一、研究的背景与问题
目前，在国内外钢铁制造厂，高温液态铁水从高炉到炼钢主要通过铁路进行运输，采用机车牵引混铁车（TPC）或铁水包的方式。传统铁水运输方式需要人工下达运输指令，人工按照指令办理铁路进路，司机驾驶机车拖挂铁水车的方式进行铁水运输，这种方式生产作业效率低，铁水罐周转率（铁水罐每天运送铁水的次数）低，铁水温降（铁水从高炉到炼钢的温度差）损失大，同时采用燃油动力的机车高能耗、高排放。用智能化手段进行转型升级，搭建满足绿色环保、智能感知需求的智慧铁水运输系统已成为必然。
二、解决问题的思路与技术方案
智能铁水运输SmartHIT系统从运输指令的自动产生、进路的自动办理、道口的自动开放、新型电动力铁水运输车的无人自动驾驶等多方面共同协作，解决钢铁企业铁路方式运输高温液态铁水的上述问题。系统平台采用了中国宝武宝联登xIn3Plat工业互联网平台，构建云边端一体化的全场景生产管控系统,系统总体架构如图1所示。
图1 系统总体架构图
系统主要由SmartTPC（灵巧鱼雷车）和SmartRail（智能铁路）两部分组成。SmartTPC是一种全新智能、绿色、高效型鱼雷车，该技术为全球首创，它采用超级电容供电，自带驱动无需机车牵引，具备无人驾驶功能，可实现“满罐即走”的极致效率铁水运输模式，有效减少铁水降温和燃油消耗。SmartRail作为整个系统的核心和指挥中枢，采用中国宝武的宝联登xIn3Plat工业互联网平台，通过绿色驱动、智能感知、数字轨道、人工智能等技术实现全自动进路、全行程行车安全防护、全自动充电、全自动加揭保温盖、全场景设备状态监控及全流程管控，对铁路线路、道口和工位点进行安全感知，实现对SmartTPC的安全控制和高效运行。通过铁水运输自动排程、智能进路规划及自动开放、车地联控、行车安全防护等，可按照“火车时刻表”精细化模式组织生产，减少空罐在高炉下的等待时间，构建了“罐空即配、满罐即走、到站即用”的极致铁水运输效率，实现了铁水运输作业无人化、智能化。
三、主要创新性成果
项目基于对大轴重冶金车辆动力转向架、新能源电力驱动和无人驾驶控制技术的研究，自主开发了纯电力自驱无人驾驶灵巧鱼雷车，实现鱼雷车无人驾驶、自动加揭保温盖的功能，开创了钢铁行业铁水运输“满罐即走”的高效运行模式。创新性研发SmartRail智能铁路系统，开发基于视觉感知的全自动智能道口安全防护功能，与无人驾驶灵巧鱼雷车进行联动控制，实现道口的安全高效通行。本项目获发明专利17项、软件著作权7项。经委托中国科学院上海科技查新咨询中心查新，本项目综合技术达到国际先进水平。主要有以下4个方面的创新点：
1、开发了全新的智能、绿色、高效的纯电力自驱无人驾驶灵巧鱼雷车，采用超级电容供电，自带驱动无需机车牵引，具备无人驾驶功能，可实现“满罐即走”的极致效率铁水运输模式，有效减少铁水降温和燃油消耗。 （1）设计了自带动力驱动的灵巧鱼雷车：通过开发大轴重冶金车辆动力转向架，增加超级电容、电机、减速机、气制动和控制系统等设备，使混铁车具备自驱式运行功能，自带驱动无需机车牵引，是一种全新智能、绿色、高效型鱼雷车。 （2）开发了灵巧鱼雷车无人驾驶系统：考虑不同载重状态下车辆性能不同，控制器结合当前状态计算并下发控制量，达到高效，稳定和准确的控制效果。在自动控制防护方面，通过多反馈系统避免车轮空转、滑行、抱死现象产生，确保了稳定运行。在高精度定位方面，实现厂外定位精度±500mm，高炉、炼钢工位点对位精度±50mm。 （3）开发了灵巧鱼雷车自动加盖控制系统：实现了根据高炉生产预报自动开盖、炼钢倒铁前自动开盖、堵口罐的自动加盖，相较于业内在工位点外开盖的普遍做法，最大化实现了加盖的保温效果。
图2 SmartTPC(无人驾驶灵巧鱼雷车)
2、创新开发了铁水运输智能调度系统，根据工位点生产状态、炼钢铁水需求及炼铁出铁预报信息，结合灵巧鱼雷车的实时定位，自动匹配重罐调度模型、空罐调度模型，实现了灵巧鱼雷车的智能调度，运输指令自动生成，解决了人工下达运输指令时无法准确知道鱼雷车位置，无法及时获取现场生产信息（基本靠与现场电话沟通），调度水平参差不齐的问题，改变了原有人工编制、人工下达作业指令方式，降低了调度岗位人员劳动强度，提升了运输调度管控水平。
图3 智能调度系统
3、率先开发了铁水运输智能进路系统，包括智能规划模型、智能开放模型和智能冲突模型等功能，按起点终点一次规划、分段开放方式，实时判断前方线路安全、根据灵巧鱼雷车位置移动逐步开放下一段进路、根据设备故障等异常实时调整线路规划、提前预判多车线路规划，根据多车位置实时解决潜在冲突、允许灵巧鱼雷车间以安全运行的最小间隔动态调整，从而大大提高行车密度，在业务最繁忙的时候，支撑了655米直线距离，同时有5辆灵巧鱼雷车正常作业的极致效率。彻底解决了传统的进路开放岗位人工办理进路、人工与司机协同解决冲突的问题。
图4 智能进路系统
4、率先开发了智能道口控制系统，根据灵巧鱼雷车位置及车速提前控制道口封闭，在灵巧鱼雷车通过铁路道口过程中，通过灵巧鱼雷车位置预报、道口警报、对道口封闭区间的人员、车辆等目标进行实时监测和精准识别，检测结果与灵巧鱼雷车无人驾驶控制系统进行联动，发现异常自动紧急停车，确保灵巧鱼雷车高速安全通过道口。
同时，与运输指令的协同，解决了工位点外的道口封闭无法提前预警；通过道口后折返车辆需要两次封闭道口影响公路通行和铁水运输效率；未经过道口折返但是靠近道口仍需要封闭道口；日常封闭偶尔使用的常闭道口安全检测；多个道口联动控制等一系列道口智能控制难题，提高道口的道路通行效率，在业务最繁忙的时候，实现了3分钟内2辆灵巧鱼雷车先后通过道口，道口多次开放、封闭的高效通行控制。
图5 智能道口控制系统
四、应用情况与效果
宝钢股份宝山基地智能铁水运输SmartHIT系统于2022年1月上线运行，项目投用以来，运行稳定，截至2024年12月，铁水鱼雷车周转率提高至6.5次/天，铁水温降降低至102℃，带来铁钢界面效率的显著提升，平均每年可降低成本约2693万元，可减少标准煤消耗约5000吨，减少二氧化碳排放约12900吨。实现钢铁厂铁水的清洁运输、智慧运输，引领冶金企业铁路运输技术变革，提供了数字化转型的典型示范效应，具有较大推广价值。
图6 宝钢股份智能铁水运输运行控制中心
信息来源：宝山钢铁股份有限公司
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