車號識別與自動稱重數據記錄系統的研發設計及應用

白云峰

（神華神東煤炭集團公司，陜西省榆林市，719315）

神華神東煤炭集團每年有2億多t商品煤通過快速定量裝車系統裝車計量后出售給全國各地用戶。煤炭計量問題和超偏載問題一直是供需雙方和運輸方爭執的焦點問題。目前的計量方式以貨車單節標準載重噸位為結算依據，每節車皮的實際裝載量沒有進行實時記錄和傳輸。為了解決好這一矛盾，神東公司與中南大學鐵道學院和西安華光公司共同開發了 “全自動貨運列車車號識別與記重管理系統”。該系統通過自動識別列車車號，結合快速裝車站稱重系統的信息，實現列車車號與轉載重量的全自動實時記錄功能以及通過軟件對記錄的數據進行本地和遠程的分類、查詢、打印等功能。該系統的使用能實現貨運列車、車輛、集裝箱的實時追蹤管理，提供準確、實時的基礎數據信息平臺；能實現裝車貨運站現在車的實時管理、車流的精確統計和實時調整等；也為順利實施鐵路資產經營責任制提供技術手段，是神華集團公司繼數字礦山建設后，提出的數字鐵路建設的一項重要內容。

1 系統功能

根據現場需求，車號自動識別系統的主要功能如下：

（1）電子標簽采用微波反射調制技術實現遠距離、無接觸方式提取標簽內存的數據信息。標簽信息由專用標簽編程器寫入。含有惟一可識別序號，機車標簽的內容有機車型號、機車配屬段、機車狀態和列車車次等。工作壽命長 （可讀寫次數超過10萬次），存貯器容量大于128bits。靈敏度高，抗干擾性強；標簽能在極限溫度+85℃～+125℃和-50℃～-60℃的條件下，儲存3h，并保證標簽數據的完整性；

（2）地面識別系統。用于檢測列車到來，讀取安裝于車體底部的標簽信息，將獲取的過車車號信息傳送到裝車站集中控制與處理系統 （CPS）；

（3）在進行標簽數據讀取的同時，還通過開、關門磁鋼對列車車輪信號進行采集，完成計軸、計輛、測速，并進行標簽定位；

（4）CPS控制和處理系統。對地面自動識別設備AEI識別出來的機車、車輛電子標簽信息進行處理；向上級應用系統轉發數據；定時校正地面自動識別設備AEI上的時鐘，使得系統采集的信息準確；定時、輪檢地面自動識別設備的工作狀態，并向上級監控系統報告；

（5）設計完善關聯數據庫模塊，對所有測試過程數據進行監控和存儲，提供數據過程重放功能；提供測試內容和測試結果的查詢和統計、數據庫的維護和備份等功能。

2 硬件設計方案

2.1 系統構成

自動車號識別與記重管理系統主要由以下幾個部分構成，見圖1。

（1）車輛／機車電子標簽 （TAG）。安裝在貨車底部的中梁上和機車底部的開闊位置，相當于每輛車的 “電子身份證”；

圖1 自動車號識別與記重管理系統原理框架圖

（2）地面識別系統 （AEI設備）。由地面天線、車輪傳感器及讀出設備主機、附加的通信裝置（如調制解調器+通信線路）、機柜及防雷裝置等組成。用于檢測列車到來、讀取安裝于車體底部的標簽信息，將獲取的過車車號信息傳送到車站集中控制與處理系統 （CPS），屬于ATIS 范圍的，最后通過通信網絡上傳到服務器中。

（3）集中控制與處理系統 （CPS）。接收所轄的地面識別系統傳來的過車信息和工作狀態信息，向地面識別系統發出控制命令，將接收的過車信息和地面識別設備的工作狀態信息加工處理后發送到服務器中。

（4）稱重倉數據處理系統模塊。為了實現全自動的記錄，系統需要采集裝車稱重系統的信號，經過高精度、實時處理，將貨車總量和對應的車號記錄到系統數據庫。

2.2 AEI地面自動設備

地面自動識別設備又稱AEI （automatic equipment identification），主要由磁鋼 （又稱車輪傳感器）、天線、閱讀器、電源防雷裝置、信號及通訊防雷裝置等部分組成。其中車輪傳感器、天線安裝在鐵道線路上，閱讀器等其他設備放置在設備機房里。AEI的主要功能是讀取車輛／機車電子標簽數據，向車站CPS提供列車報文。

2.2.1 天線

電子標簽天線主要用于接收電子標簽的射頻能量及信息，并發射電子標簽的相關信息，它是電子標簽和閱讀器進行數據交換的橋梁，是整個RFID系統的源泉，在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號。當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流。射頻卡獲得能RF被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內里發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器閱讀器對接收的信號進行解調和解碼然后送到后臺主系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該卡的合法性針對不同的設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

2.2.2 閱讀器

對于一個非接觸式數據載體的讀寫操作，一般是嚴格按照 “主—從”原則來進行數據交換，這意味著閱讀器和電子標簽的所有動作均應有通信協議或軟件來控制。因此，在實際系統中，應用軟件作為主動方，而閱讀器則作為從動方只對應用軟件的讀寫指令作出反應，從不自主活動。因此，閱讀器的基本任務是啟動數據載體 （電子標簽）與其進行數據交換來實現非接觸的無線通信，防沖突及身份驗證均由閱讀器自動完成。

通常，RFID 系統的閱讀器由圖2所示的幾部分組成：電源部分、微波信號源、高頻信號處理部分 （包括放大、調制等）、收發通道、中央處理器以及天線等組成。所有RFID 系統的閱讀器均可以簡化為3大基本功能模塊：由收發系統組成的高頻接口、控制系統以及和外界其他設備通信用的各種標準接口，如RS232接口、RS485接口。

圖2 閱讀器的基本電路

2.3 CPS控制和處理系統

由工控機、服務器、路由器、HUB、Modem等設備組成，安裝在車站計算機房內。CPS 作為車號系統的重要組成部分之一，它起著承上啟下的作用。一方面，它通過RS232串口或RS485串口，接收從AEI傳來的數據和消息報文，檢測AEI的工作狀態。另一方面，它又要把經過處理的信息傳送到服務器。

2.4 稱重倉信號采集處理系統

傳統稱重倉稱重儀基本都屬于由單片機控制的具備數據處理和管理能力的智能化設備，基本工作原理如圖3所示。

圖3 傳統電子稱工作原理圖

載荷作用于傳感器，傳感器在供橋電源的激勵下，將載荷成比例的轉換成電壓信號；信號首先經過有源濾波電路濾掉高頻干擾，然后放大；在單片機軟件的控制下，把電信號轉換成數字信號，并對其顯示和處理。

當機車到來并在軌道衡進行稱量時，數據采集設備讀取數據并通過RS485 口發送給工控機，磅房操作人員通過計算機完成數據稱量、車輛信息記錄、數據統計和信息管理等功能，并將數據存儲到數據庫服務器內。

2.5 系統工作原理

全自動貨物列車車號及記重管理系統詳細的工作流程如下：

（1）檢測列車到來。當列車到來時，首先經過距離天線約50t處的開機磁鋼，車輪壓過開機磁鋼產生脈沖信號，通過電纜傳送到讀出主機，該脈沖信號經地面設備處理形成系統復位信號，使系統設備復位，具體是將系統初始化，設置定時器，初始化變量和參數；啟動RF射頻裝置，通過天線發射微波信號；進入接車狀態。

（2）接收標簽反射信號，識別標簽。當安裝有標簽的車輛或機車經過天線作用范圍內時，標簽依據內存數據對微波信號進行反射調制，天線接收到經標簽調制的信息后，傳送給地面設備主機箱中的RF射頻裝置，RF 射頻裝置對已調制的標簽信號進行解調、放大等處理后送給Reader卡，進行譯碼和數據處理，最后形成16 個字節 （128bits）的標簽數據放置到數據緩沖區，從而完成對標簽的識別。

（3）計軸、計輛、測速，標簽定位。在進行標簽數據讀取的同時，還通過開、關門磁鋼對列車車輪信號進行采集，完成計軸、計輛、測速，并進行標簽定位。

（4）當最后一輛車的輪子壓過關門磁鋼后，關閉RF。關閉RF 射頻裝置停止發射微波信號。當整列車通過后，根據車速快慢由系統軟件控制延時一定時間后，關閉RF射頻裝置，停止發射微波信號。

（5）形成過車報文并傳至CPS計算機。系統對過車信息和標簽信息進一步進行處理，形成通過列車報文，并恢復和CPS計算機的通信，當CPS查詢到該設備時，閱讀器將過車報文發送給CPS，并等待CPS計算機的確認，如CPS因某些原因未能正確接收到該報文，就需要重新發送。

（6）準備接下一趟列車。發送報文后，又恢復到正常的通信應答狀態，等待下一列車的到來。

3 軟件設計方案

系統軟件由下位機讀寫器數據采集程序和上位機數據管理程序組成。系統主要功能是在車輛通過基站的瞬時啟動讀寫器讀取列車的電子識別標簽，并將數據傳送給系統上位機進行存儲和處理。設計的系統具有以下特點：

（1）實時性。使得讀寫器識別的數據能及時與上位機通信，并在數據庫中進行記錄；

（2）可靠性。由于讀寫器不具備歷史記錄的保存功能，所以要求應用程序能準確可靠地處理每次讀寫器傳送來的數據；

（3）通用性。軟件設計層次化和模塊化，層次清晰，對其中的模塊可靈活抽取替換，便于系統功能擴展。

4 神東錦界裝車站車號識別與自動數據記錄系統的實現

基于上述研發設計，神東公司于2010年1月以錦界裝車站自動化系統為試點，實施了自動化裝車系統的數據記錄與查詢、列車車號掃描系統數據的互聯與記錄查詢、上述數據的報表生成與打印功能，并能就當時通過模擬量信號采集裝車定量倉載重量信號存在誤差的情況提出改進要求。車號識別系統采用武漢利德測控技術公司的成熟產品。

4.1 具體功能實現

（1）在每次裝車結束后，將該次裝車過程中每節車皮的貨量、裝車起始／結束時間、車次、裝車總節數等自動裝車數據記錄下來；記錄文件應方便轉移、方便打開，易于各單位間互相比對、參考。

（2）與列車車號掃描系統互聯，實現信息上傳至裝車監控畫面。自動化裝車系統與列車號掃描系統，將每次裝車過程中每節車皮車號記錄入裝車系統中。

（3）實現裝車數據與列車號掃描系統的數據記錄存儲、查詢功能。

裝車站自動數據記錄系統功能，如圖4所示。

圖4 裝車站自動數據記錄系統功能

4.2 錦界裝車站自動數據記錄系統方案實現解決的問題

錦界裝車站自動數據記錄系統功能情況如圖5所示。

圖5 錦界裝車站自動數據記錄系統功能

（1）考慮神東公司生產管理系統升級，MES系統的擴建，在硬件上使用服務器來完成數據的記錄、查詢、打印功能；

（2）由于錦界裝車站控制塔樓暫時沒有接入公司信息網，所以將服務器暫時放在裝車塔樓內，且服務器配置一個與控制PLC 通訊、采集信息用的控制網卡；

（3）因錦界裝車站信息是從錦界礦網關轉接入公司信息網，在錦界礦網關通訊量已飽和的情況下，無法再增加額外的通訊量，所以需要給網關添加新通訊模塊1756-CNBR；

（4）軟件考慮到存儲文件的易轉移、易公開、易使用性以及低成本性，本方案使用Microsoft Office Excle作為數據存儲報表的最終載體，編程使用Microsoft Visual Basic，與PLC 通訊軟件，配置了一套Rockwell RSLinx軟件；

（5）關于每節車皮裝載量記錄功能，在正常裝車時可以通過定量倉稱重傳感器準確記錄貨量，但是如果在裝車過程中有補煤、掐煤操作，出現緩沖倉和定量倉同時放煤的情況，會導致該節車皮裝車貨量記錄出現較大的誤差，所以報表應支持數據修改功能，允許裝車員對因補煤、掐煤操作造成數據偏差的記錄進行修改；

（6）與列車車號掃描系統互聯，實現信息上傳至裝車監控畫面；

（7）列車車號識別系統由武漢利德公司實施。利德公司提供的自動化接口是在每列列車車皮信息采集之后，以Windows文本文件形式存入華光公司數據報表服務器內的硬盤共享區內，每列車生成一個新文件，每個文件內每節車皮信息占用一條記錄，各車皮信息準確、無誤、無重復地與現實車皮相對應。華光公司在利德公司車皮信息文本文件形成之后，將該文件讀入，并與華光記錄的自動化合并；

（8）每列車信息若出現一列車分截成若干段情況，利德公司將每段車皮按一列車信息進行存儲，華光公司裝車數據記錄系統按操作員設定的每段列車車皮數量，將每段車分為單獨列車，一一處理；

（9）因采集的定量倉載重量由稱重二次儀表以模擬量方式給出，由于4～20mA 模擬量傳輸方式所表示的稱重倉重量與稱重儀表顯示的數量有誤差。要將裝車車皮載重精確記錄下來，則自動化系統需要靠通訊方式將稱重二次儀表稱重值讀取出來。本方案在PLC 機架與稱重二次儀表增加RemoteIO 通訊板卡，實現稱重數據的傳遞。

5 結論

車號識別系統和數據記錄系統在神東錦界裝車站的成功應用，很好地解決了煤炭供需雙方和鐵路運輸方在商務結算和安全運輸方面存在的分歧和矛盾，進一步提高了快速裝車和鐵路運輸的信息化、自動化水平，為神華集團數字礦山和數字鐵路的建設作出重要貢獻，值得在全行業進行推廣。

［1］ 高強，馬丁.西門子PLC （200／300／400）應用程序設計實例精講 ［M］.北京：電子工業出版社，2009

［2］ 丁恩杰，馬方清.監控系統與現場總線 ［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2003