李承錦
（中天鋼鐵集團（南通）有限公司）
摘 要：無人駕駛系統是一種將列車駕駛員執行的操作，完全由自動化的、高度集屮的控制系統所替代的列車運行模式。無人駕駛列車涉及到車輛設訓技術、信號控制系統、通信技術利集成臨控系統技術等技術。本文介紹了一種無人駕駛電氣機車。
關鍵詞：電氣機車；無人駕駛
1 引言
鐵水運輸作為煉鐵煉鋼過程中的重要環節，其效率與穩定性直接影響到整個生產線的運行。傳統的鐵水運輸方式多依賴于人工操作，這不僅勞動強度大，還存在一定的安全隱患。為此，研究并改造鐵水運輸系統，對于提升煉鐵煉鋼生產線的自動化水平，保障生產安全，提高生產效率，降低成本具有重要意義。
2 電氣機車無人駕駛系統設計
2.1 系統組成
本鐵水運輸自動駕駛范圍包括從 1#、2#、3#高爐出鐵場至煉鋼廠鐵水吊裝區，以及鑄鐵修罐間區域。機修庫不在自動駕駛范圍，在機修庫廠門前設置自動駕駛/人工駕駛切換點。
本工程新增無人駕駛純電氣機車10臺。
本工程設備改造范圍包括：37輛鐵水車、56個鐵水罐、36套鐵水罐加蓋裝置、1~7號道口、充電樁及輔助設施。
2.2 系統結構
主要包括以下子系統：
自動駕駛車載系統、智慧鐵水運輸地面管控系統、地面自動化系統、智能感知系統、輔助系統以及系統外部接口。
1）新建自動駕駛車載系統
在每臺無人駕駛電氣機車上部署1套自動駕駛車載系統，對37輛鐵水車進行鐵水運輸自動駕駛配套改造，對56個鐵水罐加裝容錯二維碼號牌，實現鐵水運輸自動駕駛、車載設備自動化控制功能。
2）新建智慧鐵水運輸地面管控系統
新建1套智慧鐵水運輸地面管控系統，實現鐵水運輸全流程跟蹤、全流程狀態管理、鐵水智能調度推薦、機車智能調度推薦、數據管理功能。
3）新建智能感知系統
包括車載環境感知系統及地面環境感知系統，實現機車/鐵水車行駛方向上的障礙物、道口附近的車輛、行人感知，為鐵水運輸自動駕駛控制決策提供感知數據輸入。
4）新建地面自動化系統
實現鐵水運輸區域地面自動化設備信息采集，為鐵水運輸無人化決策控制提供數據輸入。
5）輔助系統
對供電、電訊、中控室等輔助系統進行適應性改造，主要包括對項目改造范圍內的電氣工程、電訊設施、道口欄木機進行適應性改造。
6）系統外部接口改造
系統外部接口包括中天煉鐵智能化系統、動靜態軌道衡稱重系統、微機聯鎖系統、紅盾鐵路道口集控系統、煉鋼智能生產管理系統、南通鋼后制造執行系統、移動中天平臺、千盟物流跟蹤系統、中天鐵路運輸智能管理系統，本工程系統接入以上系統實現外部信息獲取。
2.3 工藝情況
中天鋼鐵現有1座煉鋼廠，主要設備有3座 190t轉爐。煉鋼鐵水吊裝區設有4條軌道線，每條線可停放2輛鐵水車，共有8個鐵水吊裝工位，3臺天車進行吊裝作業。
共有12臺GK1C型鐵水運輸內燃機車，機車具備司控駕駛和遙控駕駛2種模式，目前由司機手動駕駛。采用“一罐制”鐵水運輸工藝，鐵水罐平均裝載量約180t，單罐最多裝載鐵水230t。
鐵水運輸設備包含5個230t鐵水罐、37臺鐵水車（其中1臺為砝碼車）。目前投運約34輛鐵水車，鐵水罐平均周轉率約4.1，鐵鋼界面鐵水溫降約130℃。機車牽引鐵水車到達出鐵口下方區域、煉鋼鐵水吊裝區域、鑄鐵間等工位點時，調車員需下車人工放置鐵鞋防止鐵水車溜逸。在鐵水運輸作業中每臺機車配置1名司機和1名調車員。每班配置3名鐵水調度員，采用微機聯鎖進行鐵水運輸進路控制，調度人員根據鐵鋼界面實際生產情況，結合鐵路線路、機車及鐵水車狀態和位置等信息，編制鐵水調度及運輸指令，操作微機聯鎖開啟進路。調度員與司機通過電話溝通，司機根據作業任務和目的地，人工駕駛機車作業。
鐵水運輸區域共有 7 個道口，均安裝有道口電動欄木機，欄木機及信號由道口管理員通過鐵路道口集控系統遠程手動控制。
2.4 改造后作業流程
完成中天鋼鐵智慧鐵水運輸系統建設及相關改造后，系統根據鐵鋼界面生產實際狀態，采用智能算法及模型，實現鐵鋼界面全流程信息化管理、鐵水智能調度管控及鐵水運輸自動駕駛作業。
智慧鐵水運輸系統通過高爐配罐模型實現高爐配罐指令自動生成，并在人工確認后將該指令發送至對應機車，機車按照指令推送空罐至高爐爐下進行精確對位，同時完成鐵水車自動駐車和自動摘掛任務。
爐下鐵水車完成受鐵之后，系統根據鐵鋼平衡需要，生成鐵水罐重罐的去向及運輸指令，并在人工確認后將該指令下發至機車，機車按照指令進行重罐運輸、機罐匹配等作業。機車和目標鐵水車進行自動連掛作業，連掛成功后鐵水車自動解除駐車，機車牽引重罐進行鐵水運輸作業。
智慧鐵水運輸系統根據煉鋼作業需求信息自動生成重罐的運輸作業指令，并在人工確認后將該指令下發至機車，機車推送重罐進入煉鋼鐵水吊裝工位自動完成作業對位。對位作業完成后，鐵水車自動駐車，機車和鐵水車自動解掛。鐵水車在煉鋼廠進行自動充電，保障車載設備正常運行。
智慧鐵水運輸系統獲取煉鋼鐵水吊裝作業信息及機車和鐵水車的狀態信息，系統自動生成煉鋼拉空指令，并在人工確認后將該指令下發至機車。機車運行至煉鋼并與目標空罐鐵水車自動連掛，鐵水車自動釋放駐車后，機車按照智能調度指令牽引空罐前往鑄鐵修罐間或高爐爐下等工位點。
如此循環往復，實現高爐至煉鋼鐵水吊裝工位的自動駕駛鐵水運輸作業。在機車作業過程中，系統控制微機聯鎖系統聯動，實現機車行進路線規劃與排列。針對機車、鐵水車及鐵水罐的檢修、下線、上線等作業內容，由人工錄入，系統支持人工下發檢修、下線、上線指令。下線后的狀態信息，由人工錄入形式進行在線記錄管理。機車重新上線需由人工駕駛至機修間自動駕駛交接點。
高爐修鐵溝作業任務，由人工生成任務，系統自動開放進路，人工駕駛機車完成。高爐出渣作業任務，由調度人工下發，系統自動開放進路，機車自動駕駛完成。砝碼車的作業任務，由調度人工下發，系統自動開放進路，機車自動駕駛完成。但是砝碼車上線作業之前，需要人工保證砝碼車的電量充足，且在自動駕駛區域內。
中天鋼鐵智慧鐵水運輸系統實現后的作業流程如圖 4-1 所示。
圖4-1改造后無人化作業流程圖
中天鋼鐵智慧鐵水運輸系統主要包括自動駕駛車載系統、智慧鐵水運輸地面管控系統、地面自動化系統、智能感知系統、輔助系統以及系統外部接口，智慧鐵水運輸系統架構如圖4-2所示。
圖 4-2 中天鋼鐵智慧鐵水運輸系統架構圖
本工程在高爐中控室設置操作終端，在高爐出鐵平臺設置狀態采集箱，由高爐平臺操作人員通過狀態采集箱按鈕確認開口進罐、堵口流盡、動車信號。在煉鋼鐵水吊裝區內設置操作終端，由煉鋼鐵水吊裝區控制室操作人員通過操作界面按鈕確認空罐、線路信息，在鑄鐵修罐間設置狀態采集箱，由鑄鐵修罐間操作人員確認進罐安全，系統自動采集以上信息用于保障動車安全。
自動駕駛車載系統主要實現機車和鐵水車的自動駕駛控制、設備狀態采集、安全聯鎖保護功能。
智慧鐵水運輸地面管控系統主要實現鐵水運輸全流程跟蹤、全流程狀態管理、鐵水調度、機車調度、數據管理功能。
地面自動化系統主要是控制煉鋼廠內充電裝置，并采集充電裝置狀態。
智能感知系統為鐵水運輸機車自動駕駛提供全天候的障礙物檢測和行車安全保護，為機車車載決策系統提供可靠的信息源。
外部系統接口主要包括中天煉鐵智能化系統、動靜態軌道衡稱重系統、微機聯鎖系統、紅盾鐵路道口集控系統、煉鋼智能生產管理系統、南通鋼后制造執行系統、移動中天平臺、千盟物流跟蹤系統、中天鐵路運輸智能管理系統，通過以上系統的數據接口實現鐵、鋼生產關鍵信息的統一獲取。
輔助系統包括供配電設施、電氣工程、電訊設施改造與建設，以及道口攝像頭、欄木機設備、機車加揭蓋相關供電設備利舊。
2.5 需要說明的問題
1) 本工程采用融合定位信息實現道口開閉信號的控制，設置地面環境感知系統，保障通行安全。同時，無人化道口改造后需中天鋼鐵同步制定相關管理規定，加強道口通行安全管理。
2) 由于 4 號道口有管廊橋架，高度受限，為保證運輸安全，所有鐵水車經過 4 號道口需保持開蓋狀態。
3) 中天鋼鐵應保證摘掛鉤本體和鐵包加蓋本體維護在良好狀態。
4) 煉鋼盡頭的運料線路，增加信號燈和聲光報警器提示，需要中天鋼鐵加強此線路通行安全管理。
5) 在機修間設置一套機車充電設備，保證機車下線檢修后能夠正常充電上線。如果在線的某臺機車電量不足，無法滿足在線充電的條件，則自動駕駛至機修間交接點后，由人工駛入機修間進行充電。
6) 煉鋼配重罐換線拉空罐時，換線點離 5 號道口很近，為保障安全，自動駕駛后，換線時需要關閉 5 號道口。
3 結論
本文介紹的無人駕駛電氣機車采用電力驅動降低化石能源消耗，符合國家節能減排要求，無人化運行，降低人員勞動強度和提高人員安全性，滿足鋼鐵企業的不斷發展和智能化工廠的升級目標。