一磅式無(wú)人計(jì)量裝車(chē)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

高越

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng) 煤炭運(yùn)銷(xiāo) 智能管控 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0014-04

隨著鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦產(chǎn)能及洗選能力的加大，煤炭與矸石的運(yùn)銷(xiāo)能力也隨之加大，結(jié)合廠(chǎng)區(qū)現(xiàn)階段要求，同時(shí)為滿(mǎn)足廠(chǎng)區(qū)運(yùn)銷(xiāo)正常運(yùn)行與日常運(yùn)銷(xiāo)管理需要，需對(duì)原有煤炭、矸石運(yùn)銷(xiāo)進(jìn)行智能化升級(jí)改造。通過(guò)建立一磅式無(wú)人計(jì)量裝車(chē)系統(tǒng)，在保證煤礦裝車(chē)系統(tǒng)安全的前提下，提高車(chē)輛裝運(yùn)效率的同時(shí)［1］，人員統(tǒng)一集中控制監(jiān)管，降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的智能控制計(jì)量裝車(chē)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化、智能化建設(shè)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)煤炭、矸石運(yùn)銷(xiāo)管控進(jìn)行全面的智能化處理，結(jié)合成熟的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)、人工智能等先進(jìn)信息技術(shù)，針對(duì)運(yùn)煤運(yùn)矸車(chē)輛計(jì)量、裝載、運(yùn)銷(xiāo)系統(tǒng)管理模式所存在的各類(lèi)問(wèn)題，全面處理和解決了煤炭企業(yè)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1 物聯(lián)網(wǎng)主要技術(shù)

針對(duì)裝車(chē)運(yùn)銷(xiāo)流程來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將所有的操作信息通過(guò)RFID（Radio Frequency Identification）等相對(duì)應(yīng)的信息傳感設(shè)備進(jìn)行全面連接，更進(jìn)一步實(shí)行信息交換，從而實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備識(shí)別與對(duì)應(yīng)的定位跟蹤等功能，并在數(shù)據(jù)收集基礎(chǔ)上進(jìn)行監(jiān)控和管理。

本系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)裝車(chē)關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的對(duì)接驗(yàn)證，對(duì)司機(jī)的有效提示、指揮，各類(lèi)傳感器采集車(chē)輛定位、車(chē)輛載重、物料堆載狀態(tài)等。煤炭、矸石裝車(chē)前需對(duì)裝車(chē)業(yè)務(wù)相關(guān)信息進(jìn)行有效驗(yàn)證，如訂單、物料種類(lèi)、車(chē)號(hào)等，輔助控制整個(gè)裝車(chē)過(guò)程，使整體業(yè)務(wù)可控。系統(tǒng)可通過(guò)中間件程序與已有發(fā)運(yùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)對(duì)接，獲取當(dāng)前車(chē)輛、預(yù)裝量、訂單等信息，從而實(shí)現(xiàn)完整的裝車(chē)控制功能；同時(shí)系統(tǒng)也通過(guò)中間件程序直接對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如刷卡終端、車(chē)輛識(shí)別攝像機(jī)，在裝車(chē)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理，避免錯(cuò)裝或作弊行為；而場(chǎng)內(nèi)倉(cāng)下磅接入儀表數(shù)據(jù)，聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)倉(cāng)下一磅裝車(chē)稱(chēng)重管理。此外，現(xiàn)場(chǎng)配備完善的信息提示設(shè)備，如語(yǔ)音提示設(shè)備、室外全彩LED 顯示屏等，語(yǔ)音設(shè)備提示司機(jī)下一步動(dòng)作，屏幕顯示當(dāng)前裝車(chē)狀態(tài)，提高司機(jī)配合裝車(chē)效率。在物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建下的煤炭、矸石裝車(chē)運(yùn)銷(xiāo)智能管理系統(tǒng)中主要涉及以下幾項(xiàng)技術(shù)。

1.1 M2M 技術(shù)

M2M（Machine-To-Machine）技術(shù)主要是通過(guò)當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞機(jī)制，對(duì)機(jī)器到機(jī)器、機(jī)器到人之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的交換和處理，通過(guò)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)傳輸機(jī)制更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、不同機(jī)器之間的相關(guān)數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)傳輸互通。當(dāng)平臺(tái)接收信息后，就可以對(duì)相應(yīng)的車(chē)輛下達(dá)相關(guān)的指令進(jìn)行處理［2］。

1.2 RFID 技術(shù)

RFID 技術(shù)是一種通過(guò)非接觸式方式進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)全面識(shí)別的技術(shù)。這種技術(shù)可以通過(guò)相應(yīng)的射頻信號(hào)對(duì)當(dāng)前的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行全面的自動(dòng)識(shí)別，并且可以更進(jìn)一步獲取開(kāi)放道閘所需的數(shù)據(jù)，使自身運(yùn)轉(zhuǎn)全自動(dòng)化處理，無(wú)須人工干預(yù)。

1.3 GPS（Global Positioning System）技術(shù)

GPS 技術(shù)可對(duì)當(dāng)前的設(shè)備定位進(jìn)行準(zhǔn)確的處理，高效、快速、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線(xiàn)、面要素構(gòu)建下的精確三維坐標(biāo)，并把當(dāng)前設(shè)備的其他相關(guān)信息進(jìn)行高效傳輸。為提升運(yùn)轉(zhuǎn)效率打下更加良好的基礎(chǔ)［3］。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建下的一磅式無(wú)人計(jì)量裝車(chē)系統(tǒng)主要是由安裝在運(yùn)輸車(chē)輛上的無(wú)線(xiàn)終端及相對(duì)應(yīng)的運(yùn)銷(xiāo)管理平臺(tái)、計(jì)量管理平臺(tái)和自動(dòng)裝車(chē)平臺(tái)這4 個(gè)部分組成，這4 個(gè)部分之間的聯(lián)系及工作原理如圖1 所示。

在這4 個(gè)部分當(dāng)中，運(yùn)銷(xiāo)管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心。這個(gè)平臺(tái)可以對(duì)當(dāng)前車(chē)輛自身的運(yùn)銷(xiāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的接收、儲(chǔ)存、分析和發(fā)布，同時(shí)對(duì)于各類(lèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的軌跡定位和回收、各類(lèi)操作信息的下發(fā)以及對(duì)應(yīng)車(chē)輛調(diào)度等任務(wù)進(jìn)行全面的掌控和處理。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)本身都具有相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口，可以讓使用這套設(shè)備的客戶(hù)與操作人員對(duì)當(dāng)前車(chē)輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行全面的掌控和命令。

無(wú)線(xiàn)通信終端則是安裝在車(chē)輛上的核心通信定位系統(tǒng)。這套設(shè)備主要包括GPS 模塊、RFID 電子模塊以及GPRS 模塊。它們的功用分別是：（1）對(duì)車(chē)輛自身的定位進(jìn)行處理；（2）保存車(chē)輛的唯一識(shí)別號(hào)；（3）通過(guò)相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備為裝車(chē)計(jì)量點(diǎn)提供針對(duì)性的遠(yuǎn)距離識(shí)別驗(yàn)證服務(wù)；（4）連接對(duì)應(yīng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)交換。

計(jì)量管理平臺(tái)主要由遠(yuǎn)距離的讀卡器、智能閘道控制器以及稱(chēng)重系統(tǒng)組成。當(dāng)運(yùn)煤車(chē)輛駛?cè)敕Q(chēng)重系統(tǒng)，也就是地磅中時(shí)，系統(tǒng)就可以對(duì)當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)終端內(nèi)部的電子標(biāo)簽進(jìn)行全面讀取，并從總數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中調(diào)取相應(yīng)的信息進(jìn)行比對(duì)。符合比對(duì)信息、校驗(yàn)成功的車(chē)輛控制相對(duì)應(yīng)的智能閘道控制器進(jìn)行全面的放行，反之則自動(dòng)報(bào)警。道閘放行后，車(chē)輛入倉(cāng)下磅，通過(guò)稱(chēng)重傳感器與算法服務(wù)器實(shí)現(xiàn)一磅式空磅計(jì)量及重磅計(jì)量。

裝車(chē)管理平臺(tái)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集車(chē)輛位置，車(chē)廂高度，空車(chē)、重車(chē)載重，物料堆載狀態(tài)等信息［4］。運(yùn)用人工智能技術(shù)分析判斷車(chē)斗內(nèi)物料裝載情況?，F(xiàn)場(chǎng)配置超聲波雷達(dá)、點(diǎn)云雷達(dá)、載重傳感器等硬件設(shè)備，感知信息傳輸至算法服務(wù)器，后臺(tái)裝車(chē)邏輯算法以雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，識(shí)別關(guān)鍵控制問(wèn)題，輔助PLC 控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)裝車(chē)控制。

3 車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信終端構(gòu)成及功能

車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信終端主要由若干個(gè)模塊組成，如MCU（Microcontroller Unit）模塊、GPS 模塊、GPRS 模塊和RFID 模塊等。

MCU 模塊輔助車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端迅速地完成當(dāng)前位置的數(shù)據(jù)解析和封裝，對(duì)于關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)度上傳處理，是當(dāng)前整個(gè)車(chē)載無(wú)線(xiàn)終端的控制中心，也是車(chē)載終端的核心。

GPS 模塊在進(jìn)行信息獲取的情況下可對(duì)常用的各類(lèi)協(xié)議數(shù)據(jù)格式進(jìn)行全面輸出，判斷當(dāng)前運(yùn)煤車(chē)輛自身的實(shí)時(shí)位置，反饋給控制臺(tái)。

GPRS 模塊基于分組模式進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)處理，同時(shí)本身也具有標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令集，可以通過(guò)運(yùn)行窗口對(duì)當(dāng)前的MCU 進(jìn)行全面的連接，保持和當(dāng)前監(jiān)控中心自身的通信處理。

RFID 電子標(biāo)簽?zāi)K可在相對(duì)應(yīng)的頻段進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也具有相對(duì)應(yīng)的自動(dòng)應(yīng)答與自動(dòng)重發(fā)功能，可以與當(dāng)前的煤礦計(jì)量裝車(chē)系統(tǒng)的RFID 遠(yuǎn)距離讀卡器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和通信，能夠保證當(dāng)前運(yùn)輸車(chē)輛自身的電子標(biāo)簽ID 信息被迅速識(shí)別與放行。

4 計(jì)量管理平臺(tái)構(gòu)成與功能

對(duì)于整套系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，計(jì)量管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心樞紐，也是信息交換的中樞所在。這個(gè)平臺(tái)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)都進(jìn)行存儲(chǔ)和管理，包括數(shù)據(jù)集成、存儲(chǔ)以及發(fā)布3 個(gè)關(guān)鍵模塊。

計(jì)量管理系統(tǒng)平臺(tái)需要通過(guò)接口接入其他業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)的信息，如ERP 或物料發(fā)運(yùn)管理平臺(tái)等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)煤、運(yùn)矸業(yè)務(wù)的邏輯判斷。車(chē)輛進(jìn)場(chǎng)與裝車(chē)前，對(duì)裝車(chē)業(yè)務(wù)相關(guān)信息進(jìn)行有效驗(yàn)證，如訂單、物料種類(lèi)、車(chē)牌號(hào)［3］、載重等，用以輔助裝車(chē)計(jì)量控制過(guò)程。

在現(xiàn)場(chǎng)部署方面，現(xiàn)場(chǎng)筒倉(cāng)下加裝定制化地上衡，倉(cāng)下地上衡配置柱式傳感器，將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出，數(shù)據(jù)傳至智能小站算法服務(wù)器進(jìn)行分析處理，按預(yù)裝量進(jìn)行定量裝車(chē)，聯(lián)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)倉(cāng)下一磅式空、重計(jì)量管理。

5 裝車(chē)管理平臺(tái)構(gòu)成及功能

在遠(yuǎn)程集中裝車(chē)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)加入人工智能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)可代替人工操作的智能定量裝車(chē)?，F(xiàn)場(chǎng)部署以PLC 控制器為核心的控制終端，直接接入或通過(guò)現(xiàn)有系統(tǒng)改造實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集，如配電柜、液壓站、閘板、料位計(jì)、倉(cāng)下放料設(shè)備等，以成熟的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程設(shè)備控制、設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制等功能。現(xiàn)場(chǎng)部署以組態(tài)軟件為核心的上位機(jī)控制終端，作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制與展示中心。以AI 技術(shù)為支撐，準(zhǔn)確獲取車(chē)輛狀態(tài)與實(shí)時(shí)裝貨狀態(tài)，通過(guò)算法服務(wù)器數(shù)據(jù)分析，代替人工實(shí)現(xiàn)裝車(chē)過(guò)程中相關(guān)設(shè)備的全自動(dòng)控制［4-5］。

自動(dòng)裝車(chē)控制功能主要包括車(chē)輛定位、車(chē)型識(shí)別、車(chē)輛糾偏、自動(dòng)移車(chē)提醒、溢料檢測(cè)等，同時(shí)系統(tǒng)還可支持就地控制與遠(yuǎn)程控制功能。所有控制與數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中展現(xiàn)。車(chē)輛定位方面，應(yīng)用激光雷達(dá)建模，自動(dòng)裝車(chē)檢測(cè)算法可實(shí)時(shí)定位車(chē)輛位置。車(chē)型識(shí)別方面，系統(tǒng)通過(guò)算法檢測(cè)車(chē)體平面，區(qū)分車(chē)頭車(chē)身，自動(dòng)識(shí)別高欄板車(chē)、低欄板車(chē)、雙節(jié)車(chē)等。車(chē)輛糾偏方面，系統(tǒng)通過(guò)學(xué)習(xí)，分析裝車(chē)過(guò)程中不同車(chē)型的裝車(chē)情況，記錄每種車(chē)型的最佳裝車(chē)位置，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入倉(cāng)下過(guò)程中，通過(guò)語(yǔ)音實(shí)時(shí)提示司機(jī)調(diào)整車(chē)輛位置，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行糾偏，從而減少調(diào)車(chē)時(shí)間，提高效率。在自動(dòng)移車(chē)提醒方面，系統(tǒng)結(jié)合裝車(chē)料位高度及車(chē)輛位置綜合分析，通過(guò)語(yǔ)音、現(xiàn)場(chǎng)提示屏幕信息、指示燈等方式與司機(jī)交互，提示司機(jī)移車(chē)或停車(chē)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)提示司機(jī)調(diào)整車(chē)輛進(jìn)行配合操作。溢料檢測(cè)方面，裝車(chē)過(guò)程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)車(chē)廂邊緣與車(chē)尾物料狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)料位或檢測(cè)到司機(jī)異常行駛時(shí)，及時(shí)控制設(shè)備停止運(yùn)行，并語(yǔ)音對(duì)司機(jī)進(jìn)行相應(yīng)提示，防止溢料情況發(fā)生。裝車(chē)實(shí)時(shí)畫(huà)面與系統(tǒng)平臺(tái)展示見(jiàn)圖2。

6 運(yùn)銷(xiāo)管理平臺(tái)構(gòu)成及功能

運(yùn)銷(xiāo)管理平臺(tái)集成合同訂單、二維碼計(jì)劃派車(chē)、車(chē)輛現(xiàn)場(chǎng)發(fā)運(yùn)、智能停車(chē)場(chǎng)、智能門(mén)禁、集中監(jiān)控、結(jié)算統(tǒng)計(jì)、手機(jī)App 智能等功能。從客戶(hù)的管理、合同的簽訂、客戶(hù)價(jià)格的控制等基礎(chǔ)性的功能，到煤炭計(jì)劃、發(fā)運(yùn)、結(jié)算等核心業(yè)務(wù)功能，到統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)據(jù)管理，對(duì)煤炭運(yùn)銷(xiāo)業(yè)務(wù)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面、嚴(yán)格的現(xiàn)代信息化管控，最大限度地降低人工操作所帶來(lái)的弊端和工作強(qiáng)度，提高領(lǐng)導(dǎo)決策能力，加快煤炭發(fā)運(yùn)速度，便于調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃和銷(xiāo)售策略，搶抓市場(chǎng)機(jī)遇［6］。

為了維護(hù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到相應(yīng)的SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)被設(shè)置為雙機(jī)熱備份與災(zāi)備恢復(fù)模式。管理人員可進(jìn)行主機(jī)和備用機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)同步，如果出現(xiàn)各類(lèi)異常情況就可以進(jìn)行切換，盡最大可能保證當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)部的持續(xù)運(yùn)行與自身數(shù)據(jù)構(gòu)建下的完整性和連續(xù)性，使數(shù)據(jù)丟失能降到最低。而災(zāi)備恢復(fù)則采用了相應(yīng)的虛擬技術(shù)，把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同存儲(chǔ)設(shè)備的分散保存。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)各類(lèi)問(wèn)題時(shí)，就可以利用數(shù)據(jù)快照技術(shù)和緩存技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的恢復(fù)處理。

系統(tǒng)整體采用B/S 模式，支持IE、Chrome、Firefox、360 等主流瀏覽器。系統(tǒng)在成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)構(gòu)建先進(jìn)的體系架構(gòu)，使系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下實(shí)現(xiàn)性能的飛躍。系統(tǒng)建設(shè)平臺(tái)基于JavaEE，集成JMS、CXF、JPA 等多個(gè)中間件，能夠有效支撐起整個(gè)系統(tǒng)的軟件環(huán)節(jié)。

7 實(shí)踐應(yīng)用效果

一磅式無(wú)人計(jì)量裝車(chē)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，為大唐集團(tuán)龍王溝煤礦優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能釋放奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)投用后，在減人增效方面，系統(tǒng)升級(jí)改造后倉(cāng)下實(shí)現(xiàn)了無(wú)人計(jì)量放料，每班減少了計(jì)量，而裝車(chē)集控崗位只用4 個(gè)人，提高了計(jì)量與裝運(yùn)效率，也做到減人提效。在防范風(fēng)險(xiǎn)方面，通過(guò)一卡通與多種防作弊手段，防止司機(jī)與相關(guān)工作人員串通作弊等風(fēng)險(xiǎn)。在保障安全方面，取消現(xiàn)場(chǎng)放煤、放矸人員，降低現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平。在工作環(huán)境改善方面，工作人員脫離了環(huán)境較差的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，改為調(diào)度室遠(yuǎn)程集中管控，降低工作勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作幸福指數(shù)。在經(jīng)濟(jì)效益方面，每班減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員4 個(gè)人，一天可減少作業(yè)人員12 個(gè)人，每年節(jié)省人工成本約120 萬(wàn)元，提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)語(yǔ)

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一磅式無(wú)人計(jì)量裝車(chē)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)、各分部系統(tǒng)的功能及實(shí)踐應(yīng)用成效。系統(tǒng)通過(guò)提高經(jīng)濟(jì)效益、工作效率以及安全管理水平，節(jié)約勞動(dòng)力資源，可為同行業(yè)或者類(lèi)似行業(yè)帶來(lái)一定的思路和借鑒。