基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)公路工程物料管理系統(tǒng)研究

李耀業(yè)，王 鵬，仲小玲，張銀博

（1.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830008；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830016）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其在交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的推動(dòng)下，公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入日益增大，建筑施工企業(yè)的規(guī)模和發(fā)展速度也不斷提高，但信息化程度與發(fā)展速度不匹配，導(dǎo)致管理水平不能適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展。工程建設(shè)項(xiàng)目中，建筑企業(yè)物資成本占總成本的60%～70%，因此對(duì)物資進(jìn)行有效管控尤為重要。地磅作為一種普遍但又極為重要的計(jì)量工具，在公路項(xiàng)目建設(shè)中，收料、發(fā)料及廢舊物資等材料的計(jì)量環(huán)節(jié)均依賴(lài)于地磅精確的數(shù)據(jù)支撐，材料管理精細(xì)化的重要性不言而喻。

傳統(tǒng)的施工企業(yè)工程材料管理存在的不足之處較多，主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集方式落后、數(shù)據(jù)反饋信息時(shí)效性不足以及無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等方面。由于物資稱(chēng)重及物資臺(tái)賬的整理主要通過(guò)過(guò)磅員手動(dòng)完成，準(zhǔn)確性較差、主觀因素大，工作效率及工作質(zhì)量難以得到保證，極易因人為誤差導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真。不僅如此，工程物資涉及項(xiàng)目乃至企業(yè)的資金安全，如缺乏有效的防作弊措施，稱(chēng)重作弊將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，材料過(guò)磅形成的線下數(shù)據(jù)、信息傳遞效率低下，無(wú)法為管理決策者在生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

因此，在產(chǎn)業(yè)數(shù)字化變革大背景下，讓數(shù)據(jù)賦能生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)基于智能識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物料管理系統(tǒng)對(duì)施工企業(yè)的數(shù)字化升級(jí)、信息化水平提升至關(guān)重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)物料管理系統(tǒng)主要由攝像頭、紅外對(duì)射、打印機(jī)、高拍儀、地磅、管控終端以及可進(jìn)行數(shù)據(jù)查看分析的數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 物料管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)重要組成部分

1.2.1 視頻與抓拍子系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)置有4個(gè)攝像頭，用于視頻監(jiān)控與車(chē)輛抓拍，分別安裝在磅房?jī)?nèi)部、磅臺(tái)兩端以及地磅上方。通過(guò)視頻與抓拍子系統(tǒng)，顯示器可實(shí)時(shí)顯示稱(chēng)重現(xiàn)場(chǎng)的視頻，司磅員可以觀察車(chē)輛狀態(tài)、車(chē)輛牌號(hào)、上磅情況、車(chē)廂物資等；基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛進(jìn)出場(chǎng)進(jìn)行多角度抓拍并留存圖像4張，包括車(chē)前、車(chē)后、車(chē)頂及磅房圖片。稱(chēng)重臺(tái)賬與抓拍圖像對(duì)應(yīng)，為防止人為修改，抓拍圖像實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器，稱(chēng)重現(xiàn)場(chǎng)錄制視頻并保存于硬盤(pán)，有效防止司磅員與運(yùn)輸車(chē)輛司機(jī)串通作弊等現(xiàn)象，為過(guò)磅臺(tái)賬可靠性提供有力支撐。圖2所示為攝像機(jī)抓拍圖像。

圖2 多角度抓拍

1.2.2 智能識(shí)別子系統(tǒng)

智能識(shí)別子系統(tǒng)配備2個(gè)車(chē)牌識(shí)別攝像頭和2對(duì)紅外對(duì)射儀，磅臺(tái)兩端均安裝有車(chē)牌識(shí)別攝像頭和紅外對(duì)射儀。紅外對(duì)射儀安裝在磅臺(tái)4個(gè)邊角處，通過(guò)發(fā)射端發(fā)出紅外射線是否被物體遮擋，判斷運(yùn)輸車(chē)是否整體在稱(chēng)重范圍內(nèi)，當(dāng)車(chē)輛未完全上磅即車(chē)輛輪胎超出地磅邊界，此時(shí)接收端無(wú)法接收到紅外射線，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并不允許稱(chēng)重，直到運(yùn)輸車(chē)輛完全上磅系統(tǒng)才允許稱(chēng)重?；趧?dòng)態(tài)視頻流識(shí)別算法，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入進(jìn)場(chǎng)、出場(chǎng)攝像頭識(shí)別區(qū)域，系統(tǒng)通過(guò)圖像采集、預(yù)處理、車(chē)牌定位、字符分割、字符識(shí)別等運(yùn)算，自動(dòng)識(shí)別車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)信息，輸出車(chē)牌號(hào)、過(guò)磅時(shí)間、過(guò)磅重量等信息，并將信息數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。

智能識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)對(duì)紅外對(duì)射數(shù)據(jù)和車(chē)牌識(shí)別數(shù)據(jù)的記錄，可有效防止運(yùn)輸車(chē)輛不完全上磅和同時(shí)上磅以及運(yùn)輸車(chē)輛駕駛員和司磅員串通的稱(chēng)重作弊行為，確保稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2.3 稱(chēng)重管理系統(tǒng)

稱(chēng)重管理系統(tǒng)通過(guò)軟件與智能硬件的交互，可以完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)與調(diào)用。系統(tǒng)與地磅串口通信，可以實(shí)時(shí)讀取地磅表上的稱(chēng)量數(shù)據(jù)，避免人為因素作弊。同時(shí)，稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，車(chē)輛在出場(chǎng)稱(chēng)重場(chǎng)景下，可根據(jù)智能識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別出的車(chē)牌號(hào)進(jìn)行信息匹配，在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取皮重?cái)?shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算發(fā)料重量；紅外對(duì)射儀通過(guò)接收端是否接收到紅外線，判斷運(yùn)輸車(chē)輛上磅情況，系統(tǒng)以可視化方式在操作界面顯示車(chē)輛狀態(tài)；高拍儀設(shè)備提供磅單拍照留存功能，并將照片信息記錄在數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)Web服務(wù)可進(jìn)行磅單的快速查詢(xún)，以備核查。點(diǎn)擊“提交”后，系統(tǒng)在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下，可以將運(yùn)輸車(chē)牌號(hào)、磅單類(lèi)型、供應(yīng)商、材料名稱(chēng)、材料規(guī)格、毛重、皮重、凈重、運(yùn)單重量及對(duì)應(yīng)抓拍照片等信息主動(dòng)上傳至數(shù)據(jù)平臺(tái)，并形成臺(tái)賬信息，上傳無(wú)需司磅員操作。數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)后，不可修改，臺(tái)賬未經(jīng)授權(quán)無(wú)法刪除。此舉有助于提高工作效率，避免人為因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，有助于精細(xì)化管控。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 車(chē)牌識(shí)別技術(shù)

車(chē)牌識(shí)別技術(shù)作為智能地磅系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)也是較為復(fù)雜的部分，其核心算法主要包括車(chē)牌定位、字符分割和字符識(shí)別部分。在自然條件惡劣的工地，車(chē)輛背景復(fù)雜、沙塵較大、夜間光照條件差，需要準(zhǔn)確捕捉車(chē)輛圖像，確定車(chē)牌區(qū)域的過(guò)程是自動(dòng)識(shí)別的關(guān)鍵。首先對(duì)視頻圖像區(qū)域進(jìn)行搜索，將符合車(chē)牌特征的區(qū)域列為候選區(qū)，然后使用RCNN模型對(duì)候選區(qū)做進(jìn)一步分析、判定，最后確定選區(qū)，并從圖像中分離目標(biāo)。

完成車(chē)牌定位后，將分離圖像牌照區(qū)域分割為單字符，然后進(jìn)行字符識(shí)別。流程如下：

（1）車(chē)牌圖像灰度化；

（2）分割字符二值化；

（3）字符大小統(tǒng)一化；

（4）字符識(shí)別。

車(chē)牌識(shí)別原理如圖3所示。

圖3 車(chē)牌識(shí)別原理

2.2 智能識(shí)別與稱(chēng)重聯(lián)動(dòng)

智能識(shí)別與稱(chēng)重聯(lián)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)物料管理系統(tǒng)防作弊以及獲得可靠過(guò)程數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)，在硬件方面，物料管理系統(tǒng)涉及攝像頭、紅外對(duì)射、地磅儀表和交換機(jī)等的集成。過(guò)磅車(chē)輛上磅后，進(jìn)入車(chē)牌識(shí)別區(qū)域，觸發(fā)車(chē)牌識(shí)別功能。此時(shí)，地磅磅表實(shí)時(shí)顯示地磅稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)由地磅磅表通過(guò)PCI接口輸入計(jì)算機(jī)，稱(chēng)重管理系統(tǒng)讀取內(nèi)存信息，并將稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)還原到顯示界面。圖4所示為稱(chēng)重管理軟件界面。

圖4 稱(chēng)重管理軟件界面

安裝在地磅4個(gè)角的紅外對(duì)射儀通過(guò)接收端是否接收到發(fā)射端發(fā)出的紅外射線，判斷運(yùn)輸車(chē)輛輪胎是否超出地磅邊界。若車(chē)輛未超出邊界，前后側(cè)紅外接收器可以接收發(fā)射端的紅外射線，系統(tǒng)判斷車(chē)輛已完全上磅，通過(guò)與稱(chēng)重管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，可以點(diǎn)擊系統(tǒng)界面的稱(chēng)重按鈕進(jìn)行過(guò)磅稱(chēng)重。

3 系統(tǒng)工作流程

基于智能識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能物料管理系統(tǒng)，其工作流程根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型的不同可分為收料和發(fā)料兩大業(yè)務(wù)場(chǎng)景，兩種業(yè)務(wù)類(lèi)型均應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)信息的錄入。信息錄入由司磅員通過(guò)Web頁(yè)面在后臺(tái)管理系統(tǒng)操作，具體包括：材料種類(lèi)添加、車(chē)輛信息管理、供應(yīng)商添加以及收貨單位添加。系統(tǒng)基礎(chǔ)錄入信息見(jiàn)表1所列，系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

表1 智能物料管理系統(tǒng)基礎(chǔ)信息配置表

圖5 智能物料管理系統(tǒng)工作流程

（1）車(chē)輛狀態(tài)檢測(cè)

當(dāng)運(yùn)輸車(chē)輛上磅后，安裝在磅臺(tái)4個(gè)角的紅外對(duì)射儀實(shí)時(shí)判斷車(chē)輛位置，確保運(yùn)輸車(chē)輛完全上磅。

（2）車(chē)牌識(shí)別

車(chē)輛上磅后，進(jìn)入車(chē)牌識(shí)別區(qū)域，觸發(fā)車(chē)牌識(shí)別功能，系統(tǒng)識(shí)別當(dāng)前車(chē)輛車(chē)牌。

（3）數(shù)據(jù)讀取

進(jìn)行車(chē)輛車(chē)牌識(shí)別的同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)PCI接口讀取磅表顯示器稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，并將獲得的車(chē)輛毛重?cái)?shù)據(jù)與當(dāng)前車(chē)輛關(guān)聯(lián)，形成進(jìn)場(chǎng)稱(chēng)重臺(tái)賬。

（4）特征匹配

已進(jìn)場(chǎng)車(chē)輛完成卸料后再次上磅，車(chē)牌智能識(shí)別子系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)牌識(shí)別。獲取車(chē)牌信息后，根據(jù)車(chē)牌識(shí)別結(jié)果從進(jìn)場(chǎng)稱(chēng)重臺(tái)賬中獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。

（5）二次稱(chēng)重

如果識(shí)別結(jié)果與進(jìn)場(chǎng)稱(chēng)重臺(tái)賬匹配后，系統(tǒng)將讀取的皮重?cái)?shù)據(jù)錄入相對(duì)應(yīng)稱(chēng)重臺(tái)賬；未成功匹配，則無(wú)法進(jìn)行二次稱(chēng)重。

（6）自動(dòng)回皮

運(yùn)輸車(chē)輛發(fā)料場(chǎng)景下，無(wú)需二次稱(chēng)重，自動(dòng)回皮功能可從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取該車(chē)輛皮重?cái)?shù)據(jù)。

（7）數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)獲得的毛重、皮重?cái)?shù)據(jù)以及設(shè)置的材料扣率、扣噸值，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算該車(chē)次的凈重。

（8）臺(tái)賬生成

完成數(shù)據(jù)計(jì)算后，系統(tǒng)對(duì)該車(chē)次生成包含磅單號(hào)、記錄磅單類(lèi)型、運(yùn)輸車(chē)號(hào)、材料類(lèi)型、材料規(guī)格、毛重、皮重、扣率、扣噸、凈重以及過(guò)磅時(shí)間的臺(tái)賬信息，以上數(shù)據(jù)不可修改。

4 系統(tǒng)功能價(jià)值

基于智能識(shí)別和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能物料管理系統(tǒng)，功能價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾方面。

4.1 系統(tǒng)主要功能

（1）可視化功能：系統(tǒng)操作界面可實(shí)時(shí)顯示磅表數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻、車(chē)牌號(hào)以及稱(chēng)重列表等，提升過(guò)磅效率，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控。

（2）磅單打印功能：過(guò)磅數(shù)據(jù)提交后，形成打印前磅單預(yù)覽界面，點(diǎn)擊“確定”完成磅單打印，并支持磅單打印次數(shù)查詢(xún)。

（3）車(chē)輛皮重監(jiān)控：在系統(tǒng)中可對(duì)首次入場(chǎng)車(chē)輛皮重值進(jìn)行設(shè)定或通過(guò)首次過(guò)磅數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)獲取。車(chē)輛再次過(guò)磅時(shí)，將對(duì)該車(chē)次皮重值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值以及歷史車(chē)輛皮重值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

（4）扣噸扣率功能：針對(duì)進(jìn)場(chǎng)物料需要進(jìn)行物料扣噸和扣率時(shí)，可在材料詳情中輸入換算公式，編輯完成后材料自動(dòng)進(jìn)行扣量處理。

（5）報(bào)表查詢(xún)功能：報(bào)表類(lèi)型包括收料報(bào)表、發(fā)料報(bào)表及供應(yīng)商對(duì)賬報(bào)表等，支持以查詢(xún)時(shí)間段、材料類(lèi)型、臺(tái)賬來(lái)源及收料類(lèi)型等方式匯總稱(chēng)重記錄，提供及時(shí)、完整的報(bào)表信息。

（6）統(tǒng)計(jì)分析功能：物資數(shù)據(jù)以圖表形式分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)分析難度，提高匯報(bào)溝通效率，為業(yè)務(wù)決策提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 系統(tǒng)價(jià)值

（1）降低成本：系統(tǒng)可降低物料進(jìn)出場(chǎng)損失，減少結(jié)算損失，降低材料成本。

（2）提升效益：智能監(jiān)控作弊，自動(dòng)打印料單、生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

（3）降低風(fēng)險(xiǎn)：通過(guò)數(shù)字手段防控不當(dāng)行為，遠(yuǎn)程管理堵塞漏洞，智能預(yù)警防止滯后。

（4）促進(jìn)度：收料、發(fā)料數(shù)字化，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況可視化，業(yè)務(wù)管控移動(dòng)化。

5 結(jié) 語(yǔ)

物料管理系統(tǒng)是一個(gè)綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)及移動(dòng)互聯(lián)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)材料進(jìn)出場(chǎng)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行全方位管控的系統(tǒng)。該系統(tǒng)借助現(xiàn)場(chǎng)硬件，自動(dòng)采集實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，利用云計(jì)算技術(shù)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行有效積累、整合，并融合互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多層次、多維度的深度智能分析。該系統(tǒng)已在公路建設(shè)行業(yè)進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效提升物資管控水平，使企業(yè)達(dá)到零距離集約管控、可視化智能決策的管理效果。