淺析堆取料系統(tǒng)智能化改造的一種敏捷設(shè)計(jì)方法

王鵬鋮

青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院（266011）

0 前言

2001年2月，在美國的猶他州，17位“無政府主義者”共同發(fā)表了《敏捷軟件開發(fā)宣言》。該宣言指出:盡早地、持續(xù)地向客戶交付有價值的軟件對開發(fā)人員來說是最重要的；擁抱變化，即使在開發(fā)的后期，敏捷過程能夠駕馭變化，保持客戶的競爭力；在整個項(xiàng)目中，業(yè)務(wù)人員和開發(fā)者緊密合作；圍繞士氣高昂的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行開發(fā)，為團(tuán)隊(duì)成員提供適宜的環(huán)境，滿足他們的需要，并給予足夠的信任；在團(tuán)隊(duì)中，最有效率的也是效果最好的溝通方式是面對面地交流；可以工作的軟件是進(jìn)度首要的度量方式；可持續(xù)地開發(fā)，投資人、開發(fā)團(tuán)隊(duì)和用戶應(yīng)該保持固定的節(jié)奏；不斷追求優(yōu)秀的技術(shù)和良好的設(shè)計(jì)有助于提高敏捷性；盡可能減少工作量，減少工作量的藝術(shù)是非常重要的。

至此，敏捷開發(fā)方法進(jìn)入了大發(fā)展的時代，這份宣言也就是敏捷方法的燈塔。

傳統(tǒng)基于原型法的設(shè)計(jì)開發(fā)強(qiáng)調(diào)的是，足夠清晰的需求，制定詳細(xì)的文檔，按照預(yù)定的計(jì)劃逐一進(jìn)行開發(fā)、測試。這樣的方式在制訂好計(jì)劃之后很難適應(yīng)變化，無法應(yīng)對客戶對需求的實(shí)時更改，后續(xù)的維護(hù)必將付出不小的代價。

敏捷設(shè)計(jì)方法定義人是設(shè)計(jì)、開發(fā)中最重要的因素，其理念是充分信任開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠很好地完成任務(wù)（持續(xù)溝通、持續(xù)集成），這是設(shè)計(jì)管理的中心主題。敏捷設(shè)計(jì)方法定是以最簡的方式來迎接變化，客戶在整個開發(fā)過程中都是參與者，開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠在最短的時間內(nèi)得到客戶的反饋，不斷適應(yīng)需求的變更，從而使得最終的產(chǎn)品能夠充分符合客戶的要求。

堆取料機(jī)在建材行業(yè)中廣泛使用，現(xiàn)役系統(tǒng)存在大量定制化改造的需求。文章將這一設(shè)計(jì)方法引入建材行業(yè)堆取料系統(tǒng)的智能化改造設(shè)計(jì)中就顯得尤為有意義。

1 堆取料系統(tǒng)智能化改造的敏捷設(shè)計(jì)方法

通常，設(shè)計(jì)、開發(fā)人員給人留下的印象就是內(nèi)向、不善言談，項(xiàng)目中的許多問題就出在這些缺乏溝通的設(shè)計(jì)、開發(fā)人員身上。某個設(shè)計(jì)人員作出了一個設(shè)計(jì)決定，但是卻不能夠及時地通知團(tuán)隊(duì)中的其他成員，結(jié)果使得團(tuán)隊(duì)在協(xié)作與配合上出現(xiàn)很多麻煩。在傳統(tǒng)的開發(fā)方法中，開發(fā)人員并不在意這種口頭溝通不暢的問題，而是希望借助于完善的流程和面面俱到的文檔、報(bào)表、計(jì)劃來替代，但是這又引入了效率不高的新問題。敏捷設(shè)計(jì)方法鼓勵大家進(jìn)行口頭交流、通過交流解決問題，提高效率。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)方法中，要求設(shè)計(jì)人員對未來作一些預(yù)先規(guī)劃，以便對今后可能發(fā)生的變化預(yù)留一些擴(kuò)展空間，因此很難做到化繁為簡后簡約而不簡單。在工程實(shí)際中，溝通和簡單之間還有一種相當(dāng)微妙的互相支持關(guān)系：一方面，團(tuán)隊(duì)成員之間溝通得越多，就越容易明白哪些工作需要做，哪些工作不需要做；另一方面，系統(tǒng)越簡單，需要溝通的內(nèi)容就越少，溝通也將更加全面。

在敏捷設(shè)計(jì)方法指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)的“智能化無人值守預(yù)均化堆取料系統(tǒng)”，通過使用先進(jìn)的自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像圖形處理技術(shù)以及通訊技術(shù)，對堆取料機(jī)自動精確定位，實(shí)現(xiàn)預(yù)均化堆場內(nèi)堆取料機(jī)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、自動堆料、自動取料的智能化作業(yè)，具有生產(chǎn)效率高、勞動強(qiáng)度低和安全環(huán)保性高等優(yōu)點(diǎn)。

堆棚三維信息重構(gòu)功能（關(guān)聯(lián)批次質(zhì)量數(shù)據(jù)）的實(shí)現(xiàn)，能清晰實(shí)時地反饋堆棚儲量信息、區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量信息，方便工廠進(jìn)料計(jì)劃編排，優(yōu)化取料方案，充分發(fā)揮堆棚預(yù)均化功能。

1.1 堆取料系統(tǒng)智能化改造

現(xiàn)役堆取料系統(tǒng)智能化改造需求分為以下3個層面。

增強(qiáng)感知功能。采用先進(jìn)的定位測量元器件替換老舊檢測元器件，先進(jìn)的定位測量元器件主要有激光掃描儀、激光測距儀、傾角測量儀、AI攝像頭等。

電氣與控制。更換電氣盤柜，主要有四象限變頻器代替軟起和帶制動電阻的變頻器、性能先進(jìn)的PLC。

智能化升級。實(shí)現(xiàn)高安全可靠無人值守功能、堆棚三維信息場重構(gòu)（網(wǎng)格空間單元關(guān)聯(lián)批次質(zhì)量數(shù)據(jù)）。

根據(jù)敏捷設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對堆取料系統(tǒng)智能化改造的3個層面需求，通過廣泛持續(xù)的溝通，掌握相關(guān)供應(yīng)鏈行情，及時根據(jù)最新技術(shù)和新產(chǎn)品，制訂持續(xù)設(shè)計(jì)模板庫和集成解決方案。

模板庫的建立和持續(xù)維護(hù)同樣分為三個方面。

對于感知元器件模板庫，主要是建立典型安裝模板和二次元件端子接線模板。

對于電氣與控制模板庫，主要是根據(jù)用電負(fù)荷建立典型供配電模板和根據(jù)堆取料機(jī)運(yùn)維功能建立控制功能庫（行走控制、調(diào)車安全控制、定位精度修正）。

智能化模板庫，主要建立視覺AI算法庫、堆取料裝備健康狀態(tài)監(jiān)測、故障與安全預(yù)測、三維信息解析與重構(gòu)。

1.2 敏捷設(shè)計(jì)工具

敏捷設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)除了要求有持續(xù)溝通、持續(xù)集成的團(tuán)隊(duì)，還需要有先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具來實(shí)現(xiàn)具有良好工程質(zhì)量的功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)。模板庫的建立需要有數(shù)據(jù)背景的設(shè)計(jì)工具。文章推薦WPS Plus云文檔管理、EngineeringBase、Labview這幾款軟件工具用于項(xiàng)目管理、模板庫的建立和解決方案的集成。其中，WPS Plus云文檔管理用于項(xiàng)目管理（信息交互、文件共享、代辦列表、時間跟蹤、反饋循環(huán)等）。EngineeringBase用于電氣與自動化的功能設(shè)計(jì)表達(dá)。Labview用于系統(tǒng)性仿真和智能化功能的表達(dá)（如圖1所示）。

圖1 智能化功能示例

對實(shí)際的堆取料系統(tǒng)智能化改造工程項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)具體需求，選取好相應(yīng)模板，采用典型復(fù)制或迭代，在EngineeringBase環(huán)境中快速生成解決方案，滿足改造項(xiàng)目工期短的需求。

1.3 得以實(shí)現(xiàn)的理論和實(shí)踐依據(jù)

智能感知狀態(tài)監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)智能化無人值守的前提。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測包括移動設(shè)備定位、碰撞監(jiān)測和故障報(bào)警三部分。針對大型堆取料機(jī)結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合理論，研究設(shè)備在動態(tài)條件下數(shù)據(jù)和信息傳遞規(guī)律，構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷機(jī)理模型和三維堆場信息傳遞模型。

激光測距技術(shù)不僅可用于快速定位，還可以快速精確地獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并可以通過三維激光掃描裝置獲取料堆表面的三維坐標(biāo)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到料堆的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維虛擬重構(gòu)，將批次質(zhì)量數(shù)據(jù)與網(wǎng)格單元相關(guān)聯(lián)，同時具有實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算和實(shí)時更新三維模型的能力，為智能化作業(yè)提供準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)和操作信息。

通過堆取料機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)時計(jì)算堆取料機(jī)各個機(jī)構(gòu)的實(shí)時位置，并通過定位系統(tǒng)對其進(jìn)行標(biāo)定，再利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算料堆的取料邊界、切入點(diǎn)等邊界點(diǎn)三維坐標(biāo)，從而實(shí)時、動態(tài)地跟蹤堆取料過程中料堆形狀的變化，并進(jìn)行三維模擬，為智能化系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的位置數(shù)據(jù)和操作信息。

堆料取料作業(yè)規(guī)劃包括作業(yè)過程智能化調(diào)度和物料信息跟蹤管理。利用堆場堆形三維靜、動態(tài)數(shù)據(jù)以及設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)堆場堆取料機(jī)、皮帶機(jī)整條生產(chǎn)作業(yè)線設(shè)備的啟動、停止、連鎖、保護(hù)的全程自動化，實(shí)現(xiàn)預(yù)均化堆場堆取作業(yè)的無人值守。同時，同步堆場相關(guān)的主要信息，如三維堆形、體積、質(zhì)量、密度以及設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)，提供給智能化管理系統(tǒng)。

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是建立智能化無人值守系統(tǒng)的重要組成部分。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括堆場管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)。在中央控制室內(nèi)，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對來自各個機(jī)構(gòu)的位置信息、料堆信息等進(jìn)行收集和分析，建立實(shí)時的料場和大機(jī)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，保證堆場的自動化運(yùn)行。

堆場管理系統(tǒng)通過自動操作管理服務(wù)器完成料堆模型的仿真計(jì)算,通過中央控制生成和下達(dá)自動取料、堆料指令,并實(shí)時記錄、反饋和共享堆取料機(jī)的具體位置和運(yùn)行狀況，設(shè)置防碰撞和防過載保護(hù)功能。操作員在得到終端授權(quán)后可以通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)。

文章對堆取料系統(tǒng)的智能化改造初步應(yīng)用（如圖2所示）。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成示例

2 結(jié)語

文章簡單介紹了堆取料系統(tǒng)智能化改造的敏捷設(shè)計(jì)方法，探討了敏捷設(shè)計(jì)方法的基本原則和形式，以輕量級實(shí)踐為設(shè)計(jì)方法，以適應(yīng)式過程為設(shè)計(jì)流程，以期從敏捷性角度為工程設(shè)計(jì)實(shí)踐提供一種方法參考。

敏捷設(shè)計(jì)方法的重點(diǎn)、難點(diǎn)在于兩個方面：一是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)中需要有既懂得設(shè)計(jì)管理又懂得工具軟件開發(fā)的人才或支持資源；二是對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行數(shù)據(jù)化辨識和轉(zhuǎn)換成模板，這是個長時間持續(xù)的過程。