神東公司空車(chē)車(chē)況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀云龍

(神華神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木 719315)

0 引言

為掌握空車(chē)車(chē)體情況，目前在保德裝車(chē)站設(shè)置監(jiān)控員工4人，24 h人工視頻監(jiān)控車(chē)皮破損、凍煤、紅底、雪底等情況，并負(fù)責(zé)相關(guān)業(yè)務(wù)流程。

當(dāng)有空車(chē)經(jīng)過(guò)保德裝車(chē)站時(shí)，保德裝車(chē)站監(jiān)控人員立刻通過(guò)監(jiān)控錄像或?qū)崟r(shí)監(jiān)控進(jìn)行查驗(yàn)。當(dāng)車(chē)速較低時(shí)，可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控查看，當(dāng)車(chē)速達(dá)到60 km/h以上時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)控根本無(wú)法肉眼看清楚，只能通過(guò)慢速回放查看；空車(chē)車(chē)皮如果有凍煤、雪底、紅底或爛車(chē)情況，保德裝車(chē)站監(jiān)控人員需電話(huà)與神朔鐵路保德火車(chē)站相關(guān)人員聯(lián)系，確認(rèn)之前經(jīng)過(guò)的空車(chē)車(chē)次；保德裝車(chē)站監(jiān)控人員得到車(chē)次信息后，通過(guò)電話(huà)向神東洗選中心調(diào)度匯報(bào)車(chē)次及車(chē)皮情況；神東洗選中心調(diào)度得到車(chē)次信息后，通過(guò)電話(huà)與神東總調(diào)確認(rèn)該列車(chē)的目的地；最終，神東洗選中心調(diào)度得到車(chē)次的目的地后，通過(guò)電話(huà)向列車(chē)目的地清坪車(chē)隊(duì)下達(dá)任務(wù)，這個(gè)過(guò)程調(diào)度信息流轉(zhuǎn)復(fù)雜，指令下達(dá)滯后，漏報(bào)、誤報(bào)情況時(shí)有發(fā)生。

通過(guò)智能視頻識(shí)別算法的研究替代人工監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)全智能化識(shí)別車(chē)皮車(chē)況，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)軟件實(shí)現(xiàn)神東洗選中心調(diào)度和神東公司總調(diào)相關(guān)業(yè)務(wù)流程的全自動(dòng)流轉(zhuǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1.1 實(shí)用性原則

21世紀(jì)是信息化時(shí)代，構(gòu)建一個(gè)高速率、高可靠性的信息化監(jiān)控平臺(tái)，是對(duì)所有煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)和高效運(yùn)輸?shù)挠行ПＵ希彩瞧髽I(yè)提升管理水平、促進(jìn)企業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的重要手段。本系統(tǒng)通過(guò)智能視頻分析和信息化手段實(shí)現(xiàn)減員增效，以實(shí)用性為原則建立應(yīng)用系統(tǒng)。

1.2 可靠性原則

通過(guò)智能視頻分析替代人工監(jiān)控，首先要保障視頻識(shí)別的準(zhǔn)確性，即系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)智能視頻分析算法找出煤底、紅底、雪底和爛車(chē)等情況是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，一方面要能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別，另一方面要能夠?qū)⒆R(shí)別結(jié)果按照預(yù)定的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行自動(dòng)化流轉(zhuǎn)。

1.3 通用性原則

系統(tǒng)采用前端采集設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器等多層體系結(jié)構(gòu)，具備良好的可擴(kuò)充性、可移植性和兼容性，充分考慮到了系統(tǒng)的發(fā)展因素和歷史因素，把系統(tǒng)產(chǎn)品的整個(gè)生命周期因素放到了一個(gè)當(dāng)前和未來(lái)的完整時(shí)空中來(lái)考慮。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)化原則

系統(tǒng)在選用控制技術(shù)和設(shè)備時(shí)，應(yīng)符合國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，充分利用各種產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)，將其有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。也就是說(shuō)，要求系統(tǒng)的通信環(huán)境、硬件環(huán)境、軟件環(huán)境相互間的依賴(lài)減至最小，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，系統(tǒng)的互聯(lián)為信息互通和流程控制創(chuàng)造了有利條件[1]。

1.5 可集成原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有安全保障機(jī)制，確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性、完整性。系統(tǒng)采用開(kāi)放性設(shè)計(jì)，遵循主流的接口規(guī)程和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不基于特定機(jī)型、操作系統(tǒng)或廠(chǎng)家的體系結(jié)構(gòu)，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口，以滿(mǎn)足更多部門(mén)和用戶(hù)共享信息。

2 系統(tǒng)組成與系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、監(jiān)控終端等主要硬件設(shè)備，以及神朔鐵路車(chē)次信息WebService數(shù)據(jù)接口、車(chē)皮車(chē)況智能視頻識(shí)別程序、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、車(chē)皮車(chē)況智能視頻識(shí)別應(yīng)用程序和車(chē)皮車(chē)況WebService數(shù)據(jù)接口等軟件組成。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)包括硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)。本系統(tǒng)中硬件基礎(chǔ)架構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)劃包括：高速攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器等；軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)包括運(yùn)行模式、層次結(jié)構(gòu)、調(diào)用關(guān)系和規(guī)劃具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)類(lèi)型等。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)：系統(tǒng)在保德裝車(chē)站部署服務(wù)器一臺(tái)，用作智能視頻識(shí)別服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器；部署高速攝像機(jī)3臺(tái)，用于采集列車(chē)兩側(cè)及空車(chē)上方的視頻信息，部署交換機(jī)一臺(tái)用于網(wǎng)絡(luò)集成；在神東洗選中心和神東煤炭集團(tuán)總調(diào)部署若干臺(tái)計(jì)算機(jī)作為監(jiān)控終端，方便用戶(hù)登錄系統(tǒng)并進(jìn)行業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)，硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件架構(gòu)：軟件系統(tǒng)主要分為5大模塊，分別為神朔鐵路車(chē)次信息WebService數(shù)據(jù)接口、車(chē)皮車(chē)況智能視頻識(shí)別程序(后臺(tái)服務(wù)程序)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、車(chē)皮車(chē)況智能視頻識(shí)別應(yīng)用程序和車(chē)皮車(chē)況WebService數(shù)據(jù)接口。軟件系統(tǒng)架構(gòu)及調(diào)用關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)主要功能與業(yè)務(wù)流程

3.1 系統(tǒng)主要功能要求

硬件設(shè)備主要功能：①高速攝像機(jī)。因過(guò)往大部分空車(chē)速度均在60～70 km/h，因此須采用幀率至少180 Hz的高速攝像機(jī)方能采集到足夠清晰的視頻信息，列車(chē)兩側(cè)的攝像機(jī)采集列車(chē)是否有爛車(chē)的視頻，上方的攝像機(jī)主要用于監(jiān)控空車(chē)底部是否有煤底、雪底和紅底的情況；②應(yīng)用服務(wù)器。本系統(tǒng)只需配置一臺(tái)服務(wù)器，系統(tǒng)中的軟件除“神朔鐵路車(chē)次信息WebService數(shù)據(jù)接口”外均在此部署，因此該服務(wù)器承擔(dān)了數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器的雙重任務(wù)。

神朔鐵路車(chē)次信息WebService數(shù)據(jù)接口：該軟件部署在神朔鐵路信息化機(jī)房數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，實(shí)時(shí)通過(guò)WebService方式向外推送即將通過(guò)保德裝車(chē)站的空車(chē)的基本信息，包括：車(chē)次、車(chē)皮標(biāo)示(順序提供)、預(yù)計(jì)通過(guò)時(shí)間、目的地等。

車(chē)皮車(chē)況智能視頻識(shí)別程序：通過(guò)高速攝像機(jī)采集車(chē)況視頻，并將視頻分解為圖片進(jìn)行分析，當(dāng)一節(jié)車(chē)皮有凍煤、雪底、紅底或爛車(chē)情況發(fā)生時(shí)，程序?qū)⒆詣?dòng)將車(chē)皮問(wèn)題、車(chē)皮號(hào)、車(chē)皮類(lèi)型、車(chē)次、視頻截圖和時(shí)間等關(guān)鍵信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。①凍煤識(shí)別算法。車(chē)底凍煤與空車(chē)車(chē)底的區(qū)別主要表現(xiàn)在不規(guī)則的塊狀物或顆粒感表面，分析算法通過(guò)背景減除法、樣品比對(duì)法和顏色判斷等方法發(fā)現(xiàn)不規(guī)則塊狀物或顆粒感表面從而識(shí)別是否有凍煤情況；②紅底識(shí)別算法。采集海量紅底圖片數(shù)據(jù)信息作為對(duì)比識(shí)別關(guān)鍵因素，其中要考慮陽(yáng)光照射和紅底面積等情況，通過(guò)對(duì)比識(shí)別紅底列車(chē)；③雪底識(shí)別算法。與紅底識(shí)別算法類(lèi)似，需采集海量雪底圖片數(shù)據(jù)信息作為對(duì)比識(shí)別關(guān)鍵因素，其中要考慮陽(yáng)光照射和雪底面積等情況，通過(guò)對(duì)比識(shí)別雪底列車(chē)；④爛車(chē)識(shí)別。爛車(chē)情況只發(fā)生在C64車(chē)型，因此當(dāng)有列車(chē)通過(guò)時(shí)，首先識(shí)別車(chē)型，再判斷是否需要識(shí)別爛車(chē)情況，這樣可提高識(shí)別準(zhǔn)確率；爛車(chē)主要表現(xiàn)在門(mén)邊打膠和布袋，打膠和布袋呈現(xiàn)為白色條狀物，因此可通過(guò)海量機(jī)器學(xué)習(xí)和程序分析進(jìn)行識(shí)別。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)：系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為SQL Server 2014，這是在全世界范圍內(nèi)企業(yè)級(jí)應(yīng)用中較為普遍的數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品，它使用集成的商業(yè)智能工具為用戶(hù)提供了企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)管理功能，其引擎為關(guān)系型數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了更安全可靠的存儲(chǔ)功能。本系統(tǒng)依托SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)完成了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、流程分析和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等觸發(fā)器的設(shè)計(jì)，完成了幾乎所有報(bào)表查詢(xún)系統(tǒng)的存儲(chǔ)過(guò)程的設(shè)計(jì)，還包括存儲(chǔ)預(yù)警數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)流程數(shù)據(jù)、按系統(tǒng)設(shè)定執(zhí)行數(shù)據(jù)歸檔等作業(yè)。

車(chē)皮車(chē)況智能視頻識(shí)別應(yīng)用程序：用戶(hù)應(yīng)用程序采用B/S架構(gòu)，支持IE、Chrome、火狐等主流瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)界面，支持實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻，支持神東公司單點(diǎn)登錄和角色劃分系統(tǒng)等。當(dāng)有預(yù)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)彈出頁(yè)面，并伴有報(bào)警提示音，提醒用戶(hù)及時(shí)處理；按業(yè)務(wù)流程，發(fā)生預(yù)警信息后，神東總調(diào)角色用戶(hù)將首先收到預(yù)警提示，待通過(guò)系統(tǒng)確認(rèn)列車(chē)目的地后，洗選中心調(diào)度角色用戶(hù)也將收到該預(yù)警信息。應(yīng)用程序還可通過(guò)時(shí)間、車(chē)次、目的地等關(guān)鍵信息查詢(xún)歷史預(yù)警記錄；可根據(jù)實(shí)際需求用戶(hù)自定義開(kāi)發(fā)報(bào)表模板。

車(chē)皮車(chē)況WebService數(shù)據(jù)接口：為實(shí)現(xiàn)神東集團(tuán)公司企業(yè)內(nèi)部的信息共享和數(shù)據(jù)集成，數(shù)據(jù)接口程序可實(shí)時(shí)通過(guò)WebService方式向外推送滿(mǎn)足神東集團(tuán)公司技術(shù)要求的車(chē)況預(yù)警信息，如預(yù)警類(lèi)型、車(chē)次、時(shí)間、處理情況等信息。

3.2 系統(tǒng)主要業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)投入使用后，當(dāng)有空車(chē)經(jīng)過(guò)保德裝車(chē)站，由軟件系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別空車(chē)車(chē)皮情況；空車(chē)車(chē)皮如果有凍煤、雪底、紅底或爛車(chē)情況，軟件系統(tǒng)會(huì)立即向神東總調(diào)推送包含車(chē)次的預(yù)警信息；神東總調(diào)收到預(yù)警信息后，需手動(dòng)選擇列車(chē)的目的地并向系統(tǒng)提交；列車(chē)目的地信息被提交后，軟件系統(tǒng)將立即向洗選中心推送完整的預(yù)警信息，包括：車(chē)次、目的地和列車(chē)車(chē)皮情況等；洗選中心再根據(jù)軟件系統(tǒng)推送的預(yù)警信息，向列車(chē)目的地的清坪車(chē)隊(duì)下達(dá)任務(wù)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

神東公司空車(chē)車(chē)況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，減少了人力資源的消耗，避免了人工干預(yù)所容易產(chǎn)生的誤報(bào)和漏報(bào)，減輕了洗選中心和神東集團(tuán)總調(diào)相關(guān)人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。通過(guò)實(shí)踐，再次證明了信息技術(shù)的發(fā)展可以為煤炭企業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)提供強(qiáng)有力的支持，企業(yè)信息化同樣是實(shí)現(xiàn)減員增效的重要途徑。因此，研發(fā)和應(yīng)用具有煤炭行業(yè)特點(diǎn)的電子信息技術(shù)產(chǎn)品，包括工程應(yīng)用軟件、傳感與檢則系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，使它們成為具有開(kāi)放性、通用性和高可靠性的產(chǎn)品，并在此基礎(chǔ)上健全和發(fā)展煤炭行業(yè)的信息產(chǎn)業(yè)[2]。