基于多源信息融合的铸造起重机智能感知和智能监测研究

王 飞

（上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂， 江苏 南京 210039）

0 引言

近年来，随着智能化技术的快速发展，智能物流、智能制造、设备智能运维等场景对起重机智能化的需求迅速增加，一键炼钢、无人车间、黑灯工厂等行业变革更是将上述领域智能化起重机的需求推向高潮，起重机制造商竞相研发智能化技术，根据客户需求提供了多种不同应用场合的智能化起重机。然而，起重机智能化运行的效率、稳定性尚未满足客户预期，可靠性、可用性、可维修性和安全性尚有较大欠缺，甚至连续发生多次停产故障或伤亡事故，对起重机智能化技术的推广产生了重大负面影响。

铸造起重机是钢厂吊运液态熔融金属的关键设备，工作环境恶劣，一旦发生事故，将造成非常严重的危害。提高铸造起重机智能化水平，可极大地降低劳动强度、提升生产安全性、优化炼钢工艺步骤之间的衔接程度、提高生产效率[1]。

研究智能化起重机的工程案例发现，智能化吊具、防摇摆与精确定位、路径规划与障碍物避让、无线传输和视频监控等所谓智能化技术，包括智能化运行的管理、调度和监控等三大系统，全部是解决自动化运行的技术，只能代替人的操作实现起重机自动运行，尚不能代替人对起重机的运行进行自动感知、自我分析、自主决策和自动执行等，如操作者发现溜钩需紧急制动、出现异响需检查传动链或啃轨等感知与决策行为，特别是软件崩溃、信息传递延迟或中断等故障，导致起重机在无操控状态下自由运行，从而造成人身伤亡、财产损失等严重损害。因此，本文以铸造起重机智能化实际应用需求出发，研究基于多源信息融合的铸造起重机的智能感知和智能监测。

1 智能感知

要实现铸造起重机的自动巡航、自动挂钩及自动坐包等运行，必须提升智能感知和智能监测的可靠性。智能感知是通过限位开关、编码器、红外雷达、微波雷达和激光雷达等硬件设备，借助视觉识别、数字孪生等前沿技术，映射到数字世界，再将这些数字信息进一步提升至可认知的层次[2]。

炼钢厂环境条件恶劣复杂，温度高、光线差、粉尘多，通过多种感知手段反馈回来的信息可能一致，也可能不一致。得到这样的多种信息该如何分析处理，是困扰安全生产运行的一大难题。

工业5G 专网作为主传输网络，工业WiFi 作为备份，采用5G 和工业WiFi 自动切换的无线网络传输架构，充分保证了炼钢车间恶劣环境下远程操作的安全，确保控制和状态信号、实时视频监控图像的高质量、低时延稳定传输。

通过在炼钢车间厂房两端各部署一个5G 网络AAU 微基站，炼钢车间实现了5G 信号全覆盖。每台起重机上分别部署2 个工业CPE 终端，CPE 通过网线接入车载AR 交换机，车载AR 交换机与起重机控制系统核心交换机连接。每个CPE 终端对应1 个AAU，通过5G 网络的双发选收技术，实现5G 网络内部的通讯信号冗余传输。

5G 网络和工业WiFi 均进入AR 交换机输入端口，AR 交换机输出端口连接至起重机控制核心交换机。AR 交换机默认采用5G 网络端口进行信号传输，工业WiFi 端口默认为阻塞状态。AR 交换机实时监测网络状态，当检测到5G 网络端口信号传输中断且延时时间超过设定的阈值时，会自动关闭5G 网络端口，打开工业WiFi 端口，切换到工业WiFi 传输模式。5G 网络恢复正常后，又会自动切换至5G 传输模式。

2 智能监测

铸造起重机常常存在着一些非健康的状态，如设备由于磨损、断裂、腐蚀导致出现异常状态；电控部分出现触头粘连、元器件老化和腐蚀等异常状态；安全防护失灵会出现起重作业超载、碰撞、过卷扬等。若不及时排除并维护管理，必将引发重大安全事故[3]。

智能监测通过工业物联网实现对起重机运行状态和周围环境的实时监测功能，包括起重机行走视频监控、吊钩视频监控、轨道异物监测、司机室异响监测和轨道异响监测等内容。这样获取的信息十分庞大，若不能通过信息分析做出决策，将会影响设备安全可靠运行。

基于语音识别技术的起重机人机语音交互系统，采用专业的六麦环形阵列麦克风语音识别模块，接收工作人员的语音指令，降噪处理后，转换成语音命令，发送给工业电脑一体机。工业电脑一体机主要负责管理语音处理终端、通讯处理单元等设备，读写语音编码库数据。工业电脑一体机与语音编码库匹配后，交由通讯处理单元CU 发送给起重机管理系统。通讯处理单元CU 接收到起重机管理系统的指令后，发送给工业电脑一体机与语音编码库进行匹配后，发给语音处理终端，以声音的方式播报给现场工作人员。语音处理终端一方面接收现场工作人员的声音并转换成文字，发送给工业电脑一体机进行匹配，另一方面接收工业电脑的语音指令，转换成声音，播放给现场工作人员。在发生紧急情况时，通过语音报警可提醒司机当前起重机面临的问题，大大提高了起重机的安全性。

3 多源信息融合

随着工业物联网、计算机信息技术以及人工智能的快速发展，多源信息融合技术的应用领域不断扩展[4]。

在铸造起重机智能感知和智能监测中，针对限位开关、编码器、红外雷达、微波雷达、激光雷达、起重机行走视频监控、吊钩视频监控、轨道异物监测、司机室异响监测和轨道异响监测等数据，采用基于专家库的多源信息融合方法，通过分析多种因素之间的关联性，给出基于专家库的综合权重系数，通过权重系数来给出最终的分析判断，用以指导智能感知和智能监测。在实际应用中，随着数据的规模越来越大，专家库的权重系数也会不断更新，更符合实际情况。

4 安全防护

起重机采用中控PLC 与炼钢系统中的大包回转系统、铁钢包运输车系统、转炉控制系统、倾翻系统及厂房UWB 人员定位系统进行数据交互和连锁，实现起重机自动运行过程中的工艺流程连锁，保证挂包和放包安全。采用先进的UWB 定位系统，定位精度可达30 cm。厂房内人员均处于定位和监控中，被实时分析，并传送至起重机控制系统中，发现越界、危险进入等违规事件，将会报警和记录。起重机控制系统结合起重机位置和运行状态，判断是否需要减速或者停机，主动避让地面人员。配置起重机防撞系统，避免起重机发生碰撞。信息管控软件采用用户名和密码管理，对操作人员权限进行管理。设置大车轨道异物监测和人员上下车识别系统，保证起重机运行过程中的人员安全。PLC 采用故障安全型，使远程起重机控制系统达到SIL3 安全等级。

5 结语

经过多年的发展，我国人口红利逐步丧失，低成本传统优势明显减弱，依靠劳动力低成本、资源过度开发和牺牲环境赢得竞争优势的要素驱动型增长模式已难以为继，技术引进的可行空间也越来越小。产业和经济发展急需在创新驱动引领下，突破一批制约我国产业转型升级和高质量发展的关键核心技术、关键基础材料、关键成套装备等技术装备“卡脖子”瓶颈，支撑引领经济高质量发展的特色产业链、创新链、价值链和供应链，重塑并加快形成产业与经济发展新优势，壮大发展新动能，加快推动经济特别是制造业发展的质量变革、效率变革、动力变革。

本文以铸造起重机智能化实际应用出发，对智能感知和智能监测进行了深入分析，最终给出了一种基于多源信息融合的铸造起重机的智能感知和智能监测，为起重机作业提供智能化解决方案。