煤炭公路运输物联网系统的研究与设计

武 徽

（天地科技股份有限公司，北京市朝阳区，100013）

煤炭公路运输是煤炭运输的重要组成部分，我国的煤炭公路运输发展相对落后，成本偏高，问题频发。目前，煤炭公路运输普遍使用的装车方法还是过磅装煤，即通过运输车辆装煤前后的毛重和皮重之差得到净重。这种装煤方法不仅装车速度慢、效率低，而且无法准确控制装煤量，进而产生超载和污染环境问题。煤炭公路运输体系内各系统间也缺乏横向直接联系，从而导致各部门各自为政，进而形成信息孤岛，运输效率低下。煤炭公路运输过程中道路管理检验方式落后，出现检查过多和收费过频等不合理现象，从而引起收费站、检查站以及运输主干道的车辆拥堵。煤炭公路运输技术的落后、效率的低下以及成本的升高必然促成超载现象，从而导致破坏道路桥梁、影响运输安全、造成环境污染和扰乱运输市场。基于此，设计开发了一套煤炭公路运输物联网系统，该系统可以为煤炭管理部门、煤炭生产运输企业以及公路运输管理部门建立统一的共享数据平台，极大地提高煤炭公路运输的效率。

1 煤炭公路运输物联网系统总体设计

1.1 系统总体结构

煤炭公路运输物联网系统主要由煤炭管理部门、煤炭生产运输企业以及公路运输管理部门三部分组成，三个部分通过统一的共享数据平台进行信息上的共享与交互，并根据自身的需要和特点研发和使用适合自己的软件和系统，煤炭公路运输物联网系统总体结构图如图1所示。

图1 煤炭公路运输物联网系统总体结构图

1.2 系统设计目标

煤炭公路运输物联网系统的设计目标是为一个区域的煤炭管理部门、煤炭生产运输企业以及公路运输管理部门建立统一的共享数据平台，此平台和快速定量装车系统配合使用，并向快速定量装车系统提供装车所需的全部数据，从而使煤炭投放从配煤、装车、平煤、覆膜以及封装的一体化一次性完成，进而提高装车效率、降低装车污染以及确保车辆不超载。同时，快速定量装车系统也向共享数据平台反馈包括车辆信息以及装车信息等数据，这样，车辆在运输过程中，公路运输管理部门通过共享数据平台读取过往运输车辆的数据，为已完成运输注册的车辆提供高通过率，从而避免交通拥堵，降低物流成本。

1.3 系统设计特性

（1）数据统一性。统一的共享数据平台由煤炭管理部门对其管理，从而保证数据的有效性和真实性。公路运输管理部门共享数据平台中的数据并进行车辆管理。

（2）快速定量装车系统。快速定量装车系统能够避免人为因素造成的装车数据变动和数据错误，保证数据的准确性和真实性。

（3）智能化车辆识别系统。智能化车辆识别系统能够提高车辆识别过程的准确率和识别效率，保证车辆通过率。

（4）共享数据平台开放性。共享数据平台能够保证数据在煤炭管理部门、煤炭生产运输企业以及公路运输管理部门信息化应用系统的通用。

2 煤炭公路运输物联网系统的设计与实现

2.1 共享数据平台

从煤炭公路运输物联网系统总体结构图中可以看出，共享数据平台是煤炭公路运输物联网系统的核心组成部分。考虑到系统共享数据的稳定性和通用性，利用.Net架构进行系统的分析和设计，采取具有分布性特点、扩展方便、开发简单、共享性强以及客户端操作简便的B／S访问模式。

煤炭公路运输物联网系统共享数据平台是基于元数据构建的。元数据采用分布存储和集中管理的策略是发现和检索数据的重要工具，但对于煤炭公路运输物联网系统来说，其元数据描述的是一个数据库而非一条记录。鉴于元数据库以及B／S的访问模式，提出了符合煤炭物流运输特点的Web Service解决方案。Web Service是自包含、自描述和模块化的应用，通过Web调用逻辑性地为其他应用程序提供数据与服务。各应用程序可依据网络协议和规定的一些标准数据格式（HTTP，XML，SOAP）访问Web Service。

图2 煤炭公路运输物联网系统数据共享平台架构图

基于Web Service的支持，煤炭公路运输物联网系统构建了包括应用层、中间层和服务源层的多层次共享数据平台构架。在应用层，客户端通过浏览器或者其他应用程序查找到所需要的数据。中间层根据应用层客户端的查询请求查找到所需要的服务，并通过客户端调用服务得到共享数据，最后转换成本客户端设定的数据格式。服务源层提供各种数据信息的Web Service，方便各客户端发现所需服务。煤炭公路运输物联网系统数据共享平台架构图如图2所示。

2.2 煤炭管理部门

煤炭公路运输物联网系统中煤炭管理部门的职责为记录车辆信息并下发到系统的共享数据平台之中，利用共享数据平台即时收集各个煤炭生产运输部门的信息，达到监管煤炭生产运输部门的目的。

在车辆信息下发过程中，煤炭管理部门必须保证数据的完整性和可靠性。完整的车辆信息应该包含煤炭生产运输企业车辆的牌照、车型、不同煤种规定载重额度、司机、所属物流企业、车辆样式以及违章情况等所需信息。在下发信息的同时，煤炭管理部门还应通过煤炭生产运输企业上传到共享数据平台中的信息及时记录和监督运输车辆的装车时间、所装煤种以及送达目的地等信息。

2.3 煤炭生产运输企业

要实现煤炭公路运输物联网系统，煤炭生产运输企业需要生产设备和相关软件程序上的支持。生产设备主要是指运输车辆快速定量装车系统和车辆识别系统，相关软件程序为配合运输车辆快速定量装车系统和车辆识别系统开发的通讯模块。

2.3.1 快速定量装车系统

煤炭公路运输物联网系统装车方式选择运输车辆快速定量装车系统，运输车辆快速定量装车系统与传统的装载机装车和皮带装车相比，技术上的先进性表现在以下3个方面：

（1）快速定量装车系统的专用称重设备根据车辆载重一次全自动定量计量，能够实现车辆装车精确快速称量，不欠装、不超载、不需要反复称重和不造成时间延误；

（2）快速定量装车系统的装载设备能够实现一次入位、一次快速装车和布料平车，无需运输车辆移动和人工平车；

（3）快速定量装车系统装车效率高，40 t型运输车辆入位、计量、装车及平车大约需要时间70 s，装车能力可以达到2000 t／h以上。

2.3.2 车辆识别系统

车辆识别系统可以使运输车辆从入厂到物料投放到出厂全部信息调取自动化完成，无需司机下车提供任何信息。该系统一种是利用RFID射频卡进行车辆识别的射频卡车辆识别系统，这种车辆识别方式的优点是识别率高且识别距离较远（可达10 m），但是前期准备工作繁琐，需要大量的射频卡以及与之匹配的读卡设备，由于煤炭生产运输企业很多已使用自有的射频卡，所以还需考虑不同射频卡的兼容问题。另一种车辆识别系统主要是指利用视频车牌识别系统来完成对车辆的识别。针对煤炭公路运输物联网系统的特点，建议采用第二种车辆识别系统。视频车牌识别系统虽然比射频卡车辆识别系统识别的距离相对较短，需要车辆开到指定区域由视频系统完成对车牌的拍照识别过程，但是视频车牌识别系统对车牌的识别率较高，兼容性也较好，而且无需射频卡及天线的投放，其成本也更经济实惠。

2.3.3 装车

图3为快速定量装车系统和车辆识别系统架构图，利用快速定量装车系统和车辆识别系统两套系统间的通讯模块，快速定量装车系统和车辆识别系统间的数据可以相互传输，其传输步骤如下：

（1）运输车辆达到等待位置后，车辆识别系统的视频头对其车牌进行拍照，并将数据传回车辆识别系统；

图3 快速定量装车系统和车辆识别系统架构图

（2）车辆识别系统对车牌照片进行分析提取，并将车牌数据与在共享数据平台的数据进行比对，最后将共享数据平台上关于此车辆所需信息（如载重）取回；

（3）装车站上位机向车辆识别系统索取车辆相关信息（如载重），并将信息及时发送给PLC主站；

（4）装车站PLC控制系统在车辆进入之前提前完成对车辆的配煤；

（5）待运输车辆进入装车位置之后，装车站PLC控制系统完成对运输车辆的装车过程，并将数据及时传送给装车站上位机；

（6）装车站上位机即时将装车信息回传给共享数据平台。

2.3.4 封装

快速定量装车系统可以完成对车辆的一次快速定量装车，在完成车辆的平煤和覆膜后，还需要完成封装的过程，以保证所运输货物在达到客户之前不会被人为改变。煤炭公路运输物联网系统采用RFID技术对完成装车车辆的封装以及检测过程。RFID技术的封装需要用到标签（Tag）和阅读器（Reader）两个部分。标签由耦合元件组成，被附着在完成装车车辆后部，每个标签按所装吨位和所装煤种生成唯一的电子编码。阅读器是用来读取标签信息的设备，在需要检测车辆的位置设置。在快速定量装车系统完成装车后，标签被附着在运输车辆车斗后部随车辆进入检查区电磁场，而后接收阅读器发出的射频信号。当电磁场处于震荡频率时，标签凭借感应电流所获得的能量发送存储在标签中的运载信息，而后被阅读器读取送至系统处理，最后根据数据情况得到车辆所有信息。如果封装的车辆在运输过程中被人为改动，标签就会受损而无法读出数据，这就意味着车辆不处于封装状态，需要查验信息后重新进行封装才能通过车检关卡。利用RFID技术的封装过程特点是易操作且成本低，在实际系统的建设过程中，还可根据需要选择条形码和二维码等其他封装方式。

2.4 公路运输管理部门

要实现煤炭公路运输物联网系统，公路运输管理部门需要建立视频车辆识别系统和与封装系统配套的检测系统。建立视频车辆识别系统可以帮助公路运输管理部门完成运输车辆的信息识别，识别后与共享数据平台连接调取运输车辆的相关信息，最后确定车辆的装车信息。建立与封装系统配套的检测系统可以帮助公路运输管理部门检测出所测车辆是否处于封装状态。如果两部分都满足要求，公路运输管理部门就可以让所测车辆迅速通过车检站，提高车辆的通关速度。

3 结语

目前，煤炭公路运输物联网系统所涉及的技术大部分已经在实际生产中得到运用。在内蒙古鄂尔多斯市李家塔汽车快速定量装车站以及陕西省宝鸡市郭家河汽车快速定量装车站都实现了快速定量装车且配备了平煤装置，运输车辆信息自动调用和射频卡车辆识别系统的装车系统已经投入正常使用。在这些自有的数据平台上，装车数据统一形成且一次下发保证了装车全过程的高可靠性，极大地提高了生产运输的效率。如果将各个工作站信息统一，完成共享信息平台的设置并配备有封装能力的快速定量装车系统，那么在一个区域范围内、一个市甚至一个省都能够保证对运输车辆的及时监管，不仅提高了管理效率和降低对社会资源的浪费，而且为煤炭公路运输的发展提供了一个低碳和高效的长远回报。

［1］齐玫.智能化汽车快速定量装车与装备研究 ［J］.煤炭科学技术，2008（11）

［2］郭欣，宁建明.全自动智能调度与装车系统的开发［J］.工矿自动化，2012（9）

［3］孙克雷，聂建民，姚子涛等.煤炭公路运输智能调度系统的研究与开发 ［J］.中国煤炭，2008（5）

［4］刘利军.鄂尔多斯矿区煤炭物流网络系统化研究［M］.北京：经济管理出版社，2011

［5］高新华.基于Web Service的公交数据共享平台的设计和实现 ［J］.人民公交，2010（7）

［6］刘建中.煤炭物流信息化管理系统的开发和应用［J］.中国煤炭，2010（2）