李瑞平,周 云,王 馳,黃丹青,趙柔君

(國家電投集團(tuán)重慶合川發(fā)電有限公司,重慶 401536)

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展,能源的需求量不斷增加,而煤炭作為重要的能源來源之一,也受到越來越多的關(guān)注。在煤炭的生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過程中,煤炭計(jì)量是一個(gè)重要的環(huán)節(jié),直接關(guān)系到煤炭的使用效率、經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境影響。但是,傳統(tǒng)的汽車煤計(jì)量方法存在著一系列問題,如需要人工指引、計(jì)量過程復(fù)雜低效、容易受到人為因素的影響等。同時(shí),對于一些特殊車型,如17.5 m高欄半掛車型,傳統(tǒng)計(jì)量方法面臨無法實(shí)施的問題。

為了解決這些問題,設(shè)計(jì)一套無人值守的半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量及卸車系統(tǒng),引入現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)視覺和人工智能等新興技術(shù),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的值班人員,完成入場的運(yùn)煤車輛和物質(zhì)運(yùn)輸車輛的自動(dòng)稱重工作,并使其具備對17.5m高欄半掛及以下車型進(jìn)行計(jì)量和卸車的能力。這套系統(tǒng)可以提高汽車煤計(jì)量的精度和效率,減少人力成本,同時(shí)也有助于降低燃煤運(yùn)輸成本、提高能源供應(yīng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)是創(chuàng)建一套適用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的無人值守汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)和無人值守卸車系統(tǒng)。其中,無人值守汽車煤自動(dòng)稱重系統(tǒng)是指在無人值守和干預(yù)的情況下完成整個(gè)稱重流程,包括完成數(shù)據(jù)監(jiān)控、查詢、統(tǒng)計(jì)、打印和結(jié)算等工作,從而提高計(jì)量效率和精度[1]。本項(xiàng)目將采用車牌智能識(shí)別技術(shù),并且使用監(jiān)視管控系統(tǒng),全程保證計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

同時(shí),無人值守卸車系統(tǒng)也是本項(xiàng)目的重點(diǎn)研發(fā)內(nèi)容。該系統(tǒng)旨在讓人員在車輛?？砍休d平板后,可以遠(yuǎn)程操作平板進(jìn)行卸載,并控制車輛傾角和煤炭下滑速度。本項(xiàng)目的卸車系統(tǒng)采用智能聯(lián)動(dòng)無人值守技術(shù),可以對來往車輛進(jìn)行指引,并在判斷出可以卸車時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)卸車機(jī),司機(jī)可以按照指引出進(jìn)行卸車操作。

此外,本項(xiàng)目還開發(fā)了一套地磅圖像識(shí)別防作弊系統(tǒng),該系統(tǒng)使用圖像識(shí)別算法判斷人員行為和車輛狀態(tài),一旦檢測到異常行為,系統(tǒng)將自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信號(hào),以幫助管控人員對異常狀況進(jìn)行處理。這套系統(tǒng)可以有效解決計(jì)量中的人為誤差和作弊問題。

2 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量及卸車系統(tǒng)利用局域網(wǎng)將磅房、卸車機(jī)、機(jī)房及辦公區(qū)域緊密聯(lián)系在一起。磅房前置機(jī)負(fù)責(zé)控制過磅位置的設(shè)備和軟件,并將獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器;卸車機(jī)前置機(jī)則負(fù)責(zé)控制卸車機(jī)的相關(guān)設(shè)備和軟件,同樣將獲取的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。此外,辦公區(qū)域的電腦可以登錄系統(tǒng),讓工作人員隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)或發(fā)送指令,并通過前置機(jī)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制。

無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量及卸車系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量及卸車系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)

利用4臺(tái)汽車衡實(shí)現(xiàn)雙向過磅的無人值守自動(dòng)計(jì)量,在整個(gè)過磅過程中,司機(jī)只需遵循設(shè)備的相應(yīng)提示進(jìn)行操作,無須任何工作人員干預(yù)。同時(shí),工作人員通過遠(yuǎn)程管控平臺(tái),可以進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控和協(xié)助,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)汽車過磅的無人值守操作。

3.1 計(jì)量流程

無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量是一種高效、自動(dòng)化的稱重計(jì)量方式,通過系統(tǒng)分配汽車衡、車號(hào)識(shí)別、汽車上磅、計(jì)量和下磅等步驟,實(shí)現(xiàn)了無人值守的自動(dòng)稱重計(jì)量。無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量流程如圖2所示。

圖2 無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量流程

首先,系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求和可用資源,將汽車衡分配給相應(yīng)的司機(jī),并將分配結(jié)果提前發(fā)送給司機(jī)。司機(jī)根據(jù)路標(biāo)指引到達(dá)任務(wù)磅,路標(biāo)可以包括指示牌、地圖等。

其次,系統(tǒng)通過車號(hào)識(shí)別技術(shù)對車輛進(jìn)行識(shí)別。如果車輛未被識(shí)別到,道閘不會(huì)打開,語音提示和紅綠燈會(huì)指引司機(jī)重新識(shí)別車號(hào)。當(dāng)車輛被識(shí)別通過后,道閘打開,語音提示和紅綠燈指引司機(jī)上磅。

再次,汽車上磅后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行稱重計(jì)量。如果車輛未滿足稱重要求,語音提示會(huì)告知司機(jī)需要重新上磅。計(jì)量完成后,有語音提示,LED顯示屏和紅綠燈會(huì)指引司機(jī)下磅。

最后,司機(jī)根據(jù)語音提示和紅綠燈的指引下磅,整個(gè)稱重計(jì)量流程結(jié)束。

這種方式提高了工作效率和準(zhǔn)確性,減少了人工操作的誤差和不便,為現(xiàn)代工業(yè)和科技發(fā)展提供了支持。

3.2 設(shè)備應(yīng)用

無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)涉及的相關(guān)設(shè)備包括汽車衡秤體、稱重傳感器、智能稱重顯示儀表、智能車牌號(hào)抓拍攝像機(jī)、紅綠燈、語音提示系統(tǒng)、紅外對射、智能道閘、LED顯示屏、工控機(jī)、打印機(jī)、監(jiān)控?cái)z像裝置及監(jiān)控主機(jī)。這些設(shè)備在系統(tǒng)中各自扮演著重要的角色,共同完成了汽車煤計(jì)量的無人值守任務(wù)。無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

圖3 無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)組成示意圖

汽車衡秤體是進(jìn)行稱重的核心設(shè)備,當(dāng)車輛停在秤體上時(shí),它會(huì)感應(yīng)并記錄下車重。稱重傳感器則將秤體的讀數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),傳輸給智能稱重顯示儀表。顯示儀表實(shí)時(shí)顯示車重,并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。

智能車牌號(hào)抓拍攝像機(jī)則用于拍攝并識(shí)別車輛的車牌號(hào),并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。紅綠燈和語音提示系統(tǒng)則用于指示車輛進(jìn)出和揭示操作。紅外對射設(shè)備用于檢測車輛的進(jìn)出,與控制系統(tǒng)配合完成自動(dòng)化計(jì)量。智能道閘和LED顯示屏則用于指示車輛進(jìn)出和揭示操作。

工控機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞,它接收并處理所有的數(shù)據(jù),然后通過打印機(jī)將其打印出來。監(jiān)控?cái)z像裝置則用于監(jiān)控秤體的使用情況和車輛的進(jìn)出情況。監(jiān)控主機(jī)則接收并處理所有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

通過這些設(shè)備的協(xié)同工作,無人值守汽車煤計(jì)量系統(tǒng)可以高效、準(zhǔn)確地完成自動(dòng)化計(jì)量,大大提高了效率,減少了人工操作的誤差和不便。

3.3 系統(tǒng)功能

無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)具備以下功能[2-4]。

1)能根據(jù)事先錄入的車輛信息和來煤計(jì)劃,提前分配稱重汽車衡,以減少廠內(nèi)擁堵并提高整體效率。

2)能夠進(jìn)行車輛位置檢測,并具備防人為干預(yù)重車稱重或輕車回皮、不完全稱重等作弊功能。

3)在車輛位置檢測等設(shè)備發(fā)生故障情況下,可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作功能,以確保稱重系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

4)煤自動(dòng)采集各類稱重儀表數(shù)據(jù),并同步顯示儀表數(shù)據(jù)。顯示屏能顯示計(jì)量數(shù)據(jù)、貨源信息、超差報(bào)警信息,以及采樣卸煤區(qū)域的指引信息。

5)在計(jì)量時(shí),能夠抓拍車頭、車廂和車尾的圖像,以防止使用臨時(shí)電子車牌或更換車牌等作弊操作,并為稱重監(jiān)管和復(fù)審提供防作弊依據(jù)。

6)具備紅外線防作弊功能,對車輛不完全上磅、多臺(tái)車上磅等非標(biāo)準(zhǔn)稱重狀態(tài)不予稱重。

7)具備計(jì)量波形檢測防作弊功能,能自動(dòng)繪制計(jì)量波形圖,并自動(dòng)判斷模擬稱重傳感器是否被遙控干擾。針對遙控干擾器、車輛動(dòng)載荷等存在作弊行為的不予稱重,并上報(bào)管理人員進(jìn)行監(jiān)管處理。

8)具備自動(dòng)語音報(bào)重和自動(dòng)語音指揮功能,以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和在線聲光報(bào)警功能。

9)具備遠(yuǎn)程稱重功能,在無人值守稱重過程中出現(xiàn)未授權(quán)稱重或者需要暫時(shí)過磅稱重的特殊車輛時(shí),管理人員接到遠(yuǎn)程語音呼叫信息后,在允許稱重的情況下可以對非自動(dòng)計(jì)量車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程人工稱重處理。

10)可以將發(fā)生多次上磅異常、皮重超差等情況的車輛列入黑名單,并在后續(xù)識(shí)別到該車輛后通知監(jiān)控中心進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

11)具備車位自動(dòng)識(shí)別功能,當(dāng)車未停在限定磅位區(qū)域時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行語音提示。若延時(shí)后仍未停到位,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行后續(xù)程序閉鎖并報(bào)警。

12)具備判別車輛是否靜止在磅面的功能,對不熄火車輛或以沖擊速度上磅車輛進(jìn)行后續(xù)程序閉鎖并報(bào)警。

13)在稱重完成后,系統(tǒng)會(huì)給出卸煤地點(diǎn),即具有指引功能。

14)具備對每天的總車數(shù)和凈重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的功能,并能以列表的形式展示車號(hào)、稱重時(shí)間、票重、毛重、皮重、凈重、煤種及發(fā)貨單位等信息。同時(shí),用柱狀圖的形式對毛重、皮重、凈重異常進(jìn)行按月的對比分析。

3.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)具有以下4個(gè)方面的特點(diǎn)。

1)高效性。系統(tǒng)可以提前分配并告知司機(jī)稱重汽車衡編號(hào),同時(shí)規(guī)劃廠內(nèi)行駛路線,確保車輛快速、順暢地通過稱重設(shè)備,避免在廠內(nèi)逗留,從而提高整體運(yùn)營效率。

2)自動(dòng)化。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作,包括雙向上磅識(shí)別、語音和視覺指引、車輛防作弊、停車位置檢測、智能磅單打印、超時(shí)報(bào)警及異常報(bào)警等功能,大大減少了人工干預(yù)和操作時(shí)間。

3)報(bào)表與統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)可以自動(dòng)生成每日、每周、每月的稱重報(bào)表,并形成統(tǒng)計(jì)分析圖表,方便電廠管理人員隨時(shí)查看和分析車輛過衡數(shù)據(jù)后,做出相應(yīng)的決策和調(diào)整。

4)全流程管控。系統(tǒng)可以與卸車機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)載重車輛在廠內(nèi)的全流程管控,從進(jìn)廠到稱重,再到卸貨等環(huán)節(jié),都可以通過系統(tǒng)進(jìn)行智能化的調(diào)度和控制。

4 汽車自動(dòng)卸車系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

載重汽車到達(dá)汽車衡計(jì)重后,系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行卸車排隊(duì),并語音提示司機(jī)前往卸車機(jī)進(jìn)行卸車,卸車機(jī)將自動(dòng)識(shí)別需卸車車輛,若是當(dāng)前任務(wù)車輛,載重汽車可在卸車機(jī)進(jìn)行卸車,整個(gè)過程基于數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng),保證整個(gè)過程少人甚至無人管理。

4.2 卸車流程

載重汽車按指令正向駛?cè)?或反向倒上)翻板平臺(tái),汽車就位后擋輪器完全升起擋住汽車后輪,翻板平臺(tái)升到要求角度進(jìn)行卸車,翻板平臺(tái)落下復(fù)位,汽車開下翻板平臺(tái),完成卸料。整個(gè)工作過程如圖4所示。

圖4 卸車流程

4.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

汽車自動(dòng)卸車系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1)翻板平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和有限元分析的方法進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),使其具有整體耐用、安全和美觀的特點(diǎn)。

2)液壓控制系統(tǒng)結(jié)合了國內(nèi)外先進(jìn)的液壓控制技術(shù),并采用了國內(nèi)外知名品牌的元器件,確保系統(tǒng)具備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長、運(yùn)行穩(wěn)定性好、安全可靠,且易于維護(hù)等特點(diǎn)。

3)電氣控制系統(tǒng)也采用了國內(nèi)外知名品牌的元器件,同時(shí)電氣控制軟件具有自主可控的特點(diǎn),系統(tǒng)還預(yù)留了多種通信方式,能進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

5 地磅圖像識(shí)別防作弊系統(tǒng)

5.1 系統(tǒng)需求與分析

地磅位置是最易出現(xiàn)作弊現(xiàn)象的。實(shí)現(xiàn)了無人值守后,磅房處于無人狀態(tài),每個(gè)地磅處均設(shè)有監(jiān)控,管控人員可以查看是否有作弊行為,但管控人員不會(huì)實(shí)時(shí)盯著地磅位置,故利用圖像識(shí)別方式智能監(jiān)控地磅位置是否有作弊行為發(fā)生,是一項(xiàng)非常有必要的關(guān)鍵措施。

所有地磅處均全方位覆蓋視頻監(jiān)控,且視頻圖像實(shí)時(shí)上傳至圖像識(shí)別服務(wù)器,智能監(jiān)控車輛行為及可疑人員行為,判定后將自動(dòng)產(chǎn)生預(yù)警,并交由管控人員進(jìn)行審核處理。

5.2 核心算法

地磅圖像識(shí)別防作弊系統(tǒng)采用了對象檢測算法YOLO,實(shí)現(xiàn)了地磅計(jì)量的實(shí)時(shí)對象檢測。選擇YOLO算法的原因是其高效性,因?yàn)闄z測問題是一個(gè)回歸問題,無需復(fù)雜的處理流程。相比其他算法,如R-CNN和Fast R-CNN,YOLO算法的速度分別提升了1 000倍和100倍。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)處理視頻流,并有小于25 ms的延遲。同時(shí),YOLO算法的精度也使該系統(tǒng)優(yōu)于以前的實(shí)時(shí)系統(tǒng),高達(dá)兩倍以上。更重要的是,YOLO算法遵循了“端到端深度學(xué)習(xí)”的原則[5]。

由于本系統(tǒng)針對的是卡車、人等較大目標(biāo)的監(jiān)測,通過對各個(gè)版本對比分析后,確定本系統(tǒng)采用YOLOv4算法。相對其他YOLO版本,YOLOv4的精度及速度都偏上且應(yīng)用廣泛,成熟度高。

5.3 目標(biāo)檢測實(shí)現(xiàn)流程

目標(biāo)檢測實(shí)現(xiàn)流程包括接入視頻、提取重點(diǎn)圖片、圖片分類、圖片增廣、數(shù)字標(biāo)注、模型訓(xùn)練和行為識(shí)別等步驟,如圖5所示。這些步驟可以實(shí)現(xiàn)對視頻中的目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別和定位,并利用豐富的數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型,最終實(shí)現(xiàn)行為識(shí)別。

圖5 目標(biāo)檢測實(shí)現(xiàn)流程

首先接入視頻數(shù)據(jù),然后從中提取出重要的圖像或幀,并進(jìn)行分類,根據(jù)不同的特征將它們分為人的行為和車的狀態(tài)。接著對這些篩選出的圖片進(jìn)行增廣處理,通過壓縮、旋轉(zhuǎn)、添噪和裁剪等方式使其更加豐富多樣。然后對這些處理后的圖片進(jìn)行數(shù)字標(biāo)注,明確目標(biāo)的位置和類別。最后將標(biāo)注好的圖片集合為數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型,以便對新的圖片進(jìn)行目標(biāo)檢測和行為識(shí)別。這個(gè)流程可以提高模型的泛化能力和準(zhǔn)確性,為人們提供更加智能的解決方案。

5.4 最終效果

系統(tǒng)利用YOLOv4算法完成了地磅計(jì)量過程圖像識(shí)別防作弊,針對司機(jī)違規(guī)下車、外來人員進(jìn)入磅房區(qū)域、磅房區(qū)域人員下蹲或?qū)Π醭舆M(jìn)行破壞等行為會(huì)進(jìn)行預(yù)警,從而最大程度上杜絕計(jì)量作弊行為。

6 結(jié)語

經(jīng)過使用無人值守半掛汽車煤自動(dòng)計(jì)量及卸車系統(tǒng),某發(fā)電公司實(shí)現(xiàn)了以下優(yōu)化:提前根據(jù)過磅車輛車型及物資進(jìn)行自動(dòng)分配衡器,實(shí)現(xiàn)了重車輕車計(jì)量無人值守,成了西南地區(qū)首家應(yīng)用卸車機(jī)的煤炭發(fā)電公司,減少了廠內(nèi)車輛排隊(duì)擁堵,全流程監(jiān)控及運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)杜絕了作弊的可能。

總體而言,該公司實(shí)現(xiàn)了從低效率向高效率的轉(zhuǎn)變、從多人員向少人甚至無人的轉(zhuǎn)變、從高勞動(dòng)強(qiáng)度向低勞動(dòng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)變、從人為因素影響大向無人為因素影響轉(zhuǎn)變、從信息孤島向信息流通轉(zhuǎn)變,以及從人工向全自動(dòng)化轉(zhuǎn)變,從而提高了企業(yè)效益。