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北京首鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司

1 　目標(biāo)和概述

1.1　生產(chǎn)場(chǎng)景現(xiàn)狀概述

在鋼鐵行業(yè)的中厚板生產(chǎn)過程中，冷床、檢查臺(tái) 架、橫移臺(tái)架等設(shè)施導(dǎo)致鋼板物料在輥道上的運(yùn)行不 連續(xù)，同時(shí)根據(jù)鋼板的軋制情況，物流會(huì)去往不同的 后續(xù)流程，也增加了輥道跟蹤的變化。為了能夠?qū)⑽?料在不同輥道上的跟蹤接續(xù)起來，最終實(shí)現(xiàn)全流程跟 蹤管控，需要在上述設(shè)施上額外安裝設(shè)備來協(xié)助完成 跟蹤任務(wù)。

現(xiàn)有的冷床、檢查臺(tái)架、橫移臺(tái)架跟蹤技術(shù)主要 依賴于光柵，通過在設(shè)施下方密集地安裝光柵實(shí)現(xiàn)定 位和跟蹤能力，設(shè)備安裝密度高。又考慮到冷床上的 鋼板溫度很高（600℃以上），該設(shè)施下方安裝光柵需 要做到耐高溫，單一設(shè)備昂貴。因此，現(xiàn)有方案成本 極高。另外，鋼板在三種設(shè)施上移動(dòng)，容易造成氧化 鐵皮脫落，掉落在設(shè)施下方可能導(dǎo)致光柵被遮擋甚至 損壞。安裝在設(shè)施下方，一旦出現(xiàn)設(shè)備問題，進(jìn)行維 護(hù)需要等到產(chǎn)線停產(chǎn)，非常影響平臺(tái)的穩(wěn)定性和用戶 體驗(yàn)。同時(shí)，現(xiàn)有傳感器方案不能處理鋼板中途調(diào)走 導(dǎo)致的跟蹤問題。

1.2　本方案要解決的問題

（1）提高冷床、檢查臺(tái)架、橫移臺(tái)架等區(qū)域的平 臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)化鋼板跟蹤的穩(wěn)定性；

（2）構(gòu)建全產(chǎn)線跟蹤體系，做到產(chǎn)品可追溯；

（3）降低整套解決方案實(shí)施成本。

1.3　總體技術(shù)路線

（1）采用人工智能技術(shù)，基于機(jī)器視覺能力，以 深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為主，輔以機(jī)器視覺算法庫(kù)的通用處理， 實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻中鋼板位置的精確定位；

（2）采用人工智能技術(shù)，基于數(shù)據(jù)分析能力，基 于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)視頻中的鋼板進(jìn)行跟蹤；

（3）結(jié)合生產(chǎn)二級(jí)系統(tǒng)現(xiàn)有跟蹤能力，配合 使用人工智能技術(shù)分析的冷床等區(qū)域的鋼板跟蹤數(shù) 據(jù)，使用大數(shù)據(jù)流式分析和數(shù)據(jù)處理，完成全產(chǎn)線跟 蹤體系；

（4）采用高清攝像機(jī)、工業(yè)面陣相機(jī)作為主要圖 像采集設(shè)備，可以從多方面降低整體成本；

（5）攝像機(jī)和工業(yè)相機(jī)設(shè)備安裝在產(chǎn)線上方，不 易損壞，易于維護(hù)，有助于整體提升平臺(tái)穩(wěn)定性。

1.4　主要技術(shù)目標(biāo)

（1）智能分析實(shí)現(xiàn)跟蹤：平臺(tái)接收多臺(tái)攝像機(jī)的 視頻流，能夠?qū)崟r(shí)分析視頻中鋼板的位置變化，準(zhǔn)確 識(shí)別鋼板，對(duì)鋼板進(jìn)行跟蹤，平臺(tái)跟蹤準(zhǔn)確率達(dá)97%以 上，對(duì)平臺(tái)異常情況進(jìn)行甄別和處理。

（2）實(shí)現(xiàn)全流程跟蹤：接入生產(chǎn)二級(jí)系統(tǒng)可以提 供的所有鋼板信息的靜態(tài)數(shù)據(jù)和鋼板位置跟蹤的動(dòng)態(tài)數(shù) 據(jù)，以及智能分析得到的鋼板位置跟蹤動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，整合 鋼板全流程跟蹤數(shù)據(jù)，并以圖像化的方式將鋼板位置同 步地展示到瀏覽器頁(yè)面上，提供從全產(chǎn)線到具體過程多 個(gè)層級(jí)的跟蹤監(jiān)管。

2　方案詳細(xì)介紹

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)整體架構(gòu)包括：成像硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、 智能分析服務(wù)、全流程跟蹤服務(wù)、平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)以及 貫穿以上服務(wù)的數(shù)據(jù)總線、接口服務(wù)以及監(jiān)控管理。 智能分析服務(wù)實(shí)現(xiàn)基于人工智能技術(shù)的鋼板跟蹤；全 流程跟蹤服務(wù)結(jié)合各種跟蹤數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全流程的鋼板 跟蹤；平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)提供用戶界面，展示鋼板實(shí)時(shí)情 況。如圖1所示。

圖1 平臺(tái)整體架構(gòu)

2.2　關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精確的鋼板識(shí)別和 跟蹤檢測(cè)，鋼板識(shí)別精度達(dá)到97%，對(duì)跟蹤檢測(cè)影響很小，做到鋼板精準(zhǔn)跟蹤；并通過GPU加速和模型優(yōu) 化，提高檢測(cè)效率，做到實(shí)時(shí)響應(yīng)、實(shí)時(shí)反饋；同時(shí) 利用視覺技術(shù)檢測(cè)板材間距，優(yōu)化上料過程和冷床等 設(shè)施的利用率；

（2）整合生產(chǎn)二級(jí)系統(tǒng)現(xiàn)有跟蹤數(shù)據(jù)，形成貫穿 全產(chǎn)線的全流程跟蹤體系，做到產(chǎn)品可追溯；同時(shí)可 以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的整體調(diào)節(jié)，優(yōu)化產(chǎn)線生產(chǎn)效率，提 高產(chǎn)能，降本增效；

（3）充分利用圖像分析能力，在滿足分析條件的 情況下，盡可能擴(kuò)大相機(jī)畫幅覆蓋范圍，同時(shí)增加了 相機(jī)到鋼板的距離，即降低了對(duì)設(shè)備耐高溫的限制， 又減少了設(shè)備數(shù)量，節(jié)省了大量成本。

2.3 成像硬件系統(tǒng)

成像硬件系統(tǒng)主要由高清攝像機(jī)和工業(yè)面陣相機(jī) 組成。

工業(yè)面陣相機(jī)用于進(jìn)行入口上料區(qū)域的圖像獲 取，以控制兩個(gè)鋼板間的邊緣距離，使之滿足一定的 最小距離限制，以便后續(xù)圖像分析中可以正確區(qū)分相 鄰的鋼板個(gè)體，如圖2所示。

圖2 工業(yè)面陣相機(jī)功能

高清攝像機(jī)整體覆蓋冷床、檢查臺(tái)架、橫移臺(tái)架 以及中間庫(kù)區(qū)的整個(gè)設(shè)施范圍，用于進(jìn)行鋼板分布的 視頻圖像采集，用于進(jìn)行鋼板位置識(shí)別和跨攝像機(jī)的 物料跟蹤分析，如圖3所示。

圖3 高清攝像機(jī)功能

2.4 模型服務(wù)

模塊 模型側(cè)服務(wù)模塊基于Docker封裝為鏡像，具有較 好的獨(dú)立性，通過接口與外部實(shí)現(xiàn)低耦合的通信和協(xié) 作，同時(shí)具有較好的擴(kuò)展性。處理模型由機(jī)器學(xué)習(xí)算 法、機(jī)器視覺算法庫(kù)以及深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共同完成，用于 對(duì)連續(xù)的視頻幀進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)整 體的跟蹤能力。如圖4所示。

圖4 模型側(cè)服務(wù)模塊

2.4.1　調(diào)整語(yǔ)義分割模型UNet，提升模型精度

為了解決UNet無法對(duì)遠(yuǎn)程上下文交互和空間依賴 性進(jìn)行建模的問題，將U形結(jié)構(gòu)與Transformers的注 意力機(jī)制相結(jié)合形成了一個(gè)新的語(yǔ)義分割網(wǎng)絡(luò)。自注意 力模塊（MHSA）位于編碼的末端、解碼器的前端，作 用在最抽象的特征圖上，它將每個(gè)元素相互連接起來， 從而訪問包含所有輸入圖像的感受野，以此來獲取圖像 遠(yuǎn)程上下文信息。交叉注意力模塊（MHCA）通過減 弱跳連（skip connection）特征中與鋼板無關(guān)區(qū)域的 權(quán)重，增強(qiáng)相關(guān)區(qū)域的權(quán)重，來濾除非鋼板像素，完成 UNet解碼器中的精細(xì)恢復(fù)。最終實(shí)現(xiàn)了模型鋼板識(shí)別 精度的提升。

2.4.2　采用空洞卷積進(jìn)行加速

為了在保證算法模型準(zhǔn)確率的前提下提升算法性 能，將5×5的標(biāo)準(zhǔn)卷積替換成了3×3的空洞卷積。經(jīng) 試驗(yàn)，算法準(zhǔn)確率基本不變，速度提升一倍。

2.5　平臺(tái)側(cè)服務(wù)模塊

平臺(tái)側(cè)服務(wù)模塊基于Spring框架，可以快速將現(xiàn) 有MVC架構(gòu)調(diào)整為Cloud架構(gòu)，以方便后續(xù)的微服務(wù) 化、大數(shù)據(jù)整合或性能橫向擴(kuò)展的需求發(fā)展。包括：數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)、平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)、接口服務(wù)、全流程跟蹤服務(wù)、 數(shù)據(jù)總線和監(jiān)控管理。

2.5.1　平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)

平臺(tái)應(yīng)用服務(wù)提供用戶界面以展示實(shí)時(shí)跟蹤情況、 查詢歷史記錄，并提供相關(guān)業(yè)務(wù)操作以及監(jiān)控報(bào)警等功 能。服務(wù)采用B/S架構(gòu)，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意支持版本的 瀏覽器上進(jìn)行訪問和監(jiān)控。

（1）工作流設(shè)計(jì)

根據(jù)中厚板產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝過程，進(jìn)行工作流設(shè) 計(jì)，明確過程間的界面，確定界面處的數(shù)據(jù)走向、數(shù)據(jù) 關(guān)系和關(guān)聯(lián)方式，從而實(shí)現(xiàn)全流程的跟蹤控制。

（2）可視化展示

提供多級(jí)別的跟蹤管理展示界面，實(shí)現(xiàn)從廠區(qū)到 工藝流程的多維度跟蹤結(jié)果展示方式，結(jié)果實(shí)時(shí)進(jìn)行展 示，可動(dòng)態(tài)觀察鋼板的產(chǎn)品編號(hào)和其在冷床等設(shè)施上的 相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)過程，以及鋼板上下料或者被中途吊走 的不同入口出口情況的動(dòng)態(tài)。

（3）日志報(bào)表

提供多維度的日志查詢，用于分析各系統(tǒng)、服務(wù) 狀態(tài)，以及生產(chǎn)系統(tǒng)的整體情況。包括物料跟蹤的詳細(xì) 數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的操作日志、報(bào)警日志等。日志可以導(dǎo)出為 報(bào)表，支持日?qǐng)?bào)、月報(bào)、季報(bào)等多種時(shí)間粒度的報(bào)表生 成。

（4）監(jiān)控報(bào)警

監(jiān)控模塊整體監(jiān)控各個(gè)硬件設(shè)備和軟件模塊的運(yùn) 行狀態(tài)并即時(shí)反饋問題，用于自動(dòng)修復(fù)或報(bào)警，確保系 統(tǒng)穩(wěn)定性或盡量加速問題發(fā)現(xiàn)和解決的周期，提高系統(tǒng) 投用率。

2.5.2　接口服務(wù)

平臺(tái)提供統(tǒng)一的接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)應(yīng)用服務(wù) 與其他服務(wù)的解耦，同時(shí)作為生產(chǎn)二級(jí)系統(tǒng)與平臺(tái)進(jìn) 行數(shù)據(jù)交互的統(tǒng)一界面。全流程跟蹤所需的二級(jí)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)以及二級(jí)系統(tǒng)需要平臺(tái)協(xié)助完成的跟蹤任務(wù)，均 通過接口服務(wù)進(jìn)行配置打通數(shù)據(jù)通道。通過與二級(jí)系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，真正做到全產(chǎn)線的物料可追溯。接口 服務(wù)支持多種通信協(xié)議的動(dòng)態(tài)配置以及通過消息中 間件MQ、Kafka等將數(shù)據(jù)接入工業(yè)大數(shù)據(jù)/工業(yè)互聯(lián) 網(wǎng)，極大程度上適配工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景的通信接口和通信 方式。

2.5.3　全流程跟蹤服務(wù)

通過將從二級(jí)系統(tǒng)和智能分析得到的跟蹤數(shù)據(jù)進(jìn) 行歸集，結(jié)合工作流設(shè)計(jì)中明確的界面數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)方式， 利用大數(shù)據(jù)流式計(jì)算的能力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整合，最終 實(shí)現(xiàn)跨工藝流程的全流程物料跟蹤。

2.5.4　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

平臺(tái)產(chǎn)生并需要記錄的數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性，有常規(guī) 的生產(chǎn)記錄、跟蹤記錄等關(guān)系型數(shù)據(jù)，也可能要保存階段性視頻數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)用于故障分析。平臺(tái)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)和文件系統(tǒng)，滿足多種存儲(chǔ)需求。

2.5.5　數(shù)據(jù)總線

利用數(shù)據(jù)總線，完成平臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、智能分 析服務(wù)和全流程跟蹤服務(wù)間的數(shù)據(jù)交互，提供高內(nèi)聚的 數(shù)據(jù)交互方式。

2.5.6　監(jiān)控管理

監(jiān)控管理統(tǒng)一對(duì)平臺(tái)內(nèi)的一切狀態(tài)變化進(jìn)行記錄， 包括操作監(jiān)控、接口監(jiān)控、服務(wù)監(jiān)控以及硬件監(jiān)控。

（1）操作監(jiān)控與接口監(jiān)控

記錄完整的監(jiān)控日志，具體到每一次按鈕點(diǎn)擊、 每一次接口調(diào)用都進(jìn)行必要的監(jiān)控記錄，實(shí)現(xiàn)操作過程 可追溯。不開放任何操作日志的修改接口，操作日志由 界面操作和接口動(dòng)作分別創(chuàng)建，準(zhǔn)確區(qū)分界面操作錯(cuò)誤 與網(wǎng)絡(luò)攻擊，精確定位異常動(dòng)作。

（2）服務(wù)監(jiān)控與設(shè)備監(jiān)控

實(shí)時(shí)確認(rèn)核心服務(wù)和設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn) 工作異常，記錄并發(fā)出報(bào)警，提示進(jìn)行平臺(tái)維護(hù)，確保 系統(tǒng)穩(wěn)定性或盡量加速問題發(fā)現(xiàn)和解決的周期，提高系 統(tǒng)投用率。

2.6　安全措施

2.6.1　設(shè)備安全措施

（1）在設(shè)備部署的施工過程中，做好設(shè)備防護(hù)工 作，確保必要的工作環(huán)境條件得以滿足；

（2）規(guī)范施工操作流程，確保施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)；

（3）定期進(jìn)行設(shè)備檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題；

（4）設(shè)備附近按照規(guī)定，張貼設(shè)備說明告示板、 危險(xiǎn)警告標(biāo)識(shí)等必要的通知、警告標(biāo)志。

2.6.2　網(wǎng)絡(luò)安全措施

（1）做好遠(yuǎn)程訪問保護(hù)，如主機(jī)系統(tǒng)關(guān)閉對(duì)外密 碼遠(yuǎn)程登錄功能并以授權(quán)密鑰的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程身份驗(yàn) 證、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問設(shè)置有限權(quán)限的遠(yuǎn)程訪問等安全設(shè)置， 盡可能杜絕遠(yuǎn)程連接安全風(fēng)險(xiǎn)；

（2）采用HTTPS協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，構(gòu)建本地證 書體系，實(shí)現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)加密；

（3）HTTP接口方面，原則上所有接口需在用戶 權(quán)限下進(jìn)行訪問，以確保操作日志完整性；

（4）對(duì)于確實(shí)無法實(shí)現(xiàn)用戶SESSION的接口調(diào)用 需求，應(yīng)以指定IP進(jìn)行訪問和MAC校驗(yàn)工作，確保請(qǐng) 求端可信任，同時(shí)在條件滿足的情況下，實(shí)現(xiàn)雙通道數(shù) 據(jù)交互；

（5）對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和管理，并對(duì)用戶 行為進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對(duì)危險(xiǎn)用戶進(jìn)行封號(hào)處理；

（6）優(yōu)化代碼、服務(wù)的安全設(shè)置和處理，以更安 全的編碼規(guī)則和處理邏輯，做好網(wǎng)絡(luò)安全事前、事后防 御機(jī)制，減小事故造成的損失。

2.6.3　數(shù)據(jù)安全措施

（1）進(jìn)行完整、合規(guī)、符合必要范式要求的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和約束設(shè)計(jì)，強(qiáng)制要求必要的數(shù)據(jù)完整性；

（2）合理使用事務(wù)機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)具有充分的 完整性；

（3）在界面操作和接口調(diào)用時(shí)，分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 必要的校驗(yàn)和判斷，確保數(shù)據(jù)合法、合理；

（4）定期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從時(shí)間戳、數(shù)據(jù)重復(fù)等 方面，加強(qiáng)數(shù)據(jù)整體判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并結(jié)合日志等 歷史數(shù)據(jù)定位問題原因，及時(shí)解決數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，優(yōu)化數(shù)據(jù) 完整性并避免問題再次發(fā)生。

3　代表性及推廣價(jià)值

解決方案采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)、高清成像技 術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及分布式計(jì)算技術(shù)，具備本地云擴(kuò)展 和接入工業(yè)大數(shù)據(jù)/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力，充分考慮了廠 區(qū)技術(shù)革新的擴(kuò)展和兼容性需求。作為首個(gè)基于人工智 能技術(shù)的中厚板產(chǎn)線物料跟蹤系統(tǒng)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)板材跟 蹤領(lǐng)域的空白，具有非常明顯的技術(shù)示范效果和模范帶 頭作用。

本方案以中厚板產(chǎn)線設(shè)施大小為主要參數(shù)，限制 條件較少，定制化調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，可以推廣到類似產(chǎn)線的 全產(chǎn)線跟蹤場(chǎng)景。因此可以作為產(chǎn)品進(jìn)行封裝并具有商 業(yè)推廣可行性和推廣價(jià)值。經(jīng)調(diào)研，除了首鋼京唐中厚 板產(chǎn)線，在江蘇沙鋼寬厚板產(chǎn)線、遼寧凌鋼中厚板產(chǎn)線 等鋼廠，都具有良好的適配性，工廠對(duì)此需求也比較迫 切，產(chǎn)品的推廣空間非常廣闊。

本解決方案有效地提高了中厚板產(chǎn)線物料跟蹤過 程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，極大地縮減了相關(guān)人工輔助跟蹤 工作量，避免了人工失誤導(dǎo)致的生產(chǎn)問題，降低了損 耗。綜合人工成本和廢品損耗，每年可節(jié)約成本400萬(wàn) 元。同時(shí)，平臺(tái)整體提升了前后流程的協(xié)同工作效率， 提升上下料效率和冷床等設(shè)備的利用率，每年可額外提 升產(chǎn)能200萬(wàn)元，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

摘自《自動(dòng)化博覽》2021年11月刊