信任开发团队能够很好地完成任务（持续沟通、持续集成），这是设计管理的中心主题。敏捷设计方法定是以最简的方式来迎接变化，客户在整个开发过程中都是参与者，开发团队能够在最短的时间内得到客户的反馈，不断适应需求的变更，从而使得最终的产品能够充分符合客户的要求。

堆取料机在建材行业中广泛使用，现役系统存在大量定制化改造的需求。文章将这一设计方法引入建材行业堆取料系统的智能化改造设计中就显得尤为有意义。

1 堆取料系统智能化改造的敏捷设计方法

通常，设计、开发人员给人留下的印象就是内向、不善言谈，项目中的许多问题就出在这些缺乏沟通的设计、开发人员身上。某个设计人员作出了一个设计决定，但是却不能够及时地通知团队中的其他成员，结果使得团队在协作与配合上出现很多麻烦。在传统的开发方法中，开发人员并不在意这种口头沟通不畅的问题，而是希望借助于完善的流程和面面俱到的文档、报表、计划来替代，但是这又引入了效率不高的新问题。敏捷设计方法鼓励大家进行口头交流、通过交流解决问题，提高效率。

在传统的设计开发方法中，要求设计人员对未来作一些预先规划，以便对今后可能发生的变化预留一些扩展空间，因此很难做到化繁为简后简约而不简单。在工程实际中，沟通和简单之间还有一种相当微妙的互相支持关系：一方面，团队成员之间沟通得越多，就越容易明白哪些工作需要做，哪些工作不需要做；另一方面，系统越简单，需要沟通的内容就越少，沟通也将更加全面。

在敏捷设计方法指导下实现的“智能化无人值守预均化堆取料系统”，通过使用先进的自动控制技术、计算机图像图形处理技术以及通讯技术，对堆取料机自动精确定位，实现预均化堆场内堆取料机的设备状态监控、自动堆料、自动取料的智能化作业，具有生产效率高、劳动强度低和安全环保性高等优点。

堆棚三维信息重构功能（关联批次质量数据）的实现，能清晰实时地反馈堆棚储量信息、区域网格质量信息，方便工厂进料计划编排，优化取料方案，充分发挥堆棚预均化功能。

1.1 堆取料系统智能化改造

现役堆取料系统智能化改造需求分为以下3个层面。

增强感知功能。采用先进的定位测量元器件替换老旧检测元器件，先进的定位测量元器件主要有激光扫描仪、激光测距仪、倾角测量仪、AI摄像头等。

电气与控制。更换电气盘柜，主要有四象限变频器代替软起和带制动电阻的变频器、性能先进的PLC。

智能化升级。实现高安全可靠无人值守功能、堆棚三维信息场重构（网格空间单元关联批次质量数据）。

根据敏捷设计方法，设计团队针对堆取料系统智能化改造的3个层面需求，通过广泛持续的沟通，掌握相关供应链行情，及时根据最新技术和新产品，制订持续设计模板库和集成解决方案。

模板库的建立和持续维护同样分为三个方面。

对于感知元器件模板库，主要是建立典型安装模板和二次元件端子接线模板。

对于电气与控制模板库，主要是根据用电负荷建立典型供配电模板和根据堆取料机运维功能建立控制功能库（行走控制、调车安全控制、定位精度修正）。

智能化模板库，主要建立视觉AI算法库、堆取料装备健康状态监测、故障与安全预测、三维信息解析与重构。

1.2 敏捷设计工具

敏捷设计方法的实现除了要求有持续沟通、持续集成的团队，还需要有先进的设计工具来实现具有良好工程质量的功能设计、系统设计以及产品设计。模板库的建立需要有数据背景的设计工具。文章推荐WPS Plus云文档管理、EngineeringBase、Labview这几款软件工具用于项目管理、模板库的建立和解决方案的集成。其中，WPS Plus云文档管理用于项目管理（信息交互、文件共享、代办列表、时间跟踪、反馈循环等）。EngineeringBase用于电气与自动化的功能设计表达。Labview用于系统性仿真和智能化功能的表达（如图1所示）。

图1 智能化功能示例

对实际的堆取料系统智能化改造工程项目，应根据具体需求，选取好相应模板，采用典型复制或迭代，在EngineeringBase环境中快速生成解决方案，满足改造项目工期短的需求。

1.3 得以实现的理论和实践依据

智能感知状态监测是实现智能化无人值守的前提。设备状态监测包括移动设备定位、碰撞监测和故障报警三部分。针对大型堆取料机结构特征，结合理论，研究设备在动态条件下数据和信息传递规律，构建状态监测、故障诊断机理模型和三维堆场信息传递模型。

激光测距技术不仅可用于快速定位，还可以快速精确地获取点云数据，并可以通过三维激光扫描装置获取料堆表面的三维坐标信息，经过数据处理得到料堆的点云数据，实现虚拟现实技术，实现三维虚拟重构，将批次质量数据与网格单元相关联，同时具有实时动态数据计算和实时更新三维模型的能力，为智能化作业提供准确的位置数据和操作信息。

通过堆取料机控制系统，实时计算堆取料机各个机构的实时位置，并通过定位系统对其进行标定，再利用三维点云数据计算料堆的取料边界、切入点等边界点三维坐标，从而实时、动态地跟踪堆取料过程中料堆形状的变化，并进行三维模拟，为智能化系统提供准确的位置数据和操作信息。

堆料取料作业规划包括作业过程智能化调度和物料信息跟踪管理。利用堆场堆形三维静、动态数据以及设备系统状态信息，实现堆场堆取料机、皮带机整条生产作业线设备的启动、停止、连锁、保护的全程自动化，实现预均化堆场堆取作业的无人值守。同时，同步堆场相关的主要信息，如三维堆形、体积、质量、密度以及设备状态等数据，提供给智能化管理系统。

远程控制系统是建立智能化无人值守系统的重要组成部分。远程控制系统包括堆场管理系统和远程操作系统。在中央控制室内，通过远程控制系统对来自各个机构的位置信息、料堆信息等进行收集和分析，建立实时的料场和大机的三维坐标数据库，保证堆场的自动化运行。

堆场管理系统通过自动操作管理服务器完成料堆模型的仿真计算,通过中央控制生成和下达自动取料、堆料指令,并实时记录、反馈和共享堆取料机的具体位置和运行状况，设置防碰撞和防过载保护功能。操作员在得到终端授权后可以通过远程操作系统实现人工干预。

文章对堆取料系统的智能化改造初步应用（如图2所示）。

图2 系统构成示例

2 结语

文章简单介绍了堆取料系统智能化改造的敏捷设计方法，探讨了敏捷设计方法的基本原则和形式，以轻量级实践为设计方法，以适应式过程为设计流程，以期从敏捷性角度为工程设计实践提供一种方法参考。

敏捷设计方法的重点、难点在于两个方面：一是设计团队中需要有既懂得设计管理又懂得工具软件开发的人才或支持资源；二是对传统设计成果进行数据化辨识和转换成模板，这是个长时间持续的过程。