CN110591737A - 一种智能化焦炉四大车运行防撞控制装置 - Google Patents

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孙海燕
李晓斌
于天洋
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B41/00—Safety devices, e.g. signalling or controlling devices for use in the discharge of coke

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Abstract

本发明公开了一种智能化焦炉四大车运行防撞控制装置，本发明依据焦炉四大车无人化运行需求，发明了采用人工智能方法控制的焦炉四大车无人化运行区域安全保障装置，解决了焦炉生产过程中煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车无人化运行的防撞控制装置，实现了焦炉生产区域内的人机定位，非工作人员违章闯入监控，人‑机、机‑机碰撞预防与控制等。本装置可以提高焦炭生产效率，减少污染物对工人身体伤害，具有非常重要的环保、经济和社会效益。

Description

一种智能化焦炉四大车运行防撞控制装置
技术领域
本发明涉及到焦炉四大车无人化作业的安全保障--智能化焦炉四大车运行防撞控制装置，主要用于煤焦化工业炼焦过程中煤车、推焦车、导焦车、熄焦车四大车无人化运行过程的安全保障，替代目前广泛采用的炉前人工操作系统，使之安全彻底解决焦炉炉前的人工作业，减少对炉前工身体健康的伤害，以及对环境的污染。
背景技术
焦炉生产时，烟煤干馏形成焦炭，由四大焦炉机车共同配合，围绕焦炉焦化工艺，完成装煤、炼焦、推焦、拦焦和熄焦作业，这一过程目前由煤车、焦炉、推焦车、拦焦车和熄焦车等构成的四大车人工操作完成。
据美国EIA(Energy Information Agency) 统计和中国CCIA(China's CokingIndustry Association)报道，目前国内外焦化行业焦炉炉前作业一直是高温、高污染的特殊岗位，至今仍然依赖于人工操作，煤车所在的炉顶，焦罐及电车周围，推焦车、倒焦车所在炭化室门前，余煤、炉头焦、焦油、沥青等有害物质，以及高温炉墙热辐射及焦油高温挥发等使作业环境非常恶劣，劳动强度非常大，对焦炉操作工伤害巨大，同时也造成大量的有害和污染物挥发和泄漏，严重污染周边环境，目前还没有任何自动化的预警和防护装置。
针对焦化行业焦炉生产作业，人工操作、定检及清扫时，敞开炉门高温炉墙热辐射及焦油高温挥发等高强度和恶劣的作业环境对焦炉操作工造成巨大伤害的问题，本发明完成了焦炉四大车无人化运行的安全保障关键装备--智能化焦炉四大车运行防撞控制装置，是焦炉四大车无人化运行替代人工操作、减少对炉前工伤害系统智能化的安全保障前提，该装置可以彻底改变现有焦炉作业的现状，保护炉前工及焦化行业职工身体健康，降低环境污染，降低生产成本。。
发明内容
本发明的目的在于解决焦炉煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车无人化运行的安全保障问题。通过该装置可以快速准确轻松地的保障焦炉生产区的人、设备和环境安全，实现焦炉生产作业的智能化，彻底解决原有焦炉作业工艺对作业工人身体健康伤害和环境污染，最终实现焦炉生产区域的安全智能无人化。
本发明依据焦炉四大车运行工艺过程，通过人工智能方法，设计了智能化焦炉四大车运行防撞控制装置，解决焦炉生产过程中焦炉煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车无人化运行的人机定位，非工作人员违章闯入，人机、机机防碰撞，作业人员健康状况，以及有害气体泄漏等安全问题。技术方法主要包括建模、设计与制造等，装置由三部分智能化系统构成。（1）已知与未知设备、人员的定位系统；（2）移动设备识别、测速、人员轨迹预测及防撞控制系统；（3）人员健康监控系统。
（1）已知与未知设备、人员的定位系统
主要由电子围栏、智能门禁、GPS接收设备、UWB定位设备、无线网络交换机、三合一（RFID/WIFI/UWB）有源标签等硬件，IXL-Mapinfro V1.0、 IXLAS-GISLOC和XL-PMLCV1.0等软件，以及位置数据库构成。
（2）移动设备识别、测速、轨迹预测及防撞控制系统
主要由GPS接收设备、网络交换机、三合一（RFID/WIFI/UWB）有源标签、全景扫描激光雷达、编码电缆、同步器等硬件，IXLAS-GISMAP V1.0、IXLAS-GISLINK V1.0 、XL-PMLC V1.0、XL-LPCC V1.0、XL-CP V1.0和XL-LPCB V1.0等软件，以及人体行为轨迹预测数据库构成。
（3）人员健康监控系统
主要由无线网络交换机、三合一（RFID/WIFI/UWB）有源标签、WIFI/ Bluetooth/ZigBee调制解调器、服务器和API接口等，以及人体健康数据库构成。
本发明的有益效果是，通过本发明专利，可以快速准确实时的解决焦炉炉区的人员、设备及环境等安全问题，可以提高焦炭生产效率，减少污染物排放，杜绝焦炉污染物对焦炉炉前工的身体伤害，具有非常重要的经济和社会效益。
附图说明
图1 智能化焦炉四大车运行防撞控制模型；
图2 智能化焦炉四大车运行防撞控制装置系统结构；
图3 焦炉运行四大车设备；
图4 焦炉四大车无人化运行安全保障区域；
图5 采用该发明装置的焦炉生产区域的安全保障系统布置实施图。
具体实施方式
本发明智能化焦炉四大车运行防撞控制装置，技术方法主要包括建模、设计与制造等，实施方法包括：
1. 智能化焦炉四大车运行防撞控制模型建立
依据焦炉炼焦生产四大车无人化作业的工艺过程要求及目前焦炉生产工艺安全存在的问题，发明开发一套焦炉四大车无人化运行区域安全保障智能化系统装置模型，即智能化焦炉四大车运行防撞控制模型，见附图1。
该装置可以安装到焦炉炉顶，推焦区域、拦焦平台，熄焦与电车区域，地下室及煤气管道层等区域，可以进行实时监控与网络实时访问，是焦炉生产区域无人化运行安全作业的保障。
其防撞模型主要由定位、识别与人体行为轨迹预测等三大模型构成，其中定位采用距离相关概率的NLOS补偿定位模型，人体行为轨迹预测的灰色马尔科夫模型，场景与人机识别模型。
（1）距离相关概率的NLOS补偿定位模型
针对非视距传输导致定位效果差的问题，建立距离相关概率的NLOS补偿的目标定位模型，该方法可以有效地减少信号不同方向传播造成的定位影响，不需要大量的测量来识别路径的传输情况。利用所有可用的测量值来估算LOS和NLOS传播出现的可能性，由多个测距模型建立最小二乘估计，通过近似替代和凸分析方法简化和建立定位问题的最优化，利用松弛方法和几何知识制定问题的约束条件，最后以距离相关概率作为权值进行加权最小二乘估计，获得准确的目标定位坐标。
定位测距模型：，距离相关概率模型
基于距离相关概率的最小二乘估计
式中，di通讯节点间的测量距离，x 通讯节点的坐标，b由非视距观测引起的距离测量误差，v由系统噪声引起的距离误差，w以距离相关模型计算出的权值，bmax为估算的能够观测的最大NLOS测距误差值。
（2）人体行为轨迹预测的灰色马尔科夫模型
针对焦炉区域四大车无人化驾驶运行时，容易与轨道上行人发生碰撞事故的问题，提出灰色预测算法建立该类行人行走数据的马尔科夫模型，预测焦炉区域行人行走轨迹，为四大车制动提供主动安全的预测控制方法。
通过在焦炉区域现场随机抽取行人的轨迹数据，得到初始预测值：，再对初始预测值建立马尔科夫模型进行修正，修正值即为最终的预测结果： 。原始数列与灰色预测值之间的相对值 \*MERGEFORMAT ，根据相对值的大小，划分状态区间： \* MERGEFORMAT 。如煤车为：x(k+1)=17.3215×e0.0254k。
（3）场景与人机识别模型
通过焦炉区域现场地图数据，通过全景扫描激光雷达和相应自主研发的软件，建立即时定位与地图构建系统与控制模型。
式中，为位置参数，即时 的值；分别为上升的最大速率以及加速度；为调整的初始加速度。
2 装置设计
该装置发明设计出可以满足焦炉四大车无人化运行区域作业安全保障装置，该装置具有以下目标及技术指标：
（1）安全保障区域：1000米（L）×500米(W)×50米(H)；
（2）焦炉作业区域内大型作业车辆、人员、设备及汽车车辆的精确位置实时获取，响应时间≤1秒；
（3）人员生理信息、生命指数的实时监控；
（4）IP65，防爆，适用温度-20至80℃；
（5）作业区域内车辆或人员进出安防系统的监控与记录，以及系统报警处理；
（6）人与车，人与非安全设备，人与不安全区域等的实时监控与报警提示和主动安全控制；
（7）定位与测距信息，电池容量，人与设备标签识别号，系统维护和纠错等信息的采集与通信；
（8）控制与通信信号：通讯协议为TCP/IP，WiFi，Bluetooth等；
（9）与炉前作业的推焦、导焦、装煤车、熄焦电车等作业联锁控制；
（10）定位与测距设备符合中国无线电委员会对于无线电信号的功率，频率等的要求和认证；
（11）定位与测距设备符合国际和中国的相关电子产品的要求；
（12）定位与测距设备使用的技术需要符合国际组织（ISO，IEEE）标准，如：网络IEEE802.3，IEEE 802.3u，IEEE 802.3ab，IEEE 802.3x，IEEE 802.1p， ISO/IEC 10536 、ISO/IEC 14443 、ISO/IEC 18000和无线通信规范等。
设计的四大车运行智能化防撞控制装置系统结构见附图2。
3 装置制造装配部件
该装置硬件部件主要包括：无线信号基站，自主研发的智能控制系统、人和设备身份识别三合一有源标签、人体健康信息卡、区域有害气体信息卡和区域安全权限装置（智能门禁系统等）等。
自主开发的软件包括：IXL-Mapinfro V1.0，IXLAS-GISLOC，XL-PMLCV1.0，IXLAS-GISMAP V1.0，IXLAS-GISLINK V1.0 ，XL-PMLC V1.0，XL-LPCC V1.0，XL-CP V1.0，XL-LPCBV1.0，以及位置数据库，人体健康数据库，人体行为轨迹预测数据库等。
其它硬件部分为外购，该发明装置为依据设计图纸制造和组装完成，然后依据技术要求进行调试和现场安装投入使用。
本装置采用互联网+人工智能技术等，发明了智能化焦炉四大车运行防撞控制装置，改变原有焦炉四大车原有人工驾驶工作到无人驾驶生产的功能，实现焦化生产智能设备监控焦炉产区人机安全的保障问题，是降低环境污染，保护炉前工身体健康，降低了生产成本和环境污染的有效办法。
该装置的工业现场安装位置如图5所示，主要包括：工业控制计算机系统，无线数据发射与接收基站50-72只，地形地貌和设备扫描及识别雷达系统，人与设备身份、健康、环境信息综合智能识别标签125-500只，区域辨识与定位智能感知器，无线数据传输与控制系统等硬件，以及基于C#语言和Windows系统的IXLAS-GISMAP监控、IXLAS-GISLOC定位、IXLAS-GISIMP应用、IXLAS-GISLINK通信软件和开放的引擎API接口等。
该装置主要完成推焦、拦焦、装煤车、熄焦电车四大车（见图3）无人化生产运行条件下的区域安全及防碰撞主动安全保障功能。该系统上电后首先完成对现场设备（有标签与无标签，125-500个）的识别与状态检查，然后将现场安全保障区域内（见图4）的所有人与设备的具体位置和相互之间的距离等坐标数据传输到该系统的交换机和各个数据处理服务器中心（见图1和图2），在软件系统中进行相应的数据算法处理与主动安全控制的输出，将需要主动安全操作的信号输出到四大车监控中心系统（见图2），依据具有自学习功能的人员随机运动预测及路径规划和设备轨道运动预测，进行安全控制执行，从而保障四大车无人化生产过程。
现场被监控设备（有标签与无标签）主要包括：人员，煤车，推焦车，拦焦车，电车与熄焦车、余煤清理车与余煤箱，检修设备，以及一些临时放置物等。
主动安全控制的输出是依据设备与人员，设备与设备之间的位置与安全距离与规划路径的预测预警等，通过IXLAS-GISMAP、IXLAS-GISLOC、IXLAS-GISIMP、IXLAS-GISLINK等软件进行计算确定。
本发明实施例包括：
本发明现已在宝钢股份四期焦炉推焦系统中应用，宝钢原有焦炉生产采用人工，按年产焦炭530万吨测算，需要大量的人力物力，而且经常会对设备和人体健康造成重大的伤害，采用该发明装置以后，实现的生产区域的安全保障控制。
未来应用
1. 预计发明推广应用的可行性及前景（向公司内、外直至国外推广应用的可行性及前景）：
（1）随着国家环保和节能减排要求的不断提高，焦炉的节能安全健康运行势在必行，该装置对节能降耗及提高焦炭质量都具有现实意义。
（2）无论从环保、节能，还是从现场应用效果来看，本发明专利实用性均很强，投资小，功效大。
2. 本发明可以广泛应用在焦化、钢铁、有色等多行业的炉区作业系统中。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (1)

1.智能化焦炉四大车运行防撞控制装置；其特征在于，包括：针对焦化行业焦炉生产作业，人工操作、定检及清扫时，敞开炉门高温炉墙热辐射及焦油高温挥发等高强度和恶劣的作业环境对焦炉操作工造成巨大伤害的问题，本发明完成了焦炉四大车无人化运行以后的安全保障---焦炉四大车运行防撞控制装置，是焦炉四大车实现无人化运行，以智能化替代人工操作，减少对炉前工伤害的安全保障，该装置彻底改变了焦炉作业的现状，降低了环境污染，保护了炉前工及焦化行业职工身体健康，大大降低了生产成本。
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