铜矿库无人天车系统的研究与应用

贾思柔，邓烜堃，谢 云

（1.甘肃白银有色集团股份有限公司，白银 730900；2.兰州兰石集团有限公司信息化与智能制造部，兰州 730000）

0 引言

冶金行业作为加工制造业是劳动密集型产业，物料搬运大多依靠天车实现。由于铜冶炼24小时不间断生产，铜矿转运天车作业强度大，库区内的粉尘多，工作环境差，对操作人员身体健康影响大。天车是制造企业重要的物料转运设备，其工作效率对前序和后续的作业效率影响较大。传统天车作业依靠驾驶司机、遥控手柄、地面指挥、司索工配合完成，效率低下，人力成本高，安全可靠性差，已经不能满足智能化和信息化趋势下生产发展需要。提高生产效率，改善工作环境是行业待解决的问题。

本文设计的无人天车系统实现无人天车与各生产工序、工单系统、仓库物流、ERP系统等进行数据信息交换，并根据生产计划动态调节作业节拍，对实现柔性制造，建设智能工厂意义重大。

1 无人天车系统整体设计

通过对铜矿库的天车实施智能化系统改造，使铜矿装卸的入库、出库等物流情况具备实时、动态、准确的跟踪能力，及时掌握库区内原材料库存及分布情况，提高冶金行业的信息化管理水平。同时通过对库区进行合理化划分及天车吊运任务的合理分配，提高天车出入库作业效率和设备利用率，降低库区管理人员及天车操作人员的劳动强度，延长天车机电设备的使用寿命。无人天车系统的架构图如图所示：

1.1 仓储管理系统

图1 无人天车系统架构图

仓储管理系统（WMS，Warehouse Management System）功能应该满足来自于制造执行系统（MES，Manufacturing Execution System）和所覆盖厂区物流工艺的要求[1]。仓储管理系统向上接收来自MES下发的出入库作业计划（也可手动输入），向下接受天车调度系统获取的机组运行状态。通过分解作业任务形成吊运计划，将吊运下发到天车作业管理系统，控制天车完成物料吊运，并实时向MES反馈作业执行状态以及完成进度，查看并管理物料信息及出入库记录。系统主要包括：与MES系统、天车作业管理等系统的数据通信，吊运计划管理，库区收发货管理，库位管理与原材料品类管理，清盘库、调库操作管理，吊运实绩收集与统计，现场视频监控画面查看与摄像头管理，日志管理等模块。

1.2 天车作业管理系统

天车作业管理系统是仓库管理系统的下级系统，是用户和天车直接交互的系统，主要用于高级的作业指令生成和作业动作编排、天车运行调度等场景。

天车作业管理系统底层采用物联网技术获取天车运行相关参数，包括：位置、速度、加速度、货物重量等数据，汇总到天车PLC总站上，总站与上层管理系统完成数据交互和指令下发。物联网数据采集技术兼容有线、wifi、蓝牙、4G、5G等多种数据传输方式，可应对不同环境下的数据采集问题。

天车作业管理系统包括天车防撞模块、指令管理模块和天车调度模块三个模块：天车防撞模块用于防止天车运行的过程中相互碰撞、天车和卡车碰撞；指令管理模块包括编排和下发高级指令、控制天车启停等功能；天车调度模块用于动态管理天车作业次序，优化作业流程，提升工作效率。

1.3 天车控制系统

天车控制系统是用于硬件层面的软件系统，集物联网技术、网络通讯技术，自动化控制技术、传感技术于一体，用于向天车PLC、三维扫描系统等设备发送指令和接受数据。天车控制系统核心模块包括自动化控制模块、精确定位模块、减摇模块、称重模块、三维扫描模块等部分。通过实时监控天车的设备运行数据，在线跟踪记录生产任务完成进度；使任务指令转换为天车可执行的动作指令，实现高级指令向低级指令的自动拆分和转换；通过三维扫描系统和定位系统的相互配合，自动寻找物料抓取点

天车控制系统实现高层级软件系统与天车硬件层面动作执行的无缝衔接，天车设备运行数据的向上汇总和指令的向下执行，是软硬件数据和指令交互的中间枢纽。

1.4 地面站控制系统

地面站控制系统主要负责库区安全相关工作，包括摄像系统、安全门、声光报警器、天车急停按钮等模块。

安全生产是无人天车系统面临的首要问题，天车在无人模式下运行时，能自动规避潜在的安全问题发生。使用围栏对堆料区进行隔离，防止人靠近堆料区，结合电子门禁、人工智能等技术监控库区内人员进出情况，并与天车进行联动。天车运行在无人控制的模式下有人员闯入后会报警，系统记录下报警信息并将天车切换到手动模式。监控系统是无人天车的重要组成部分，根据库区尺寸部署摄像头，使整个库区内无死角。监控系统负责对车间内的天车作业情况、物料出入库、人员和车辆出入情况以及生产安全进行重点监控，管理员可以在中控室通过大屏观看现场画面。现场急停按钮用于在天车出现状况时手动控制天车停止，防止损失进一步扩大。

2 无人天车系统关键技术

2.1 吊具防摇摆技术

天车运行的过程中吊具会因为惯性产生一定的摆动，在自动模式下运行时，吊具的摆动可能引起物料坠落、吊具与其他物体碰撞等安全风险，因此需要减小吊具过度摆动，防止安全风险发生。

防摇方式通常有机械防摇和电气防摇两种，机械防摇需要设计专用的防摇机构来减少摆动，通用性和防摇效果较差，本文使用电气防摇技术。其原理是通过传感器测量钢丝绳的摆动角度，再根据角度大小和方向计算出xy轴方向上的角度和速度，大小车动态调整运行速度，以此实现吊具的防摇[2]。

此问题可以描述为：S表示重物目标位置和当前位置的距离，t1、t2、t3表示加速时间、匀速时间和减速时间，A表示幅度，则

天车当前吊绳长度为l，摆角为θ，摆动速度为θ′，假设摆角在区间t∈[0,T]，摆角可以由绳长和幅度表示为：

摆角θ到达最大值时，摆动速度θ′为0，可以得到：

联立方程式(1)～式(3)，可以得到天车在t1、t2、t3的运行时间，进而求出天车的速度。

通过上述计算方法可知，只要测量得到吊具的摆角、角速度、当前绳长等参数，可以求出天车一个方向的速度，将摆角的角度分解到x，y轴上，即可算出另一个方向的角度。天车PLC将速度补偿值发送给传动装置，以此完成大小车的速度控制，使大小车和吊具几乎同步运行，进而达到减小吊具摆动的目的。

2.2 天车调度技术

同一个跨上运行超过一台天车就存在调度问题，铜矿库天车面临着作业任务多样化，天车作业路径存在时间和空间上的重叠，同一任务由多台天车协同执行等问题[3,4]。天车作业调度系统是无人天车的大脑，主要功能是解决天车作业过程中遇到的上述问题，并根据任务优先级编排作业次序[5]，从而动态合理安排天车运行。

根据作业优先级不同避让规则如下所示：

1）无负载的天车优先级最低，主动避让其他作业中的天车；

2）装卸车作业天车优先级大于其他作业天车；

3）若两台车作业的优先级相同，距离目标位置近的天车优先级较高。

基于上述规则，可以解决天车作业过程中的部分任务冲突问题，但是经常会出现等、让、停的情况，作业效率并没有得到较大提升。本文对天车的作业过程进行了数学建模，为使其作业效率得到提升，使用遗传算法对天车调度进行优化。

遗传算法是一种模拟生物进化过程优胜略汰机制的算法，通过交叉、变异、遗传等方式在解空间中搜索最优值，具有搜索速度快[6]，容易找到全局最优解等优点。

首先定义天车调度问题的目标函数为：

其中，M表示第i台天车的任务集合：

Δti表示第i台天车实际装料和卸料的时间差，

基于厂房、作业流程和作业优先级的限制，天车调度问题的约束条件为：

其中式(7)表示开始装料的时间要大于装料任务下发时间，式(8)表示任意一台天车只能同时执行一项任务，式(9)表示天车在运行的过程中当前时刻和下一时刻的距离大于安全距离，式(10)表示天车的运动范围不超过厂房的长和宽。

2.3 三维扫描技术

三维扫描系统由激光扫描仪、旋转云台、控制器和通讯模块组成。三维扫描系统工作原理是利用旋转台带动激光扫描仪旋转，激光扫描仪发射扇面激光束，激光束碰到物体后计算得到光点的空间坐标，系统将光点的坐标记录下来，进而获得点云数据。

三维扫描系统用于得到物料存放的准确位和置获取物料的外形尺寸，并且引导天车准确的行驶到目标位置[7]。天车作业管理系统触发激光扫描系统对散料区进行扫描，将激光扫描数据映射到三维空间后，形成点云数据，通过对点云数据的分析处理，可以获得料堆的高度分布和各个料堆的位置信息。为了计算料堆体积及堆型，需要在三维激光数据的基础上，对整个数据区域在笛卡尔坐标系上划分为等分栅格，统计每个栅格内的激光点高度，作为该栅格的高度值，从而构建三维激光点云的高程模型，料堆体积可以通过计算所有栅格内所有立方体的体积和获得。栅格尺寸参数a可以根据体积精度要求进行调整，a值越小，计算精度越高，相应的计算耗时越长。三维扫栅格坐标如图2所示：

图2 三维扫栅格坐标图

每个栅格的坐标点（x，y，z）可以通过式(11)计算得到，其中d为激光束测得的距离，α为相邻两条激光束之间的夹角，β为激光束与地面的夹角。

通过分析料堆形状和料堆高点距离天车吊具的距离，可以向天车下发作业的位置信息，引导天车去指定位置作业。

堆型最高点计算和堆型重构如图3和图4所示。

图3 堆型最高点示意图

图4 堆型线性重构图

2.4 天车定位技术

要实现天车无人化作业就要实时获取天车的位置信息，进而控制天车运行到目标位置，这就要用到天车自动定位技术，定位系统需要将天车坐标映射到笛卡尔坐标系中，因此需要获取大小车定位和起升定位信息。

大小车走行定位采用编码尺定位系统获取xy轴坐标信息。读码器以编码尺为导轨，每运行一段距离后会读取到新的位置值。编码尺的位置值使用类似条码的编码方式和特殊的打孔工艺制作在塑压或者不锈钢尺上，不需要参照点且没有时间延迟。读码器使用红外线照射编码尺孔洞，能实时计算出位置值，从而获得绝对位置信息[8]。天车控制系统通过接口模块获取定位系统数据，读码器与接口模块之间使用屏蔽电缆和专用连接器进行连接，接口模块具备ProfiNet总线接口，通过西门子专用PN总线电缆和以太网接头读取天车位置信息。编码尺定位系统不易受到粉尘影响，价格较低，定位精度较高。

起升定位采用绝对值编码器进行吊具Z轴坐标定位。光电绝对值编码器装置安装在驱动卷筒后部的一个金属壳体内，通过联轴器进行连接，测量起升高度时同步测定卷筒的旋转角度，起升定位系统需要与钢丝绳长度补偿装置联合使用。

3 无人天车系统应用实践

通过对无人天车系统关键技术的研究和整体架构设计，完成了无人天车系统的开发和实施。实现四种操作方式，即全自动控制模式、中控室遥控操作模式、地面遥控操作模式、司机室操作模式。通过天车作业管理系统授权后，可以根据需要选择操作方式。

自动模式下，系统自动产生运输指令并发送给行车执行，物料运输业务自动完成，系统记录天车的指令执行过程。中控室遥控操作模式下，由操作员在中控室完成，中控室配备有操作台，操作方式和司机室基本一致；地面遥控模式下，由操作员在地面使用手持遥控器遥控完成运输任务，系统记录天车的调运记录；手动模式下由天车司机完成运输任务，系统记录天车的吊运业绩、库中物流信息流的变化，并实时更新库存。

图5 数字孪生系统效果图

开发数字孪生系统，融合物联网技术采集天车运动数据和状态数据，将天车数据绑定在三维模型上，实现模型和天车设备的实时联动。使中控室作业人员可以方便查看天车的运行状态和当前位置，弥补视频监控视野不足的问题。

在全自动控制模式下运行，天车作业效率可以提升约20%，天车操作人员从车间搬到中控室，作业环境条件大大改善，每名操作人员通过控制台可控制1～2台天车，人力资源节省30%。

4 结语

本文介绍了无人天车系统设计方案，重点研究了无人天车系统中的关键技术，包括吊具防摇技术、天车调度技术、三维扫描技术和天车定位技术，并将这些技术应用到了铜矿库无人天车系统的实施中。通过实施无人天车系统，实现了铜矿入库、调库和出库作业的无人化作业，其余少量流程较复杂的作业可在中控室远程操作完成，大大改善了工作环境，节省了人力资源。由于原材料的每一次调运都会被系统记录，改变了原来粗放管理的模式，因此库存信息也更加及时准确。无人天车系统可以广泛应用到天车控制和冶金物流管理中，市场应用前景广阔。