無人值守半掛汽車煤自動計量及卸車系統(tǒng)應用研究

李瑞平,周 云,王 馳,黃丹青,趙柔君

(國家電投集團重慶合川發(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注。在煤炭的生產(chǎn)、運輸和使用過程中,煤炭計量是一個重要的環(huán)節(jié),直接關系到煤炭的使用效率、經(jīng)濟成本和環(huán)境影響。但是,傳統(tǒng)的汽車煤計量方法存在著一系列問題,如需要人工指引、計量過程復雜低效、容易受到人為因素的影響等。同時,對于一些特殊車型,如17.5 m高欄半掛車型,傳統(tǒng)計量方法面臨無法實施的問題。

為了解決這些問題,設計一套無人值守的半掛汽車煤自動計量及卸車系統(tǒng),引入現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)、計算機視覺和人工智能等新興技術,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的值班人員,完成入場的運煤車輛和物質運輸車輛的自動稱重工作,并使其具備對17.5m高欄半掛及以下車型進行計量和卸車的能力。這套系統(tǒng)可以提高汽車煤計量的精度和效率,減少人力成本,同時也有助于降低燃煤運輸成本、提高能源供應的可靠性和經(jīng)濟效益。

1 設計目標

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

同時,無人值守卸車系統(tǒng)也是本項目的重點研發(fā)內容。該系統(tǒng)旨在讓人員在車輛停靠承載平板后,可以遠程操作平板進行卸載,并控制車輛傾角和煤炭下滑速度。本項目的卸車系統(tǒng)采用智能聯(lián)動無人值守技術,可以對來往車輛進行指引,并在判斷出可以卸車時,自動啟動卸車機,司機可以按照指引出進行卸車操作。

此外,本項目還開發(fā)了一套地磅圖像識別防作弊系統(tǒng),該系統(tǒng)使用圖像識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)將自動發(fā)出預警信號,以幫助管控人員對異常狀況進行處理。這套系統(tǒng)可以有效解決計量中的人為誤差和作弊問題。

2 整體架構設計

無人值守半掛汽車煤自動計量及卸車系統(tǒng)利用局域網(wǎng)將磅房、卸車機、機房及辦公區(qū)域緊密聯(lián)系在一起。磅房前置機負責控制過磅位置的設備和軟件,并將獲取的數(shù)據(jù)實時上傳至服務器;卸車機前置機則負責控制卸車機的相關設備和軟件,同樣將獲取的數(shù)據(jù)上傳至服務器。此外,辦公區(qū)域的電腦可以登錄系統(tǒng),讓工作人員隨時查看相關數(shù)據(jù)或發(fā)送指令,并通過前置機對相關設備進行控制。

無人值守半掛汽車煤自動計量及卸車系統(tǒng)整體架構設計如圖1所示。

圖1 無人值守半掛汽車煤自動計量及卸車系統(tǒng)整體架構設計圖

3 無人值守半掛汽車煤自動計量系統(tǒng)

利用4臺汽車衡實現(xiàn)雙向過磅的無人值守自動計量,在整個過磅過程中,司機只需遵循設備的相應提示進行操作,無須任何工作人員干預。同時,工作人員通過遠程管控平臺,可以進行現(xiàn)場監(jiān)控和協(xié)助,進一步實現(xiàn)汽車過磅的無人值守操作。

3.1 計量流程

無人值守半掛汽車煤自動計量是一種高效、自動化的稱重計量方式,通過系統(tǒng)分配汽車衡、車號識別、汽車上磅、計量和下磅等步驟,實現(xiàn)了無人值守的自動稱重計量。無人值守半掛汽車煤自動計量流程如圖2所示。

圖2 無人值守半掛汽車煤自動計量流程

首先,系統(tǒng)根據(jù)任務需求和可用資源,將汽車衡分配給相應的司機,并將分配結果提前發(fā)送給司機。司機根據(jù)路標指引到達任務磅,路標可以包括指示牌、地圖等。

其次,系統(tǒng)通過車號識別技術對車輛進行識別。如果車輛未被識別到,道閘不會打開,語音提示和紅綠燈會指引司機重新識別車號。當車輛被識別通過后,道閘打開,語音提示和紅綠燈指引司機上磅。

再次,汽車上磅后,系統(tǒng)會自動進行稱重計量。如果車輛未滿足稱重要求,語音提示會告知司機需要重新上磅。計量完成后,有語音提示,LED顯示屏和紅綠燈會指引司機下磅。

最后,司機根據(jù)語音提示和紅綠燈的指引下磅,整個稱重計量流程結束。

這種方式提高了工作效率和準確性,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 設備應用

無人值守半掛汽車煤自動計量系統(tǒng)涉及的相關設備包括汽車衡秤體、稱重傳感器、智能稱重顯示儀表、智能車牌號抓拍攝像機、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、打印機、監(jiān)控攝像裝置及監(jiān)控主機。這些設備在系統(tǒng)中各自扮演著重要的角色,共同完成了汽車煤計量的無人值守任務。無人值守半掛汽車煤自動計量系統(tǒng)組成示意圖如圖3所示。

圖3 無人值守半掛汽車煤自動計量系統(tǒng)組成示意圖

汽車衡秤體是進行稱重的核心設備,當車輛停在秤體上時,它會感應并記錄下車重。稱重傳感器則將秤體的讀數(shù)轉化為電信號,傳輸給智能稱重顯示儀表。顯示儀表實時顯示車重,并將數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)。

智能車牌號抓拍攝像機則用于拍攝并識別車輛的車牌號,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)則用于指示車輛進出和揭示操作。紅外對射設備用于檢測車輛的進出,與控制系統(tǒng)配合完成自動化計量。智能道閘和LED顯示屏則用于指示車輛進出和揭示操作。

工控機是整個系統(tǒng)的中樞,它接收并處理所有的數(shù)據(jù),然后通過打印機將其打印出來。監(jiān)控攝像裝置則用于監(jiān)控秤體的使用情況和車輛的進出情況。監(jiān)控主機則接收并處理所有的監(jiān)控數(shù)據(jù),保障系統(tǒng)的正常運行。

通過這些設備的協(xié)同工作,無人值守汽車煤計量系統(tǒng)可以高效、準確地完成自動化計量,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計量系統(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劃,提前分配稱重汽車衡,以減少廠內擁堵并提高整體效率。

2)能夠進行車輛位置檢測,并具備防人為干預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備發(fā)生故障情況下,可實現(xiàn)手動操作功能,以確保稱重系統(tǒng)的正常運行。

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

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

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

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

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

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

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)識別到該車輛后通知監(jiān)控中心進行重點監(jiān)控。

11)具備車位自動識別功能,當車未停在限定磅位區(qū)域時,系統(tǒng)會自動進行語音提示。若延時后仍未停到位,系統(tǒng)會自動進行后續(xù)程序閉鎖并報警。

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行后續(xù)程序閉鎖并報警。

13)在稱重完成后,系統(tǒng)會給出卸煤地點,即具有指引功能。

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

3.4 系統(tǒng)特點

無人值守半掛汽車煤自動計量系統(tǒng)具有以下4個方面的特點。

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

2)自動化。系統(tǒng)可以實現(xiàn)全自動化操作,包括雙向上磅識別、語音和視覺指引、車輛防作弊、停車位置檢測、智能磅單打印、超時報警及異常報警等功能,大大減少了人工干預和操作時間。

3)報表與統(tǒng)計分析。系統(tǒng)可以自動生成每日、每周、每月的稱重報表,并形成統(tǒng)計分析圖表,方便電廠管理人員隨時查看和分析車輛過衡數(shù)據(jù)后,做出相應的決策和調整。

4)全流程管控。系統(tǒng)可以與卸車機進行聯(lián)動,實現(xiàn)載重車輛在廠內的全流程管控,從進廠到稱重,再到卸貨等環(huán)節(jié),都可以通過系統(tǒng)進行智能化的調度和控制。

4 汽車自動卸車系統(tǒng)

4.1 數(shù)據(jù)聯(lián)動

載重汽車到達汽車衡計重后,系統(tǒng)將自動進行卸車排隊,并語音提示司機前往卸車機進行卸車,卸車機將自動識別需卸車車輛,若是當前任務車輛,載重汽車可在卸車機進行卸車,整個過程基于數(shù)據(jù)聯(lián)動,保證整個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入(或反向倒上)翻板平臺,汽車就位后擋輪器完全升起擋住汽車后輪,翻板平臺升到要求角度進行卸車,翻板平臺落下復位,汽車開下翻板平臺,完成卸料。整個工作過程如圖4所示。

圖4 卸車流程

4.3 系統(tǒng)特點

汽車自動卸車系統(tǒng)具有以下特點。

1)翻板平臺采用計算機輔助設計和有限元分析的方法進行一體化設計,使其具有整體耐用、安全和美觀的特點。

2)液壓控制系統(tǒng)結合了國內外先進的液壓控制技術,并采用了國內外知名品牌的元器件,確保系統(tǒng)具備環(huán)境適應性強、壽命長、運行穩(wěn)定性好、安全可靠,且易于維護等特點。

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

5 地磅圖像識別防作弊系統(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。實現(xiàn)了無人值守后,磅房處于無人狀態(tài),每個地磅處均設有監(jiān)控,管控人員可以查看是否有作弊行為,但管控人員不會實時盯著地磅位置,故利用圖像識別方式智能監(jiān)控地磅位置是否有作弊行為發(fā)生,是一項非常有必要的關鍵措施。

所有地磅處均全方位覆蓋視頻監(jiān)控,且視頻圖像實時上傳至圖像識別服務器,智能監(jiān)控車輛行為及可疑人員行為,判定后將自動產(chǎn)生預警,并交由管控人員進行審核處理。

5.2 核心算法

地磅圖像識別防作弊系統(tǒng)采用了對象檢測算法YOLO,實現(xiàn)了地磅計量的實時對象檢測。選擇YOLO算法的原因是其高效性,因為檢測問題是一個回歸問題,無需復雜的處理流程。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)能夠實時處理視頻流,并有小于25 ms的延遲。同時,YOLO算法的精度也使該系統(tǒng)優(yōu)于以前的實時系統(tǒng),高達兩倍以上。更重要的是,YOLO算法遵循了“端到端深度學習”的原則[5]。

由于本系統(tǒng)針對的是卡車、人等較大目標的監(jiān)測,通過對各個版本對比分析后,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用廣泛,成熟度高。

5.3 目標檢測實現(xiàn)流程

目標檢測實現(xiàn)流程包括接入視頻、提取重點圖片、圖片分類、圖片增廣、數(shù)字標注、模型訓練和行為識別等步驟,如圖5所示。這些步驟可以實現(xiàn)對視頻中的目標進行自動化識別和定位,并利用豐富的數(shù)據(jù)訓練模型,最終實現(xiàn)行為識別。

圖5 目標檢測實現(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行增廣處理,通過壓縮、旋轉、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行數(shù)字標注,明確目標的位置和類別。最后將標注好的圖片集合為數(shù)據(jù)集訓練模型,以便對新的圖片進行目標檢測和行為識別。這個流程可以提高模型的泛化能力和準確性,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算法完成了地磅計量過程圖像識別防作弊,針對司機違規(guī)下車、外來人員進入磅房區(qū)域、磅房區(qū)域人員下蹲或對磅秤進行破壞等行為會進行預警,從而最大程度上杜絕計量作弊行為。

6 結語

經(jīng)過使用無人值守半掛汽車煤自動計量及卸車系統(tǒng),某發(fā)電公司實現(xiàn)了以下優(yōu)化:提前根據(jù)過磅車輛車型及物資進行自動分配衡器,實現(xiàn)了重車輕車計量無人值守,成了西南地區(qū)首家應用卸車機的煤炭發(fā)電公司,減少了廠內車輛排隊擁堵,全流程監(jiān)控及運用圖像識別技術杜絕了作弊的可能。

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