武 徽

(天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

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★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)研究

武 徽

(天地科技股份有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

針對工業(yè)4.0模式下煤炭產(chǎn)品公路運輸需要通用且唯一的信息化標簽的問題，提出了基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)，介紹了該系統(tǒng)的架構設計和系統(tǒng)設計，詳細闡述了車牌識別技術與裝車站的融合、基于車牌識別技術的裝車自控原理以及車牌識別技術在煤炭裝車中的使用與優(yōu)化。實際應用表明，基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)實現(xiàn)了汽車裝車過程的自動化和信息化控制，降低了汽車裝運過程的裝車成本，提高了用戶的利潤空間。

煤炭裝車 車牌識別 汽車運輸 自動化系統(tǒng)

1 煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)架構設計

工業(yè)4.0模式下強調(diào)信息化與工業(yè)化的高度融合，煤礦汽車快速定量裝車站不再是單一完成生產(chǎn)任務的執(zhí)行機構，它需要與企業(yè)的運營層和工廠管理層緊密結合起來。產(chǎn)品的銷售、分銷甚至是運輸管理都由企業(yè)運營層完成后，將銷售信息交由工廠管理層進行處理，并形成裝車生產(chǎn)任務下發(fā)至快速定量裝車站。實際裝車信息再經(jīng)由工廠管理層進行匯總統(tǒng)計上交到企業(yè)運營層，成為合同結算憑據(jù)。煤礦快速定量裝車系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀寫框架如圖1所示。

由圖1可以看出，企業(yè)運營層不僅要進行銷售管理，同時也要進行運輸管理，并要把合同所涉及的包括銷售量、銷售時間、車牌、車輛標載和銷售煤種等裝車信息下發(fā)至工廠管理層。工廠管理層接收到信息后，根據(jù)信息的銷售煤種、總銷售量以及銷售時間對煤礦汽車快速定量裝車站下派生產(chǎn)任務。裝車站開始準備，待裝車輛開至后可立即開始裝車。待裝車輛通過信息化管理無需再經(jīng)過發(fā)卡或者票據(jù)的過程，直接開至指定裝車站點。裝車站裝車需要根據(jù)車輛信息進行配料和卸料。當待裝車輛開至裝車站前經(jīng)過地感線圈時，觸發(fā)車號識別且攝像頭進行拍照，系統(tǒng)對拍照結果進行分析，提取車輛號牌。掃描成功后可通過一側的LED屏看到本車相關信息確認數(shù)據(jù)。車輛號牌信息與工廠管理層中的數(shù)據(jù)進行比對，找到相關裝車信息，提取并發(fā)送至裝車站PLC中，為裝車過程提供數(shù)據(jù)支撐，完成裝車過程。在前一輛車定量倉關閉并開始平煤的過程中，就開始為后一輛車開啟配料過程，將單次裝車的時間減少至最少。這樣的過程循環(huán)重復，形成連續(xù)裝車過程?；谲嚺谱R別技術的煤礦汽車快速定量裝車過程示意圖如圖2所示。

在裝車數(shù)據(jù)層面上，裝車前的數(shù)據(jù)由企業(yè)運營層通過工廠管理層下發(fā)形成，并通過車牌識別技術提取并交由裝車系統(tǒng)。裝車站完成裝車過程后，形成裝車數(shù)據(jù)，并將裝車信息反饋至工廠管理層進行裝車生產(chǎn)的信息統(tǒng)計匯總。在其他裝車節(jié)點，例如車輛離場時，也可使用車牌識別技術確認車輛所在的場區(qū)位置，并提取數(shù)據(jù)庫中車輛對應的裝車信息使用查驗。裝車信息提取與儲存過程示意圖如圖3所示。

2 煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)設計

快速定量裝車的目的是將物料在保證精度的前提下按照裝車需求量以最快的速度稱量并投放至車廂。在自動化模式下裝車效率大大提升的同時，煤礦快速定量裝車系統(tǒng)對自身內(nèi)部的結構進行了重新定義，除去結構主體外主要包括三大部分，分別為信息管理層、智能控制層和設備執(zhí)行層，煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)設計如圖4所示。

2.1 信息管理層

信息管理層主要由車牌識別系統(tǒng)、裝車數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及相應的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡構成，主要完成車輛智能調(diào)度、車輛信息采集、車輛定位以及裝車數(shù)據(jù)信息管理等內(nèi)容。由于裝車站前等待裝車的車輛較多，所屬客戶和物流公司不盡相同，所裝物料品種也存在差異，因此需要對車輛信息和車輛車牌進行采集和識別，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比對，從而實現(xiàn)車輛的定位和車輛的管理調(diào)度工作，同時把必要的信息下發(fā)至智能控制層。

2.2 智能控制層

智能控制層主要包含PLC可編程序控制器為核心的電控系統(tǒng)、稱重系統(tǒng)以及配套的軟件系統(tǒng)等。隨著技術的不斷發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)得到廣泛使用，稱重系統(tǒng)通過裝車站內(nèi)部的工業(yè)以太網(wǎng)與PLC系統(tǒng)相連，為PLC系統(tǒng)控制設備提供依據(jù)。 PLC系統(tǒng)按工藝需求進行邏輯設備的控制，并將需要采集記錄的數(shù)據(jù)上交至工控機中的控制軟件系統(tǒng), 控制軟件系統(tǒng)可形成HMI界面用以監(jiān)視和控制設備，同時控制軟件還與信息管理層中的數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行信息交互。

圖4 煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)設計

2.3 設備執(zhí)行層

設備執(zhí)行層包含液壓設備、配料和卸料設備以及配套輔助設備等一系列需要在生產(chǎn)中完成動作和工藝流程的裝置，其主要由智能控制層通過控制電機啟停和電磁閥動作實現(xiàn)目標。煤礦汽車裝車系統(tǒng)以液動控制為主，液壓站一般采用雙泵雙電機,設有熱油循環(huán)管路和液壓油冷卻管路,液壓系統(tǒng)實現(xiàn)全天候運行，主要作為以驅(qū)動配料閘門卸料閘門的動作，標定砝碼的提升和平煤設備的動力；配料和卸料設備主要由緩沖倉及其配料閘門、定量倉及其卸料閘門以及平料裝置組成；配套輔助設備包括三級采樣設備、抑塵除塵設備以及自動潤滑設備等。

2.4 裝車工藝流程

待裝汽車到達裝車站后，車牌識別系統(tǒng)確認車輛位置并調(diào)取車輛信息，智能控制層從信息管理層獲取信息后開始驅(qū)動設備執(zhí)行層。首先緩沖倉下多個平板配料閘門開啟，物料被配放至定量倉中。定量倉是由四周的稱重傳感器進行支撐，當物料進入定量倉后稱重系統(tǒng)實時稱量。當接近預定重量時，緩沖倉下的配料閘門逐個關閉，待定量倉內(nèi)物料穩(wěn)定后實施靜態(tài)精確稱重。車輛到達裝車站正下方并對位，定量倉下的裝車閘門開啟，物料通過定量倉下的溜槽將物料裝入車廂，均勻分布在車廂內(nèi)。裝車完成后，關閉定量倉閘門。智能控制層獲得裝車數(shù)據(jù)后再交回信息管理層。接著系統(tǒng)讀取后一輛車信息，緩沖倉下平板閘門打開為下一輛車配料。配料、稱重、計量循環(huán)作業(yè)，形成連續(xù)裝車過程。配備平煤器的快速定量裝車系統(tǒng)示意圖如圖5所示。

圖5 配備平煤器的快速定量裝車系統(tǒng)示意圖

3 車牌識別技術與裝車站的融合

如前文所述，車牌識別技術作為裝車站信息管理層與智能控制層銜接的承上啟下部分，需要與裝車系統(tǒng)實現(xiàn)無縫融合。

3.1 車牌識別攝像頭的選型

車牌識別攝像頭是整個設備識別系統(tǒng)的核心組成部分，必須針對汽車裝車的特點對攝像頭進行選取。車牌識別攝像頭跟組裝車特點應具備以下特征：

(1)采用百萬像素高清識別技術，圖片清晰可以提升車牌識別率，視野寬廣，可控車道寬度大，車輛駛入的可接受性角度大。

(2)配備自適應補光燈，對拍照亮度自適應，可對車牌區(qū)域進行焦點連動的自動曝光，獲得最佳曝光效果。

(3)受裝車環(huán)境制約，車牌表面和攝像軸線無法做到垂直，車牌發(fā)生畸變會對識別造成影響。因此，攝像頭最大傾斜角度應達到25°，安全角度達到15°，能夠有效利用畸變校準算法、神經(jīng)網(wǎng)絡或特征識別對上述問題進行修正。

(4)需具備視頻監(jiān)控及車牌識別同時在線功能，同時實現(xiàn)裝車過程的監(jiān)視工作。

(5)防護等級達到IP66以上，攝像頭鏡頭具有加厚防砸玻璃，防止濺落煤塊砸壞。

(6)設備全網(wǎng)絡化，采用TCP/IP網(wǎng)絡方式信息傳輸，與裝車站網(wǎng)絡兼容。

3.2 車牌識別設備的安裝與調(diào)試

車牌識別攝像頭應安裝在車輛進入裝車站前道路一側，攝像頭固定高度應在1.6 m左右,通過雙絞線進入裝車站工業(yè)以太網(wǎng)通訊網(wǎng)絡。在進入裝車站道路上距離攝像頭離開裝車站方向3.5 m處設置地感線圈，地感線圈與道路平行方向長1 m，與道路垂直方向?qū)? m，地感線圈周圍1 m范圍內(nèi)不能有超過220 V的供電線路。地感線圈與攝像頭觸發(fā)端子連接，作為觸發(fā)拍攝的依據(jù)，安裝完畢后需對攝像頭角度和清晰度進行調(diào)整。攝像頭顯示應清晰穩(wěn)定，車牌顯示應在攝像頭的中心部分，車牌識別設備安裝俯視圖如圖6所示。

圖6 車牌識別設備安裝俯視圖

3.3 車牌識別系統(tǒng)與裝車PLC系統(tǒng)的交互

在礦區(qū)使用車牌識別系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)多個車牌識別攝像頭和多個快速定量裝車點的情況，全場區(qū)車牌識別設備以TCP/IP協(xié)議的形式接入工業(yè)以太網(wǎng)，所有車牌識別攝像頭建立統(tǒng)一的服務器，服務器再通過IP地址映射保證車牌識別攝像頭和裝車節(jié)點一致。車牌識別系統(tǒng)與裝車系統(tǒng)拓撲結構圖如圖7所示。

圖7 車牌識別系統(tǒng)與裝車系統(tǒng)拓撲結構圖

具體的聯(lián)動機制為：車牌識別攝像頭在對車牌進行拍照后將識別結果上傳至車牌識別系統(tǒng)；車牌識別系統(tǒng)根據(jù)攝像頭的IP信息確認需要裝車的站點位置，并將識別的信息與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行比對，提取出所需車輛的信息；車牌識別系統(tǒng)將標載至通過DDE或OPC服務器下發(fā)至裝車站PLC，待PLC握手反饋數(shù)據(jù)已獲取后，再下發(fā)啟動脈沖至PLC系統(tǒng)； PLC系統(tǒng)開始控制液壓系統(tǒng)進行配料、放料和平料，完成裝車過程，并通過DDE服務器發(fā)送完成信號至車牌識別系統(tǒng)；車牌識別系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)送的完成信號，開始讀取實際裝車值，并與之前提取的車輛信息進行融合計算，將真實裝車信息回饋至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)；裝車HMI界面可通過OPC和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)監(jiān)視裝車過程以及數(shù)據(jù)變化情況。車牌識別系統(tǒng)與裝車系統(tǒng)的聯(lián)動框架如圖8所示。

圖8 車牌識別系統(tǒng)與裝車系統(tǒng)的聯(lián)動框架

4 車牌識別技術在煤炭裝車中的使用與優(yōu)化

基于車牌識別技術的裝車站將整個裝車流程完全集中在了裝車站生產(chǎn)過程中，減少了發(fā)(收)卡(票)的過程，壓縮了整個裝車流程的時間，單節(jié)裝車耗時在75 s左右，但是因為在上一節(jié)車完成卸料后平煤的過程中，下一節(jié)車即可開始車牌掃描和配料過程，因此花費時間有所疊加。連續(xù)裝車情況下，綜合單節(jié)花費時間在50 s以內(nèi)，裝車效率大大提高。裝車時間時序圖如圖9所示。

由于煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)對車牌識別技術依存度較高，因此對車牌識別的準確率和可靠性具有較高的要求。根據(jù)現(xiàn)場的實際裝車結果，對車牌識別技術進行了優(yōu)化和策略上的補充。以92式車牌為例，由于煤炭裝車車輛皆為重載運輸車輛，車牌安裝位置比轎車高，識別攝像頭拍照角度應適當調(diào)整；裝車車輛應在裝車站前等候，待前一輛車完成裝車后再駛入裝車站，避免信息的交叉誤讀，同時等待期間可對未識別或識別錯誤的車牌進行重復識別；裝車車輛的管理因為已經(jīng)錄入企業(yè)運營層的系統(tǒng)，可以在一個可控的范圍內(nèi)對車輛的信息展開搜索，降低檢索出現(xiàn)錯誤的概率；根據(jù)現(xiàn)場實際統(tǒng)計，裝載車輛的范圍限制在固定的幾個省份，識別和搜索范圍可進一步縮小，降低識別錯誤的可能性；一般的車牌識別需要對多種背景顏色車牌進行分辨，裝車站的車牌只需加強對黃底黑字的92式車牌進行辨別；現(xiàn)有92式車牌最左端為省(自治區(qū))的縮寫漢字，是識別的高誤區(qū)，可將不涉及省份的漢字屏蔽，減小混淆的可能性；因為裝車站建筑本身可以有效遮擋陽光，裝車過程中出現(xiàn)由于太陽強光造成車牌反射無法準確識別的可能性較小，但是夜間裝載車輛車燈的強光和裝車站照明易影響視頻攝像頭的識別，因此夜間使用時車輛須關閉大燈，并在裝車站合理調(diào)整照明燈光的角度。

圖9 裝車時間時序圖

為了不影響裝車流程，對裝車過程最低限度可能出現(xiàn)的無法準確識別車牌的情況做了策略性的解決流程，正常車號識別正確后，即可開始裝車，如果無法識別，可在數(shù)據(jù)庫中尋找最近似車牌作為備選，并交由裝車員進行判斷選擇后進行裝車。若無備選車牌，由于選取的攝像頭可同時進行視頻監(jiān)視，裝車員可觀察視頻直接從數(shù)據(jù)庫中選取車牌并實施裝車。車牌識別策略流程圖如圖10所示。

圖10 車牌識別策略流程圖

5 基于車牌識別技術的裝車自控原理

車牌識別系統(tǒng)為煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)提供了自動化的數(shù)據(jù)支撐，是裝車流程自動化過程的前提，裝車過程最重要的兩個環(huán)節(jié)是配料過程和卸料平煤。本系統(tǒng)利用車牌識別系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，首先利用閉環(huán)配料自控系統(tǒng)實現(xiàn)從緩沖倉到定量倉的配料重量精確度的控制，其次利用機械化裝置實現(xiàn)卸料平煤的高效準確，從而實現(xiàn)整個裝車過程的高質(zhì)高效和準確快捷?；谲嚺谱R別技術的煤礦汽車快速定量裝車控制過程如圖11所示。

圖11 基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車控制過程

5.1 閉環(huán)配料自控系統(tǒng)

煤料的稱量過程就是從緩沖倉向定量倉中連續(xù)給料的過程，車牌識別系統(tǒng)提供稱量目標數(shù)據(jù)后，配料時利用控制多組配料閘門關閉的時機實現(xiàn)對定量倉中煤料重量的控制。為了提高生產(chǎn)效率和稱量精度，配料分為先粗配后精配這兩步，粗配過程煤料出倉流量大，精配過程煤料出倉流量小。粗配負責絕大部分煤料重量的填充，精配負責煤料最后重量精度的控制。在配料稱重時，如果實際稱量值與目標值偏差超過允許范圍，則需要修正閘門關閉參數(shù)，保證之后配料的準確度，形成閉環(huán)控制的配料過程。配料過程閉環(huán)控制框架如圖12所示。

圖12 配料過程閉環(huán)控制框架

5.2 機械化自動卸料平煤裝置

卸料之后須經(jīng)歷煤堆平車過程，因此特殊設計了一種底部輸料的刮板輸送平煤器，平煤器安裝在定量倉卸料口下，可通過絞車控制垂直高度。車輛通過車牌識別確認身份，系統(tǒng)允許卸料。車輛進入裝車點定位后不再移動。根據(jù)車牌識別系統(tǒng)提供的車輛特征信息和現(xiàn)場的傳感器檢測，平煤器下移至指定位置，在避免撞擊車廂的同時保證煤料不外溢。稱量好的煤直接放入車廂內(nèi)形成堆積狀，平煤器刮板馬達開啟，底鏈刮板可雙向移動，通過平推力將堆積的煤堆推至車廂空處，直到汽車車廂中高于平煤器的煤堆全部平完。煤料在刮板的機械動作下堆積平整并壓實，實現(xiàn)一次性完成投放。

6 結語

基于車牌識別技術的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)將裝車信息所需的標簽同裝載車輛統(tǒng)一起來，實現(xiàn)煤炭外運產(chǎn)品的標簽化。在內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭圖嘎露天煤礦的實際應用過程中，在系統(tǒng)的車牌識別技術不局限在裝車站，還被使用在了各個需要利用車牌作為標簽查詢生產(chǎn)信息的進場、出場的門崗、磅房等環(huán)節(jié)，整個場區(qū)的自動化生產(chǎn)實現(xiàn)高速統(tǒng)一?；谲嚺谱R別技術的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)投入應用以來，各項指標達到設計要求，單系統(tǒng)裝車能力超過 2000 t/h，靜態(tài)稱量準確度達0.1%，完整單車裝車流程時間小于300 s(包含進場、出場查驗，裝車耗時和信息核對等)。在整個裝車流程過程中，該系統(tǒng)還可以根據(jù)汽車信息調(diào)配車輛到匹配的裝車點完成裝車，并在整個過程中實現(xiàn)車輛裝車點選擇不出差錯，同時保證各裝車點數(shù)據(jù)的獨立和安全，而且各裝車點數(shù)據(jù)融合至企業(yè)運營層中，裝車數(shù)據(jù)實現(xiàn)統(tǒng)一結算。

基于車牌識別技術的煤礦汽車定量裝車系統(tǒng)降低了汽車裝運過程的裝車成本，提高了用戶的利潤空間(和普通裝車方式相比節(jié)省3元/t)，形成了車輛管理、裝車計量、結算統(tǒng)計于一體的高效信息化工業(yè)模式，滿足了煤礦公路外運汽車裝運現(xiàn)場的實際要求。經(jīng)統(tǒng)計，車牌識別技術在裝車站的識別成功率在96%以上，整個裝車流程較使用發(fā)(收)卡的模式提高效率20%。車牌識別技術的引入增強了裝車站的自動化和信息化的水平，為工業(yè)4.0模式下煤炭產(chǎn)品的生產(chǎn)和信息的跟蹤讀取提供了技術支持和保證。

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(責任編輯 路 強)

Research on truck quickly ration loading system based on vehicle license plate recognition technology in coal mine

Wu Hui

(Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the problem that the road transportation of coal product needed universal and unique information label under Industrie 4.0 pattern, a truck quickly ration loading system based on vehicle license plate recognition technology was put forward, and its architecture design and system design were introduced, then the authors elaborated in detail the fusion of vehicle license plate recognition technology and loading station, automatic control principle of truck loading and the use condition and optimization of vehicle license plate recognition technology in coal loading. Practical application showed that the system realized automation and information control in process of truck loading, decreased truck loading costs and improved user's profit margin.

coal loading, license plate recognition, vehicle transportation, automation interface

中國煤炭科工集團公司科技創(chuàng)新及基金面上項目(2016MS012)

武徽. 基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統(tǒng)研究[J].中國煤炭，2017，43(4)：89-94. Wu Hui . Research on truck quickly ration loading system based on vehicle license plate recognition technology in coal mine[J]. China Coal，2017，43(4)：89-94.

TD562

B

武徽(1984-)，男，山西陽泉人，理學碩士，助理研究員，主要從事儲裝自動化系統(tǒng)的開發(fā)工作。