車號識別與自動稱重數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計及應(yīng)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(tǒng)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(zhí)的焦點問題。目前的計量方式以貨車單節(jié)標準載重噸位為結(jié)算依據(jù)，每節(jié)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(xué)鐵道學(xué)院和西安華光公司共同開發(fā)了 “全自動貨運列車車號識別與記重管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)通過自動識別列車車號，結(jié)合快速裝車站稱重系統(tǒng)的信息，實現(xiàn)列車車號與轉(zhuǎn)載重量的全自動實時記錄功能以及通過軟件對記錄的數(shù)據(jù)進行本地和遠程的分類、查詢、打印等功能。該系統(tǒng)的使用能實現(xiàn)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(chǔ)數(shù)據(jù)信息平臺；能實現(xiàn)裝車貨運站現(xiàn)在車的實時管理、車流的精確統(tǒng)計和實時調(diào)整等；也為順利實施鐵路資產(chǎn)經(jīng)營責(zé)任制提供技術(shù)手段，是神華集團公司繼數(shù)字礦山建設(shè)后，提出的數(shù)字鐵路建設(shè)的一項重要內(nèi)容。

1 系統(tǒng)功能

根據(jù)現(xiàn)場需求，車號自動識別系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）電子標簽采用微波反射調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)遠距離、無接觸方式提取標簽內(nèi)存的數(shù)據(jù)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(nèi)容有機車型號、機車配屬段、機車狀態(tài)和列車車次等。工作壽命長 （可讀寫次數(shù)超過10萬次），存貯器容量大于128bits。靈敏度高，抗干擾性強；標簽?zāi)茉跇O限溫度+85℃～+125℃和-50℃～-60℃的條件下，儲存3h，并保證標簽數(shù)據(jù)的完整性；

（2）地面識別系統(tǒng)。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(tǒng) （CPS）；

（3）在進行標簽數(shù)據(jù)讀取的同時，還通過開、關(guān)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(tǒng)。對地面自動識別設(shè)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(yīng)用系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；定時校正地面自動識別設(shè)備AEI上的時鐘，使得系統(tǒng)采集的信息準確；定時、輪檢地面自動識別設(shè)備的工作狀態(tài)，并向上級監(jiān)控系統(tǒng)報告；

（5）設(shè)計完善關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫模塊，對所有測試過程數(shù)據(jù)進行監(jiān)控和存儲，提供數(shù)據(jù)過程重放功能；提供測試內(nèi)容和測試結(jié)果的查詢和統(tǒng)計、數(shù)據(jù)庫的維護和備份等功能。

2 硬件設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

自動車號識別與記重管理系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)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(dāng)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(tǒng)原理框架圖

（2）地面識別系統(tǒng) （AEI設(shè)備）。由地面天線、車輪傳感器及讀出設(shè)備主機、附加的通信裝置（如調(diào)制解調(diào)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(tǒng) （CPS），屬于ATIS 范圍的，最后通過通信網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器中。

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

（4）稱重倉數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)模塊。為了實現(xiàn)全自動的記錄，系統(tǒng)需要采集裝車稱重系統(tǒng)的信號，經(jīng)過高精度、實時處理，將貨車總量和對應(yīng)的車號記錄到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

2.2 AEI地面自動設(shè)備

地面自動識別設(shè)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(shè)備放置在設(shè)備機房里。AEI的主要功能是讀取車輛／機車電子標簽數(shù)據(jù)，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(fā)射電子標簽的相關(guān)信息，它是電子標簽和閱讀器進行數(shù)據(jù)交換的橋梁，是整個RFID系統(tǒng)的源泉，在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號。當(dāng)射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)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(nèi)里發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

2.2.2 閱讀器

對于一個非接觸式數(shù)據(jù)載體的讀寫操作，一般是嚴格按照 “主—從”原則來進行數(shù)據(jù)交換，這意味著閱讀器和電子標簽的所有動作均應(yīng)有通信協(xié)議或軟件來控制。因此，在實際系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件作為主動方，而閱讀器則作為從動方只對應(yīng)用軟件的讀寫指令作出反應(yīng)，從不自主活動。因此，閱讀器的基本任務(wù)是啟動數(shù)據(jù)載體 （電子標簽）與其進行數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)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(tǒng)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(diào)制等）、收發(fā)通道、中央處理器以及天線等組成。所有RFID 系統(tǒng)的閱讀器均可以簡化為3大基本功能模塊：由收發(fā)系統(tǒng)組成的高頻接口、控制系統(tǒng)以及和外界其他設(shè)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(tǒng)

由工控機、服務(wù)器、路由器、HUB、Modem等設(shè)備組成，安裝在車站計算機房內(nèi)。CPS 作為車號系統(tǒng)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(shù)據(jù)和消息報文，檢測AEI的工作狀態(tài)。另一方面，它又要把經(jīng)過處理的信息傳送到服務(wù)器。

2.4 稱重倉信號采集處理系統(tǒng)

傳統(tǒng)稱重倉稱重儀基本都屬于由單片機控制的具備數(shù)據(jù)處理和管理能力的智能化設(shè)備，基本工作原理如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)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(zhuǎn)換成電壓信號；信號首先經(jīng)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并對其顯示和處理。

當(dāng)機車到來并在軌道衡進行稱量時，數(shù)據(jù)采集設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并通過RS485 口發(fā)送給工控機，磅房操作人員通過計算機完成數(shù)據(jù)稱量、車輛信息記錄、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和信息管理等功能，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)。

2.5 系統(tǒng)工作原理

全自動貨物列車車號及記重管理系統(tǒng)詳細的工作流程如下：

（1）檢測列車到來。當(dāng)列車到來時，首先經(jīng)過距離天線約50t處的開機磁鋼，車輪壓過開機磁鋼產(chǎn)生脈沖信號，通過電纜傳送到讀出主機，該脈沖信號經(jīng)地面設(shè)備處理形成系統(tǒng)復(fù)位信號，使系統(tǒng)設(shè)備復(fù)位，具體是將系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時器，初始化變量和參數(shù)；啟動RF射頻裝置，通過天線發(fā)射微波信號；進入接車狀態(tài)。

（2）接收標簽反射信號，識別標簽。當(dāng)安裝有標簽的車輛或機車經(jīng)過天線作用范圍內(nèi)時，標簽依據(jù)內(nèi)存數(shù)據(jù)對微波信號進行反射調(diào)制，天線接收到經(jīng)標簽調(diào)制的信息后，傳送給地面設(shè)備主機箱中的RF射頻裝置，RF 射頻裝置對已調(diào)制的標簽信號進行解調(diào)、放大等處理后送給Reader卡，進行譯碼和數(shù)據(jù)處理，最后形成16 個字節(jié) （128bits）的標簽數(shù)據(jù)放置到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，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(shù)據(jù)讀取的同時，還通過開、關(guān)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(dāng)最后一輛車的輪子壓過關(guān)門磁鋼后，關(guān)閉RF。關(guān)閉RF 射頻裝置停止發(fā)射微波信號。當(dāng)整列車通過后，根據(jù)車速快慢由系統(tǒng)軟件控制延時一定時間后，關(guān)閉RF射頻裝置，停止發(fā)射微波信號。

（5）形成過車報文并傳至CPS計算機。系統(tǒng)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(fù)和CPS計算機的通信，當(dāng)CPS查詢到該設(shè)備時，閱讀器將過車報文發(fā)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(fā)送。

（6）準備接下一趟列車。發(fā)送報文后，又恢復(fù)到正常的通信應(yīng)答狀態(tài)，等待下一列車的到來。

3 軟件設(shè)計方案

系統(tǒng)軟件由下位機讀寫器數(shù)據(jù)采集程序和上位機數(shù)據(jù)管理程序組成。系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)上位機進行存儲和處理。設(shè)計的系統(tǒng)具有以下特點：

（1）實時性。使得讀寫器識別的數(shù)據(jù)能及時與上位機通信，并在數(shù)據(jù)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(yīng)用程序能準確可靠地處理每次讀寫器傳送來的數(shù)據(jù)；

（3）通用性。軟件設(shè)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(tǒng)功能擴展。

4 神東錦界裝車站車號識別與自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于上述研發(fā)設(shè)計，神東公司于2010年1月以錦界裝車站自動化系統(tǒng)為試點，實施了自動化裝車系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄與查詢、列車車號掃描系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互聯(lián)與記錄查詢、上述數(shù)據(jù)的報表生成與打印功能，并能就當(dāng)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(tǒng)采用武漢利德測控技術(shù)公司的成熟產(chǎn)品。

4.1 具體功能實現(xiàn)

（1）在每次裝車結(jié)束后，將該次裝車過程中每節(jié)車皮的貨量、裝車起始／結(jié)束時間、車次、裝車總節(jié)數(shù)等自動裝車數(shù)據(jù)記錄下來；記錄文件應(yīng)方便轉(zhuǎn)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(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)信息上傳至裝車監(jiān)控畫面。自動化裝車系統(tǒng)與列車號掃描系統(tǒng)，將每次裝車過程中每節(jié)車皮車號記錄入裝車系統(tǒng)中。

（3）實現(xiàn)裝車數(shù)據(jù)與列車號掃描系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄存儲、查詢功能。

裝車站自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)功能，如圖4所示。

圖4 裝車站自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)功能

4.2 錦界裝車站自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)方案實現(xiàn)解決的問題

錦界裝車站自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)功能情況如圖5所示。

圖5 錦界裝車站自動數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)功能

（1）考慮神東公司生產(chǎn)管理系統(tǒng)升級，MES系統(tǒng)的擴建，在硬件上使用服務(wù)器來完成數(shù)據(jù)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(wǎng)，所以將服務(wù)器暫時放在裝車塔樓內(nèi)，且服務(wù)器配置一個與控制PLC 通訊、采集信息用的控制網(wǎng)卡；

（3）因錦界裝車站信息是從錦界礦網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)接入公司信息網(wǎng)，在錦界礦網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)添加新通訊模塊1756-CNBR；

（4）軟件考慮到存儲文件的易轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(guān)于每節(jié)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(xiàn)緩沖倉和定量倉同時放煤的情況，會導(dǎo)致該節(jié)車皮裝車貨量記錄出現(xiàn)較大的誤差，所以報表應(yīng)支持數(shù)據(jù)修改功能，允許裝車員對因補煤、掐煤操作造成數(shù)據(jù)偏差的記錄進行修改；

（6）與列車車號掃描系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)信息上傳至裝車監(jiān)控畫面；

（7）列車車號識別系統(tǒng)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(shù)據(jù)報表服務(wù)器內(nèi)的硬盤共享區(qū)內(nèi)，每列車生成一個新文件，每個文件內(nèi)每節(jié)車皮信息占用一條記錄，各車皮信息準確、無誤、無重復(fù)地與現(xiàn)實車皮相對應(yīng)。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(xiàn)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(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)按操作員設(shè)定的每段列車車皮數(shù)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(shù)量有誤差。要將裝車車皮載重精確記錄下來，則自動化系統(tǒng)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(xiàn)稱重數(shù)據(jù)的傳遞。

5 結(jié)論

車號識別系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)在神東錦界裝車站的成功應(yīng)用，很好地解決了煤炭供需雙方和鐵路運輸方在商務(wù)結(jié)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?shù)男畔⒒?、自動化水平，為神華集團數(shù)字礦山和數(shù)字鐵路的建設(shè)作出重要貢獻，值得在全行業(yè)進行推廣。

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

［2］ 丁恩杰，馬方清.監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場總線 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003