新疆某選煤廠(chǎng)智能裝車(chē)定位系統(tǒng)的應(yīng)用研究

齊 健,包國(guó)強(qiáng),劉 峰,周 南,劉化男,高會(huì)穎

(1.國(guó)家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.天津美騰科技股份有限公司,天津 300000)

0 引言

我國(guó)將工業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升作為實(shí)現(xiàn)工業(yè)強(qiáng)國(guó)的關(guān)鍵,并高度重視創(chuàng)新因素。2015年,“中國(guó)制造2025”發(fā)布十年發(fā)展戰(zhàn)略,將智能制造作為發(fā)展的主攻方向。目前,煤炭行業(yè)已通過(guò)新技術(shù)與新設(shè)備的引入,逐漸投入智慧礦山的建設(shè)[1-2]。但煤炭行業(yè)整體的信息化水平仍有所不足,各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)未能得到充分集成。煤炭行業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)“智慧大腦”的構(gòu)建,在管理邏輯與方法上依舊以人工管理為主[3-4]。

一些高校和高新企業(yè)對(duì)此進(jìn)行了研究。張澤江等[5]通過(guò)設(shè)置電眼進(jìn)行車(chē)輛定位,結(jié)合限位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)車(chē)廂定位。張帥帥[6]以伺服控制系統(tǒng)為研究重點(diǎn),將供煤、車(chē)號(hào)識(shí)別、稱(chēng)重計(jì)量等系統(tǒng)作高度集成,布置多個(gè)軌道衡以規(guī)避定位問(wèn)題?？嚎∶鞯萚7]以系統(tǒng)精度改進(jìn)支持軟件包的動(dòng)態(tài)優(yōu)化,但仍以光電開(kāi)關(guān)作為定位手段。紀(jì)洪準(zhǔn)[8]將視頻監(jiān)控、位置傳感器與車(chē)號(hào)識(shí)別等相結(jié)合,強(qiáng)化關(guān)鍵點(diǎn)位置判定。王懷江[9]依托組態(tài)軟件與相關(guān)技術(shù),發(fā)揮軟件的更多功能優(yōu)勢(shì),把定位數(shù)據(jù)加入多重計(jì)算規(guī)則。肖涌洪[10]關(guān)注混掛列車(chē)自動(dòng)裝車(chē)問(wèn)題,將計(jì)算機(jī)面板控制作為操作核心,針對(duì)不同車(chē)型作差異化定位處理。張冬梅等[11]針對(duì)裝車(chē)自動(dòng)化軟件存在的缺陷,提出了一類(lèi)修正的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法,為系統(tǒng)最優(yōu)控制的實(shí)現(xiàn)提供保障。新疆某選煤廠(chǎng)作為國(guó)家重點(diǎn)企業(yè),對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)和信息化管理有很高的要求。針對(duì)目前情況,新疆某選煤廠(chǎng)開(kāi)展了智能裝車(chē)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目。智能裝車(chē)中最關(guān)鍵的是車(chē)廂定位技術(shù),其直接參與放料實(shí)際判定。智能定位系統(tǒng)是避免撒料和裝車(chē)偏載的核心要素,對(duì)能否實(shí)現(xiàn)智能化起決定性作用。

本文針對(duì)選煤廠(chǎng)智能裝車(chē)過(guò)程中車(chē)廂定位方法進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)比確定光電感應(yīng)方案,根據(jù)裝車(chē)場(chǎng)景確定測(cè)量光幕的規(guī)格和技術(shù)參數(shù),并對(duì)測(cè)量光幕進(jìn)行可行性試驗(yàn)。本文對(duì)試驗(yàn)誤差進(jìn)行分析和結(jié)果優(yōu)化,確定了測(cè)量光幕作為實(shí)時(shí)測(cè)量裝車(chē)過(guò)程中車(chē)輛定位的裝置。車(chē)廂定位的檢驗(yàn)精度高、響應(yīng)時(shí)間短,滿(mǎn)足智能裝車(chē)使用需求。

1 定位技術(shù)研究

1.1 技術(shù)方案確定

常規(guī)定位檢測(cè)手段包括射頻識(shí)別、光電感應(yīng)、雷達(dá)掃描、遙感定位等。由于裝車(chē)場(chǎng)景的特殊性,火車(chē)行進(jìn)速度非常慢。相對(duì)于列車(chē)本身長(zhǎng)度,車(chē)的單位時(shí)間位移微乎其微。因此,遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)技術(shù)等檢測(cè)方式無(wú)法滿(mǎn)足細(xì)小分辨率要求。過(guò)大的定位偏差將造成溜槽與車(chē)廂的磕碰,甚至引發(fā)撒煤的風(fēng)險(xiǎn)。射頻識(shí)別的定位精準(zhǔn)度較高,但基本是單次測(cè)量,難以實(shí)現(xiàn)過(guò)程連續(xù)檢測(cè),且實(shí)施方案需在鐵軌下方施工。這會(huì)影響生產(chǎn),因此不可用。

光電傳感技術(shù)相對(duì)于其他幾種技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。目前,一些先進(jìn)的裝車(chē)站已經(jīng)通過(guò)增設(shè)雷達(dá)測(cè)速傳感器和光電傳感器,利用可編程控制技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝車(chē)系統(tǒng)定量倉(cāng)液壓閘板放煤的開(kāi)啟時(shí)間點(diǎn),使自動(dòng)裝車(chē)成為現(xiàn)實(shí)[12]。

通過(guò)對(duì)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的分析可知,光電傳感技術(shù)作為有效的非接觸式檢測(cè)方法,反應(yīng)迅速、安裝簡(jiǎn)單,兼具可靠性和實(shí)用性。因此,本文選擇在光電定位方向上進(jìn)行突破。

1.2 技術(shù)方案假設(shè)

測(cè)量光幕是光電原理中具備定位檢測(cè)可行性的裝置,具有高分辨率、響應(yīng)快速等優(yōu)勢(shì)。本文據(jù)此提出使用測(cè)量光幕作為連續(xù)定位的方案假設(shè),即多組測(cè)量光幕沿裝車(chē)通道連續(xù)首尾拼接布置,形成覆蓋車(chē)廂長(zhǎng)度的光電檢測(cè)區(qū)域。當(dāng)車(chē)廂行駛時(shí),車(chē)廂的前后邊沿在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)形成對(duì)光電信號(hào)的切割。因此,根據(jù)信號(hào)變化即可計(jì)算出任意時(shí)刻車(chē)廂的相對(duì)位置。

基于鐵路限界要求,測(cè)量光幕的水平對(duì)射距離需在5 m以上。又因常規(guī)敞車(chē)車(chē)廂最大車(chē)長(zhǎng)約15 m,搭建的檢測(cè)區(qū)域需大于車(chē)長(zhǎng),因此檢測(cè)長(zhǎng)度設(shè)為16 m。此外,定位裝置的性能應(yīng)不低于人的判斷能力。裝車(chē)時(shí),車(chē)的平均速度為0.8 km/h,而人的反應(yīng)時(shí)間在150 ms左右,故分辨車(chē)廂位置在4.8 cm左右。本文對(duì)分辨率取整,將分辨率目標(biāo)設(shè)為4 cm。綜上,本文選用10組單根長(zhǎng)度1.6 m、光軸距4 cm、對(duì)射距離8 m的測(cè)量光幕組合。

為量化位置概念,本文以車(chē)輛進(jìn)站方向第一點(diǎn)為原點(diǎn)、車(chē)輛行駛方向?yàn)檎较蚪⒆鴺?biāo)系。當(dāng)車(chē)廂進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后,車(chē)廂前沿開(kāi)始切割測(cè)量光幕激光線(xiàn)陣信號(hào),車(chē)廂依次經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域。隨后,當(dāng)車(chē)廂后沿進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域,同樣依次從頭到尾反切割信號(hào),通過(guò)收集和處理所有點(diǎn)的信號(hào)狀態(tài),再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單換算即可得到車(chē)廂的相對(duì)位置。坐標(biāo)設(shè)置方法如圖1所示。

1.3 定位驗(yàn)證測(cè)試

本文定制滿(mǎn)足上述要求的測(cè)量光幕作為主現(xiàn)場(chǎng)感知設(shè)備,并設(shè)置通信方式為485串口協(xié)議。本文配套選型USR系列的串口服務(wù)器,將串口協(xié)議統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為ModbusTCP協(xié)議。通過(guò)匯聚交換機(jī),形成以太網(wǎng)通信與算法計(jì)算機(jī)的連接,以形成完整的定位網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)布署,連接后經(jīng)過(guò)調(diào)試使其具備數(shù)據(jù)采集能力。

1.3.1 相對(duì)誤差的驗(yàn)證

為便于描述,本文在測(cè)試時(shí)把車(chē)廂的前邊沿稱(chēng)為車(chē)頭、后邊沿稱(chēng)為車(chē)尾。車(chē)頭或車(chē)尾在光幕中的相對(duì)位置用坐標(biāo)表示。由于檢測(cè)區(qū)域足夠長(zhǎng),區(qū)域內(nèi)始終有前后2節(jié)車(chē)的車(chē)頭或車(chē)尾。通過(guò)前車(chē)頭坐標(biāo)減后車(chē)頭坐標(biāo),可以得到1節(jié)車(chē)廂的長(zhǎng)度。依照上述方法,本文采集C80車(chē)廂進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)測(cè)量光幕給出的數(shù)據(jù),用測(cè)量值減去實(shí)際值得到測(cè)量誤差,并計(jì)算誤差所處范圍數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及所占比例。車(chē)長(zhǎng)即前車(chē)鉤到后車(chē)鉤的長(zhǎng)度。車(chē)長(zhǎng)計(jì)算誤差如表1所示。

表1 車(chē)長(zhǎng)計(jì)算誤差Tab.1 Calculation errors of vehicle length

由表1可知,車(chē)長(zhǎng)與實(shí)際之差在±6 cm之內(nèi)的占比為97.19%,最大定位偏差為±10 cm。測(cè)試再用同樣的方式進(jìn)行了車(chē)廂長(zhǎng)度的計(jì)算。車(chē)廂長(zhǎng)度計(jì)算誤差如表2所示。

表2 車(chē)廂長(zhǎng)度計(jì)算誤差Tab.2 Calculation errors of carriage lengths

C80真實(shí)車(chē)長(zhǎng)為10.83 m。由表2可知,絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)誤差范圍在±6 cm之內(nèi),占總量的94.24%。該結(jié)果略低于車(chē)長(zhǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性,但同樣滿(mǎn)足使用要求。

1.3.2 單點(diǎn)絕對(duì)誤差的驗(yàn)證

單點(diǎn)絕對(duì)誤差驗(yàn)證是為驗(yàn)證測(cè)量光幕相鄰點(diǎn)之間有無(wú)干擾,而測(cè)量車(chē)輛實(shí)際到達(dá)坐標(biāo)點(diǎn)和裝置輸出的信號(hào)是否一致。驗(yàn)證采用單個(gè)光電開(kāi)關(guān)與測(cè)量光幕對(duì)比的方法,將光電開(kāi)關(guān)安裝在某坐標(biāo)點(diǎn)上。當(dāng)車(chē)頭經(jīng)過(guò)該點(diǎn)時(shí),光電開(kāi)關(guān)發(fā)出感應(yīng)信號(hào)。測(cè)試采集此時(shí)測(cè)量光幕的輸出信號(hào),觀(guān)察信號(hào)是否安裝在光電開(kāi)關(guān)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

測(cè)試判斷車(chē)頭的定位準(zhǔn)確性。測(cè)試將光電開(kāi)關(guān)放置在測(cè)量光幕第200個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)上,統(tǒng)計(jì)車(chē)頭經(jīng)過(guò)光電開(kāi)關(guān)時(shí)測(cè)量光幕輸出信號(hào)點(diǎn)的位置,并將2點(diǎn)位置相減以得到車(chē)頭定位絕對(duì)誤差。車(chē)頭定位絕對(duì)誤差如表3所示。

表3 車(chē)頭定位絕對(duì)誤差Tab.3 Absolute errors of head positioning

由表3可知,以±6 cm為判斷標(biāo)準(zhǔn),車(chē)頭定位準(zhǔn)確率為99.59%,趨近100%。同理,測(cè)試再統(tǒng)計(jì)車(chē)尾定位的準(zhǔn)確性。車(chē)尾定位絕對(duì)誤差如表4所示。

表4 車(chē)尾定位絕對(duì)誤差Tab.4 Absolute errors of end positioning

由表4基本得到同樣的結(jié)論,車(chē)尾定位準(zhǔn)確率為99.38%。更換其他參照點(diǎn),并經(jīng)過(guò)多輪測(cè)試,定位準(zhǔn)確率均在99%以上。因此可以確定利用信標(biāo)系統(tǒng)作為車(chē)廂定位的方案可行。

1.4 數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化處理

1.4.1 數(shù)據(jù)色階分析

通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試可知,本文假設(shè)方案在理論上具備應(yīng)用條件,但實(shí)際工況下的穩(wěn)定性仍有待提高。為保證工業(yè)化應(yīng)用,本文對(duì)測(cè)量光幕輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并分析數(shù)據(jù)規(guī)律。本文收集現(xiàn)場(chǎng)裝車(chē)時(shí)的坐標(biāo)原始數(shù)據(jù)錄入Excel中。每組采樣數(shù)據(jù)為1行。采集的多組連續(xù)數(shù)據(jù)呈多行排列。每組數(shù)據(jù)包含400個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的狀態(tài)。不同信號(hào)狀態(tài)用數(shù)字1和0區(qū)分:1代表車(chē)廂;0代表車(chē)廂連接處的空隙。本文利用Excel色階工具進(jìn)行填色處理。

空白顏色表示1,即車(chē)廂;填色部分表示0,即車(chē)廂連接處的空隙。

原始定位數(shù)據(jù)色階分布效果如圖2所示。

圖2 原始定位數(shù)據(jù)色階分布效果Fig.2 Color gradient distribution effect of original positioning data

由圖2可知,車(chē)廂在裝車(chē)過(guò)程中位移與時(shí)間呈近似線(xiàn)性關(guān)系,但并不是絕對(duì)勻速。其在定位方面存在如下問(wèn)題。

①在大片空白區(qū)域內(nèi)有一些色點(diǎn),表示局部不同區(qū)段間的檢測(cè)元件發(fā)生了信號(hào)串?dāng)_。

②填色區(qū)域內(nèi)有少量空白點(diǎn)出現(xiàn),表示車(chē)廂連接處可能存在一定的干擾源,比如爬梯、手剎輪鏈條、掉落的煤塊甚至是飛動(dòng)的昆蟲(chóng)(由于安裝位置較高,可以排除人為因素)。

③不同區(qū)段的同步性不佳,各區(qū)段之間可能存在不同程度錯(cuò)位。

④有局部縱列出現(xiàn)空白,表示存在信號(hào)丟失的問(wèn)題。

1.4.2 數(shù)據(jù)優(yōu)化處理

基于上述問(wèn)題,本文進(jìn)行了數(shù)據(jù)優(yōu)化處理,主要包括如下內(nèi)容。

(1)開(kāi)發(fā)規(guī)避干擾源的數(shù)據(jù)處理算法。

①通過(guò)區(qū)域分塊識(shí)別車(chē)箱體和車(chē)廂間隙。2個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)的各自獨(dú)立處理。箱體部分作去空計(jì)算。間隙部分作去噪計(jì)算。

②對(duì)干擾點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記,根據(jù)干擾點(diǎn)長(zhǎng)度、連續(xù)性、位置特性等因素進(jìn)行清洗合并,將單獨(dú)干擾源轉(zhuǎn)換為集中干擾源。

③對(duì)集中干擾源進(jìn)行二次識(shí)別。根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,可將干擾源進(jìn)行合并或刪除,從而成功地規(guī)避所有干擾源。

(2)利用分布存儲(chǔ)、集中調(diào)取方式,改善同步問(wèn)題。采集每幀數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)避干擾計(jì)算,輸出初步定位結(jié)果。再集中調(diào)取20幀定位結(jié)果作平滑計(jì)算,基于客觀(guān)規(guī)律和數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)作二次優(yōu)化,去除可信度低的數(shù)據(jù),得到最終的定位結(jié)果。

(3)提高采樣頻率,采用自主開(kāi)發(fā)的通信引擎實(shí)現(xiàn)通信性能在每個(gè)循環(huán)50 ms以?xún)?nèi)。因增加了基礎(chǔ)運(yùn)算的數(shù)據(jù)量,計(jì)算結(jié)果更具可信度。

(4)設(shè)置主動(dòng)和被動(dòng)雙向數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)路徑,增加心跳檢驗(yàn)、斷點(diǎn)檢查功能。當(dāng)出現(xiàn)斷點(diǎn)時(shí)自動(dòng)重連,以解決信號(hào)不連續(xù)的問(wèn)題。

原始數(shù)據(jù)優(yōu)化后,再次利用Excel色階工具進(jìn)行填色。優(yōu)化后定位數(shù)據(jù)色階分布效果如圖3所示。

由圖3可知,車(chē)廂位置清晰,大部分異常數(shù)據(jù)得以規(guī)避。優(yōu)化后定位數(shù)據(jù)具備較強(qiáng)的抗干擾能力,能夠?yàn)檠b車(chē)控制模型提供準(zhǔn)確、真實(shí)的車(chē)輛定位數(shù)據(jù),具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施條件。

2 研究結(jié)果

①工業(yè)化設(shè)計(jì)。

為滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求,考慮安全、穩(wěn)定、易清潔、易維護(hù)等特點(diǎn),本文對(duì)定位裝置進(jìn)行了工業(yè)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容為:制作Q235可拆卸式金屬分體護(hù)罩;內(nèi)部設(shè)計(jì)光幕安裝調(diào)整支架及布線(xiàn)線(xiàn)槽;透光部分采用鋼化玻璃,玻璃透光率滿(mǎn)足90%以上;拼接處采用多螺栓連接,整體密封,防塵防水,表面可直接清水沖洗。

②報(bào)警設(shè)計(jì)。

定位系統(tǒng)本身應(yīng)具備診斷與報(bào)警功能。一方面,系統(tǒng)檢測(cè)硬件的工作狀態(tài),采用數(shù)字量輸入模塊接入測(cè)量光幕的報(bào)警信號(hào)。當(dāng)硬件出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)出報(bào)警,提示系統(tǒng)進(jìn)行檢查。另一方面,系統(tǒng)在定位計(jì)算結(jié)果上作報(bào)警判定。受供煤速度影響,車(chē)輛連續(xù)低速運(yùn)動(dòng)。定位結(jié)果應(yīng)保持一致。如果定位結(jié)果表現(xiàn)為車(chē)輛跳躍、瞬移、車(chē)廂丟失等現(xiàn)象,則視為結(jié)果異常,系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警。

③備份設(shè)計(jì)。

作為獨(dú)立系統(tǒng),為避免硬件故障影響生產(chǎn),系統(tǒng)采用硬件整套熱備方式,即2套同樣的測(cè)量光幕裝置一高一低并排安裝,同時(shí)帶電工作。正常情況下,系統(tǒng)采用1組信號(hào)進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)立刻自動(dòng)切換到備用硬件繼續(xù)工作,以保證系統(tǒng)的安全、可靠。

上述研究最終形成了科學(xué)、精準(zhǔn)、穩(wěn)定的定位系統(tǒng),結(jié)合其他技術(shù)研發(fā)以達(dá)到智能裝車(chē)等綜合性改造目標(biāo)。

3 結(jié)論

本文對(duì)新疆某選煤廠(chǎng)智能裝車(chē)定位系統(tǒng)進(jìn)行研究,根據(jù)車(chē)廂長(zhǎng)度及鐵路規(guī)范要求確定測(cè)量光幕總長(zhǎng)度及相應(yīng)參數(shù)。本文主要對(duì)測(cè)量光幕定位的準(zhǔn)確性進(jìn)行細(xì)致分析:分別以車(chē)頭和車(chē)尾為參考測(cè)量車(chē)長(zhǎng),并計(jì)算其與實(shí)際車(chē)長(zhǎng)的誤差;計(jì)算相應(yīng)誤差區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的比例,車(chē)長(zhǎng)計(jì)算誤差在±6 cm之內(nèi)的占比為97.19%、車(chē)廂長(zhǎng)度誤差在±6 cm之內(nèi)的占比為94.24%,滿(mǎn)足智能裝車(chē)定位的使用要求;對(duì)測(cè)量光幕單點(diǎn)準(zhǔn)確性采用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行對(duì)比,分別以車(chē)頭和車(chē)尾為參考點(diǎn),誤差±6 cm以?xún)?nèi)準(zhǔn)確率分別為99.59%和99.38%,同樣滿(mǎn)足智能裝車(chē)要求;對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪及連續(xù)性?xún)?yōu)化,增加測(cè)量光幕的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性,以形成滿(mǎn)足智能裝車(chē)系統(tǒng)要求的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品。

智能裝車(chē)定位系統(tǒng)表現(xiàn)出鮮明的智能化特性。其安全穩(wěn)定、效率突出,且管理成本較低。該系統(tǒng)還可進(jìn)一步拓展,為其他類(lèi)似應(yīng)用場(chǎng)景提供借鑒。同時(shí),該系統(tǒng)可與相關(guān)系統(tǒng)集成,加入整體智能化建設(shè)體系中,以實(shí)現(xiàn)企業(yè)技術(shù)與管理水平提升。