基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統研究

武 徽

(天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013)

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★ 煤炭科技·機電與信息化 ★

基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統研究

武 徽

(天地科技股份有限公司，北京市朝陽區，100013)

針對工業4.0模式下煤炭產品公路運輸需要通用且唯一的信息化標簽的問題，提出了基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統，介紹了該系統的架構設計和系統設計，詳細闡述了車牌識別技術與裝車站的融合、基于車牌識別技術的裝車自控原理以及車牌識別技術在煤炭裝車中的使用與優化。實際應用表明，基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統實現了汽車裝車過程的自動化和信息化控制，降低了汽車裝運過程的裝車成本，提高了用戶的利潤空間。

煤炭裝車 車牌識別 汽車運輸 自動化系統

1 煤礦汽車快速定量裝車系統架構設計

工業4.0模式下強調信息化與工業化的高度融合，煤礦汽車快速定量裝車站不再是單一完成生產任務的執行機構，它需要與企業的運營層和工廠管理層緊密結合起來。產品的銷售、分銷甚至是運輸管理都由企業運營層完成后，將銷售信息交由工廠管理層進行處理，并形成裝車生產任務下發至快速定量裝車站。實際裝車信息再經由工廠管理層進行匯總統計上交到企業運營層，成為合同結算憑據。煤礦快速定量裝車系統數據讀寫框架如圖1所示。

由圖1可以看出，企業運營層不僅要進行銷售管理，同時也要進行運輸管理，并要把合同所涉及的包括銷售量、銷售時間、車牌、車輛標載和銷售煤種等裝車信息下發至工廠管理層。工廠管理層接收到信息后，根據信息的銷售煤種、總銷售量以及銷售時間對煤礦汽車快速定量裝車站下派生產任務。裝車站開始準備，待裝車輛開至后可立即開始裝車。待裝車輛通過信息化管理無需再經過發卡或者票據的過程，直接開至指定裝車站點。裝車站裝車需要根據車輛信息進行配料和卸料。當待裝車輛開至裝車站前經過地感線圈時，觸發車號識別且攝像頭進行拍照，系統對拍照結果進行分析，提取車輛號牌。掃描成功后可通過一側的LED屏看到本車相關信息確認數據。車輛號牌信息與工廠管理層中的數據進行比對，找到相關裝車信息，提取并發送至裝車站PLC中，為裝車過程提供數據支撐，完成裝車過程。在前一輛車定量倉關閉并開始平煤的過程中，就開始為后一輛車開啟配料過程，將單次裝車的時間減少至最少。這樣的過程循環重復，形成連續裝車過程?；谲嚺谱R別技術的煤礦汽車快速定量裝車過程示意圖如圖2所示。

在裝車數據層面上，裝車前的數據由企業運營層通過工廠管理層下發形成，并通過車牌識別技術提取并交由裝車系統。裝車站完成裝車過程后，形成裝車數據，并將裝車信息反饋至工廠管理層進行裝車生產的信息統計匯總。在其他裝車節點，例如車輛離場時，也可使用車牌識別技術確認車輛所在的場區位置，并提取數據庫中車輛對應的裝車信息使用查驗。裝車信息提取與儲存過程示意圖如圖3所示。

2 煤礦汽車快速定量裝車系統設計

快速定量裝車的目的是將物料在保證精度的前提下按照裝車需求量以最快的速度稱量并投放至車廂。在自動化模式下裝車效率大大提升的同時，煤礦快速定量裝車系統對自身內部的結構進行了重新定義，除去結構主體外主要包括三大部分，分別為信息管理層、智能控制層和設備執行層，煤礦汽車快速定量裝車系統設計如圖4所示。

2.1 信息管理層

信息管理層主要由車牌識別系統、裝車數據系統以及相應的數據網絡構成，主要完成車輛智能調度、車輛信息采集、車輛定位以及裝車數據信息管理等內容。由于裝車站前等待裝車的車輛較多，所屬客戶和物流公司不盡相同，所裝物料品種也存在差異，因此需要對車輛信息和車輛車牌進行采集和識別，根據采集的數據與數據庫中的數據進行比對，從而實現車輛的定位和車輛的管理調度工作，同時把必要的信息下發至智能控制層。

2.2 智能控制層

智能控制層主要包含PLC可編程序控制器為核心的電控系統、稱重系統以及配套的軟件系統等。隨著技術的不斷發展，工業以太網得到廣泛使用，稱重系統通過裝車站內部的工業以太網與PLC系統相連，為PLC系統控制設備提供依據。 PLC系統按工藝需求進行邏輯設備的控制，并將需要采集記錄的數據上交至工控機中的控制軟件系統, 控制軟件系統可形成HMI界面用以監視和控制設備，同時控制軟件還與信息管理層中的數據系統進行信息交互。

圖4 煤礦汽車快速定量裝車系統設計

2.3 設備執行層

設備執行層包含液壓設備、配料和卸料設備以及配套輔助設備等一系列需要在生產中完成動作和工藝流程的裝置，其主要由智能控制層通過控制電機啟停和電磁閥動作實現目標。煤礦汽車裝車系統以液動控制為主，液壓站一般采用雙泵雙電機,設有熱油循環管路和液壓油冷卻管路,液壓系統實現全天候運行，主要作為以驅動配料閘門卸料閘門的動作，標定砝碼的提升和平煤設備的動力；配料和卸料設備主要由緩沖倉及其配料閘門、定量倉及其卸料閘門以及平料裝置組成；配套輔助設備包括三級采樣設備、抑塵除塵設備以及自動潤滑設備等。

2.4 裝車工藝流程

待裝汽車到達裝車站后，車牌識別系統確認車輛位置并調取車輛信息，智能控制層從信息管理層獲取信息后開始驅動設備執行層。首先緩沖倉下多個平板配料閘門開啟，物料被配放至定量倉中。定量倉是由四周的稱重傳感器進行支撐，當物料進入定量倉后稱重系統實時稱量。當接近預定重量時，緩沖倉下的配料閘門逐個關閉，待定量倉內物料穩定后實施靜態精確稱重。車輛到達裝車站正下方并對位，定量倉下的裝車閘門開啟，物料通過定量倉下的溜槽將物料裝入車廂，均勻分布在車廂內。裝車完成后，關閉定量倉閘門。智能控制層獲得裝車數據后再交回信息管理層。接著系統讀取后一輛車信息，緩沖倉下平板閘門打開為下一輛車配料。配料、稱重、計量循環作業，形成連續裝車過程。配備平煤器的快速定量裝車系統示意圖如圖5所示。

圖5 配備平煤器的快速定量裝車系統示意圖

3 車牌識別技術與裝車站的融合

如前文所述，車牌識別技術作為裝車站信息管理層與智能控制層銜接的承上啟下部分，需要與裝車系統實現無縫融合。

3.1 車牌識別攝像頭的選型

車牌識別攝像頭是整個設備識別系統的核心組成部分，必須針對汽車裝車的特點對攝像頭進行選取。車牌識別攝像頭跟組裝車特點應具備以下特征：

(1)采用百萬像素高清識別技術，圖片清晰可以提升車牌識別率，視野寬廣，可控車道寬度大，車輛駛入的可接受性角度大。

(2)配備自適應補光燈，對拍照亮度自適應，可對車牌區域進行焦點連動的自動曝光，獲得最佳曝光效果。

(3)受裝車環境制約，車牌表面和攝像軸線無法做到垂直，車牌發生畸變會對識別造成影響。因此，攝像頭最大傾斜角度應達到25°，安全角度達到15°，能夠有效利用畸變校準算法、神經網絡或特征識別對上述問題進行修正。

(4)需具備視頻監控及車牌識別同時在線功能，同時實現裝車過程的監視工作。

(5)防護等級達到IP66以上，攝像頭鏡頭具有加厚防砸玻璃，防止濺落煤塊砸壞。

(6)設備全網絡化，采用TCP/IP網絡方式信息傳輸，與裝車站網絡兼容。

3.2 車牌識別設備的安裝與調試

車牌識別攝像頭應安裝在車輛進入裝車站前道路一側，攝像頭固定高度應在1.6 m左右,通過雙絞線進入裝車站工業以太網通訊網絡。在進入裝車站道路上距離攝像頭離開裝車站方向3.5 m處設置地感線圈，地感線圈與道路平行方向長1 m，與道路垂直方向寬2 m，地感線圈周圍1 m范圍內不能有超過220 V的供電線路。地感線圈與攝像頭觸發端子連接，作為觸發拍攝的依據，安裝完畢后需對攝像頭角度和清晰度進行調整。攝像頭顯示應清晰穩定，車牌顯示應在攝像頭的中心部分，車牌識別設備安裝俯視圖如圖6所示。

圖6 車牌識別設備安裝俯視圖

3.3 車牌識別系統與裝車PLC系統的交互

在礦區使用車牌識別系統經常出現多個車牌識別攝像頭和多個快速定量裝車點的情況，全場區車牌識別設備以TCP/IP協議的形式接入工業以太網，所有車牌識別攝像頭建立統一的服務器，服務器再通過IP地址映射保證車牌識別攝像頭和裝車節點一致。車牌識別系統與裝車系統拓撲結構圖如圖7所示。

圖7 車牌識別系統與裝車系統拓撲結構圖

具體的聯動機制為：車牌識別攝像頭在對車牌進行拍照后將識別結果上傳至車牌識別系統；車牌識別系統根據攝像頭的IP信息確認需要裝車的站點位置，并將識別的信息與數據庫系統進行比對，提取出所需車輛的信息；車牌識別系統將標載至通過DDE或OPC服務器下發至裝車站PLC，待PLC握手反饋數據已獲取后，再下發啟動脈沖至PLC系統； PLC系統開始控制液壓系統進行配料、放料和平料，完成裝車過程，并通過DDE服務器發送完成信號至車牌識別系統；車牌識別系統根據PLC發送的完成信號，開始讀取實際裝車值，并與之前提取的車輛信息進行融合計算，將真實裝車信息回饋至數據庫系統；裝車HMI界面可通過OPC和數據庫系統監視裝車過程以及數據變化情況。車牌識別系統與裝車系統的聯動框架如圖8所示。

圖8 車牌識別系統與裝車系統的聯動框架

4 車牌識別技術在煤炭裝車中的使用與優化

基于車牌識別技術的裝車站將整個裝車流程完全集中在了裝車站生產過程中，減少了發(收)卡(票)的過程，壓縮了整個裝車流程的時間，單節裝車耗時在75 s左右，但是因為在上一節車完成卸料后平煤的過程中，下一節車即可開始車牌掃描和配料過程，因此花費時間有所疊加。連續裝車情況下，綜合單節花費時間在50 s以內，裝車效率大大提高。裝車時間時序圖如圖9所示。

由于煤礦汽車快速定量裝車系統對車牌識別技術依存度較高，因此對車牌識別的準確率和可靠性具有較高的要求。根據現場的實際裝車結果，對車牌識別技術進行了優化和策略上的補充。以92式車牌為例，由于煤炭裝車車輛皆為重載運輸車輛，車牌安裝位置比轎車高，識別攝像頭拍照角度應適當調整；裝車車輛應在裝車站前等候，待前一輛車完成裝車后再駛入裝車站，避免信息的交叉誤讀，同時等待期間可對未識別或識別錯誤的車牌進行重復識別；裝車車輛的管理因為已經錄入企業運營層的系統，可以在一個可控的范圍內對車輛的信息展開搜索，降低檢索出現錯誤的概率；根據現場實際統計，裝載車輛的范圍限制在固定的幾個省份，識別和搜索范圍可進一步縮小，降低識別錯誤的可能性；一般的車牌識別需要對多種背景顏色車牌進行分辨，裝車站的車牌只需加強對黃底黑字的92式車牌進行辨別；現有92式車牌最左端為省(自治區)的縮寫漢字，是識別的高誤區，可將不涉及省份的漢字屏蔽，減小混淆的可能性；因為裝車站建筑本身可以有效遮擋陽光，裝車過程中出現由于太陽強光造成車牌反射無法準確識別的可能性較小，但是夜間裝載車輛車燈的強光和裝車站照明易影響視頻攝像頭的識別，因此夜間使用時車輛須關閉大燈，并在裝車站合理調整照明燈光的角度。

圖9 裝車時間時序圖

為了不影響裝車流程，對裝車過程最低限度可能出現的無法準確識別車牌的情況做了策略性的解決流程，正常車號識別正確后，即可開始裝車，如果無法識別，可在數據庫中尋找最近似車牌作為備選，并交由裝車員進行判斷選擇后進行裝車。若無備選車牌，由于選取的攝像頭可同時進行視頻監視，裝車員可觀察視頻直接從數據庫中選取車牌并實施裝車。車牌識別策略流程圖如圖10所示。

圖10 車牌識別策略流程圖

5 基于車牌識別技術的裝車自控原理

車牌識別系統為煤礦汽車快速定量裝車系統提供了自動化的數據支撐，是裝車流程自動化過程的前提，裝車過程最重要的兩個環節是配料過程和卸料平煤。本系統利用車牌識別系統提供的數據，首先利用閉環配料自控系統實現從緩沖倉到定量倉的配料重量精確度的控制，其次利用機械化裝置實現卸料平煤的高效準確，從而實現整個裝車過程的高質高效和準確快捷?；谲嚺谱R別技術的煤礦汽車快速定量裝車控制過程如圖11所示。

圖11 基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車控制過程

5.1 閉環配料自控系統

煤料的稱量過程就是從緩沖倉向定量倉中連續給料的過程，車牌識別系統提供稱量目標數據后，配料時利用控制多組配料閘門關閉的時機實現對定量倉中煤料重量的控制。為了提高生產效率和稱量精度，配料分為先粗配后精配這兩步，粗配過程煤料出倉流量大，精配過程煤料出倉流量小。粗配負責絕大部分煤料重量的填充，精配負責煤料最后重量精度的控制。在配料稱重時，如果實際稱量值與目標值偏差超過允許范圍，則需要修正閘門關閉參數，保證之后配料的準確度，形成閉環控制的配料過程。配料過程閉環控制框架如圖12所示。

圖12 配料過程閉環控制框架

5.2 機械化自動卸料平煤裝置

卸料之后須經歷煤堆平車過程，因此特殊設計了一種底部輸料的刮板輸送平煤器，平煤器安裝在定量倉卸料口下，可通過絞車控制垂直高度。車輛通過車牌識別確認身份，系統允許卸料。車輛進入裝車點定位后不再移動。根據車牌識別系統提供的車輛特征信息和現場的傳感器檢測，平煤器下移至指定位置，在避免撞擊車廂的同時保證煤料不外溢。稱量好的煤直接放入車廂內形成堆積狀，平煤器刮板馬達開啟，底鏈刮板可雙向移動，通過平推力將堆積的煤堆推至車廂空處，直到汽車車廂中高于平煤器的煤堆全部平完。煤料在刮板的機械動作下堆積平整并壓實，實現一次性完成投放。

6 結語

基于車牌識別技術的煤礦汽車定量裝車系統將裝車信息所需的標簽同裝載車輛統一起來，實現煤炭外運產品的標簽化。在內蒙古自治區烏蘭圖嘎露天煤礦的實際應用過程中，在系統的車牌識別技術不局限在裝車站，還被使用在了各個需要利用車牌作為標簽查詢生產信息的進場、出場的門崗、磅房等環節，整個場區的自動化生產實現高速統一?；谲嚺谱R別技術的煤礦汽車定量裝車系統投入應用以來，各項指標達到設計要求，單系統裝車能力超過 2000 t/h，靜態稱量準確度達0.1%，完整單車裝車流程時間小于300 s(包含進場、出場查驗，裝車耗時和信息核對等)。在整個裝車流程過程中，該系統還可以根據汽車信息調配車輛到匹配的裝車點完成裝車，并在整個過程中實現車輛裝車點選擇不出差錯，同時保證各裝車點數據的獨立和安全，而且各裝車點數據融合至企業運營層中，裝車數據實現統一結算。

基于車牌識別技術的煤礦汽車定量裝車系統降低了汽車裝運過程的裝車成本，提高了用戶的利潤空間(和普通裝車方式相比節省3元/t)，形成了車輛管理、裝車計量、結算統計于一體的高效信息化工業模式，滿足了煤礦公路外運汽車裝運現場的實際要求。經統計，車牌識別技術在裝車站的識別成功率在96%以上，整個裝車流程較使用發(收)卡的模式提高效率20%。車牌識別技術的引入增強了裝車站的自動化和信息化的水平，為工業4.0模式下煤炭產品的生產和信息的跟蹤讀取提供了技術支持和保證。

[1] 武徽．煤炭公路運輸物聯網系統的研究與設計[J]．中國煤炭，2013(3)

[2] 天地科技股份有限公司. 一種汽車裝車站監控系統和方法.中國.ZL201310052938.3[P].2013-2-19

[3] 丁進福.大型煤化企業ERP系統與MES系統集成及應用[J]. 中國高新技術企業, 2014(9)

[4] 閆艷.智能汽車裝車技術研究[J].工礦自動化，2015 (3)

[5] 黃山．車牌識別技術的研究和實現[D]．四川大學，2005

[6] 丁亞軍.92式車牌分類 [J].汽車雜志，2004(7)

[7] 袁華,宮健,尚仕波. 汽車裝車站用主動式布料平車裝置的研制[J]. 煤炭工程，2015(7)

[8] 張雷濤，張新.基于兩化融合的露天煤礦汽車裝運管控系統[A]. 第十屆全國采礦學術會議論文集[C], 2015

(責任編輯 路 強)

Research on truck quickly ration loading system based on vehicle license plate recognition technology in coal mine

Wu Hui

(Tiandi Science & Technology Co., Ltd., Chaoyang, Beijing 100013, China)

Aiming at the problem that the road transportation of coal product needed universal and unique information label under Industrie 4.0 pattern, a truck quickly ration loading system based on vehicle license plate recognition technology was put forward, and its architecture design and system design were introduced, then the authors elaborated in detail the fusion of vehicle license plate recognition technology and loading station, automatic control principle of truck loading and the use condition and optimization of vehicle license plate recognition technology in coal loading. Practical application showed that the system realized automation and information control in process of truck loading, decreased truck loading costs and improved user's profit margin.

coal loading, license plate recognition, vehicle transportation, automation interface

中國煤炭科工集團公司科技創新及基金面上項目(2016MS012)

武徽. 基于車牌識別技術的煤礦汽車快速定量裝車系統研究[J].中國煤炭，2017，43(4)：89-94. Wu Hui . Research on truck quickly ration loading system based on vehicle license plate recognition technology in coal mine[J]. China Coal，2017，43(4)：89-94.

TD562

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武徽(1984-)，男，山西陽泉人，理學碩士，助理研究員，主要從事儲裝自動化系統的開發工作。