1 前言

近年来，日本国内劳动人口减少，熟练技术人员不足。废弃物处理业存在同样的问题。日本国内的废弃物处理工厂的主流经营模式是DBO模式（Design-Build-Operate：设计-建造-运营）。神户制钢集团神钢环境解决方案公司负责提供适应于处理对象物和地区的废弃物处理技术方案。神钢环境解决方案公司为应对这种废弃物处理工厂模式，开发出了吊车自动化运行技术，以降低废弃物处理工厂的运转成本。

2 吊车自动运行系统概要

废弃物处理工厂的焚烧炉直接对各种不同材质的废弃物进行焚烧。为了使焚烧状态稳定，在将袋装废弃物和污泥废弃物等各种废弃物投入焚烧炉前，用吊车对这些废弃物进行搅拌，使废弃物质地均匀化。此外，吊车还执行将废弃物投入焚烧炉料斗以及为次日投入废弃物进行的废弃物积存等多项复杂作业。并且，这些作业不是简单规定的作业，而是吊车操作者必须时刻根据废弃物坑内的废弃物储存情况，决定吊车的作业，并根据情况快速进行复杂作业。因此要求吊车操作者具有熟练的操作技能。

图1是神钢环境解决方案公司开发的取代吊车操作者操作技能的吊车自动运行系统的概略图。该图是双坑式（收料坑和储料坑）废弃物处理工厂的示例。吊车自动运行系统由以下4项技术构成：测定废弃物坑内积存废弃物高度的距离传感器和根据摄像机拍摄的废弃物图像识别坑内废弃物状况的技术（①废弃物高度测量技术、②废弃物搅拌混合状态识别技术）、确定吊车动作的技术（③模拟吊车操作者操作的吊车动作计划技术）、按照确定动作控制吊车作业的技术（④基于3D测定信息和动作计划的吊车控制作技术）。采用这些技术，取代了过去吊车操作者的认知、判定、操作等技能。

3 吊车自动运行系统技术概要

3.1废弃物高度测定技术

过去使用吊车传感器获得的废弃物高度的信息是将坑内划分成编号区域，吊车吊具（铲斗）接触废弃物堆编号区域高度的信息。这种方法因将坑内划分成编号区域，缺乏实时性（铲斗抓取废弃物时间的变换）。开发的废弃物高度测定技术使用两架距离传感器，对坑内废弃物全高度进行实时测定，将各传感器获得的3D点群数据按照废弃物坑坐标系进行转动、平移处理。此外，在实际运用时，反映吊车和落下废弃物的无用数据混杂在内，导致各坑的废弃物高度与实际高度有差异。为此，开发出噪声去除技术和缺损部修补技术。例如，测定时，因吊车的无用数据混杂，在距离传感器死角处的数据欠缺。采用本开发技术，在去除无用数据的同时，对欠缺数据进行补充，测定出接近真实废弃物端面状态的废弃物高度。

3.2废弃物搅拌混合状态识别技术废弃物处理工厂接收袋状废弃物、污泥等各种各样的废弃物。焚烧前，接收的废弃物临时在废弃物坑内储存。为了使焚烧炉稳定燃烧，要用吊车对坑内废弃物进行搅拌混合，使废弃物均匀化。吊车操作者目视确认废弃物的种类，根据废弃物的种类对吊车进行适当操作，对废弃物进行搅拌混合作业。

神钢环境解决方案公司开发出根据废弃物坑内摄像机的摄影图像，区分坑内废弃物种类和识别废弃物位置的技术。为了减少学习成本和提高识别精度，该技术采用了快速的多目标检测算法SSD（单次多框检测器）。该方法利用抽取输入图像特征量的深度神经网络，同时学习各种尺寸物体的种类和位置。事前，根据现场调查和吊车操作者的听觉感觉，将影响焚烧状态的废弃物种类分为袋状废弃物、污泥废弃物等6大类别。SSD学习这6种废弃物，对搬入废弃物种类进行识别。结果显示，检出了代表性的废弃物袋状废弃物、污泥废弃物、草类废弃物。

此外，充分搅拌混合废弃物对焚烧炉的稳定焚烧也十分重要。过去，吊车操作者目视废弃物坑内，并根据以往的经验，对废弃物搅拌混合状态进行感官判定。

由于搅拌混合的废弃物是许多废弃物的混合状态，外观上千种万样，所以，从图像上难于直接识别良好的混合状态。为此，将“不能分类为规定类别的搅拌混合废弃物”定义为搅拌混合区域，对搅拌混合状态进行定量化评价。图2是搅拌混合区域和未搅拌混合区域的检出结果例。

图2中的矩形部分是SSD法判定的区域。矩形以外的区域是搅拌混合区域。定量表示任意对象范围（图2的宽度×高度）中的搅拌混合状态的搅拌度V由式（1）定义。

式中，

：总检测面积（n个矩形面积之和）。

：各个废弃物的检测区域（矩形面积）。

用式（1）计算出的搅拌度的取值范围是0−1。搅拌度越接近0，废弃物搅拌混合的越不足，搅拌度越接近1，废弃物搅拌混合的越充分。

图3是废弃物搅拌度随搅拌时间的变化和SSD的判别结果。开始时，搅拌度为0.5，是未充分搅拌状态的搅拌度。这时，废弃物坑内的图像显示袋装废弃物等矩形包围区域占据图面的大部分，判别为未搅拌状态。此后，随着搅拌时间的延长，搅拌度升高到0.8。这时，矩形包围区域减少，搅拌区域增大。将搅拌度0.8设定为搅拌完成的指标，就可以知道搅拌是否达到搅拌完成指标。搅拌完成后，吊车进行废弃物的堆积作业，废弃物的搅拌度返回原值。由于本技术将模拟吊车操作者判定搅拌完了的搅拌度值作为搅拌目标值，所以，可对过去吊车操作者目测的感官判定的废弃物搅拌状态进行定量化评价。

3.3模拟吊车操作者操作的吊车动作计划技术

过去的吊车搅拌作业事先要对设定的动作进行反复操作，因此产生非必要操作（过度搅拌等）和新投入废弃物引起的搅拌不足等现象。所以，吊车自动搅拌作业只限于夜间等闲暇的短时间，大部分时间需要人员操作介入。为了实现吊车长时间的自动运行，构建了基于吊车操作者的技能和操作履历的吊车操作判断的逻辑系统。构建的操作逻辑系统的操作流程确定如下。利用3.1节所述的废弃物高度测定技术、和3.2节所述的废弃物搅拌混合状态识别技术，获得废弃物种类、搅拌混合状态、高度以及吊车位置和废弃物处理厂的运行情况等输入信息，根据这些信息，判断吊车继续进行的操作内容，计算出吊车的目标位置等操作内容。从而，模拟过去熟练操作者进行的各种判断，根据废弃物坑状况和各种制约条件，自动决策确定吊车的最佳动作（废弃物堆积-搅拌-装入），使吊车可长时间地自动运行。

3.4基于3D测定信息和动作计划的吊车控制技术如3.1节所述，过去对废弃物坑中的废弃物高度的测定方法，由于测定分辨率和实时性不良，吊车运行不得不进行过度的回避路径运行，导致作业时间延长。开发的吊车运行控制技术，利用3.2节所述的废弃物高度测定技术，可以获得高信赖性的废弃物高度信息，吊车运行不再进行过度的回避路径运行，而是经最佳路径到达目的地。

图4是开发的吊车路径生成技术的概略图。如在3.1节的废弃物高度测定技术所述，由于使用了两台距离传感器，补全了废弃物坑的死角，所以可同时高精度测定坑内废弃物的全面高度。基于废弃物高度信息和吊车动作计划规定的吊车位置信息，并考虑吊车各轴的移动速度，演算出吊车回避障碍物的运行路径。此外，该技术，为了无须使吊车各轴减速，进行转弯，配置了平滑（smoothing）功能，可在拐角处生成光滑路径，从而，使吊车无须为回避障碍物而摸索路径，就可到达指定的目的地。虽然缩短路径的效果不同，但代表性的动作跨过废弃物坑间的废弃物堆积动作时间缩短了约30%，因此提高了吊车的作业效率。

4 吊车自动化运行技术在实际废弃物处理厂的应用评价

上述的4要素技术组合的吊车自动化运行技术模拟吊车操作者的判断和进行与手动操作同样的多轴操作。为验证该技术的成立性，将搭载该技术的自动运行系统吊车在实际废弃物处理厂进行连续运行试验。试验结果表明，自动运行系统吊车搅拌混合作业结束时的搅拌度与吊车手动作业的搅拌度相同。

此外，在连续运行中，如果将搅拌不足的废弃物误投入焚烧炉内，会引起炉内燃烧不稳定。为对这种情况进行考察，测定了连续试验运行中的NOx平均值、蒸汽流量和砂层温度标准偏差的相对值（表1）。通常的手动作业的各指标为1。自动运行吊车连续试验运行中的上述3项指标与吊车操作者手动作业同等，说明自动运行吊车连续运行使焚烧炉的燃烧实现稳定化状态。

综上，上述的4要素技术组合的吊车自动化运行技术可取代过去熟练操作者的高度技能进行运行，是有效的吊车自动运行技术。