煤炭自动发运系统防作弊技术研究

张元刚，刘 坤，白 猛，彭继国

（兖矿集团有限公司 信息化中心，济宁 273500）

煤炭行业在我国经济发展具有不可替代的地位，随着经济的发展，对于煤炭的需求量也持续增加[1]。煤炭运销管理是煤炭行业中的重要一环。煤炭运销的运营在我国煤炭发运中存在流程繁琐、效率低下、缺乏有效的管理和车辆引导策略等问题，导致经常出现堵车、煤炭丢失、品种错装的问题。行业内各级煤炭企业均加大了对信息化发展与建设的投入，尤其是在硬件设备的设计实现和软件系统的维护与升级方面，都大大增加了投入[2]。

煤炭的智能发运涉及多方面的技术问题，同时由于管理规模较大，各部门之间不能进行有效沟通，容易造成经济损失。故在此通过智能发运关键技术的研究与实现，提出了有效的煤炭发运智能调度策略，设计实现了新型的煤炭发运系统，运用防作弊技术重点设计了防作弊报警硬件设备，极大地缓解了煤炭厂区车辆乱行无序的现状。

1 煤炭发运系统的流程及总体设计

1.1 煤炭发运流程研究

由于现有煤炭发运流程多为人工操作，设备落后，程序繁琐，耗时费力，并且多出现由于人员疏忽引起的偷料、装错料的情况[3-5]。通过将IC卡管理、射频识别、红外光栅防作弊报警等技术应用到煤炭发运系统中，现有的原材料车辆的运输流程具体如图1所示。

图1 煤炭原材料车辆运输流程Fig.1 Flow chart of coal raw material vehicle transportation

煤炭厂采购部门制定采购计划，并向相关单位购买，签订采购合同；原材料厂家或者运输单位司机凭借供货单，办理进厂手续，提供车牌号、产品名称和供货厂家；汽车衡称一次重，记录车辆毛重信息；到指定卸料点卸料，如果货物是石灰石则需由卸料点工作人员验收，验收合格后车辆到汽车衡做二次称重；汽车衡称二次重后记录车辆皮重信息，如果供货单上有供方净重时，检斤人员应手动输入供方净重，以供方净重为准，打印检斤单。车辆准备出厂，门卫管理人员核对车辆检斤信息后，允许车辆出厂。

1.2 煤炭发运系统的设计

针对现有煤炭发运工艺流程存在的问题，将计算机控制、卡管理、防作弊等技术应用于煤炭发运系统中，并设计了煤炭发运系统的总体结构（如图2所示）。

图2 煤炭发运系统总体结构Fig.2 Overall structure of coal transportation system

智能发运系统主要实现煤炭的调运管理部分的功能。整个系统实现的需求是保证用户先进行系统登录[6]，在经过用户名和密码验证后，用户正常使用系统功能；在业务处理过程中，促成煤炭车辆发运计划，汇总车辆计划，并制成发货记录表[7]。在此，以煤炭发运过程中的检斤管理为研究重点，尤其涉及到防作弊技术。

与防作弊技术相关的无线射频识别RFID（radio frequency identification）电子标签，又称射频识别技术[8-9]，将该技术应用于运送煤炭车车辆的身份认证中，为每辆煤炭车辆发放不同的电子标签。该标签具有唯一的卡号[10]，可节省人力成本且更加安全可靠。

主动的防作弊技术使汽车衡检斤人员的工作从现场转移到了调度室。为避免车辆不完全停放到汽车衡上来进行称重作弊的行为，在汽车衡称重上应用红外对射技术，可以很好地解决这一问题。

红外对射即主动红外入侵探测器，基本的构造包括发射端、接收端、光束强度指示灯、光学透镜等[11]。其侦测原理是利用经红外光发射二极管发射红外脉冲射束，再经光学镜面做聚焦处理使红外脉冲射束传至很远距离，由受光器接收。当红外脉冲射束被遮挡中断时，受光器接收不到信号而发出警报。在汽车衡的两端安装红外对射装置，当车辆没有完全停放在汽车衡上时，车身会挡住红外脉冲光束，系统发出报警并阻止其称重，这样从根本上避免了车辆称重作弊的行为。

1.3 煤炭发运系统调度策略

煤炭发运过程中，使用汽车衡对车辆称重是关键环节。车辆对汽车衡的分配不当容易引发堵车、汽车衡分配不均、车辆交错上衡等情况，引发车辆拥堵[12]。根据对汽车衡分配的策略不同可以分为平均汽车衡调度策略和计划汽车衡调度策略，可最大程度地利用汽车衡资源，尽可能地避免堵车和汽车衡分配不均的现象出现。以下分别对2种策略及其实施步骤加以说明：

策略Ⅰ 平均汽车衡调度策略

平均汽车衡调度策略是把进厂车辆平均到各个汽车衡，即进厂车辆进入每一汽车衡的机会均等，可以有效地利用汽车衡资源，提高检斤效率。操作步骤如下：

步骤1 选择当前空闲汽车衡，等待二次称重的车辆数Wi最小的汽车衡i为

式中：A为汽车数量；Wi为汽车衡i上等待二次重检斤车辆总数。

步骤2 汽车衡i空闲，并且车辆估计值G小于该汽车衡i上限Li，即：

式中：Qi为i号汽车衡状态；Li为汽车衡i量程上限；G为车辆重量估计值；B为逻辑判断值。B=1，表示汽车衡i可用，将进厂车辆分配到最优汽车衡i上；B=0，表示汽车衡不可用，将跳到步骤1。

当有进厂车辆请求一次称重时，应先通过步骤1计算出最优汽车衡i。然后，通过步骤2判断汽车衡是否空闲可用，如果汽车衡空闲可用，则将进厂车辆分配到最优汽车衡i上；如果汽车衡不可用，则跳到步骤1，在剩余汽车衡中重新计算出最优汽车衡，重复以上操作，直至获得最优可用汽车衡。

策略Ⅱ 计划汽车衡调度策略

计划汽车衡调度策略是根据车辆进厂车道，为车辆分配最方便快捷的汽车衡。具体操作流程如下：

步骤1 首先判断进厂车道k对应的汽车衡是否空闲并且可用，即

式中：Qi为i号汽车衡状态；Li为汽车衡i量程上限；G为车辆重量估计值；C为逻辑判断值，取C=0，1。C=1时i=k，即k号汽车衡可用，将车辆分配到k号汽车衡；C=0时i≠k，即k号汽车衡不能用，则令i=k+1，跳转到步骤2。

步骤2 当步骤1中C=0时，选择i=k+1，判断i是否属于可用汽车衡范围，是则判断汽车衡是否空闲并可用，即

式中：Qi为i号汽车衡状态；Li为汽车衡i量程上限；G为车辆重量估计值；D为逻辑判断值，取D=0，1。D=1时i=k+1，即k+1号汽车衡可用，将车辆分配到k+1号汽车衡；D=0时i≠k+1，即k+1号汽车衡不能用，则令i=k-1，跳转到步骤3。

步骤3 当步骤1中C=0时选择i=k-1，判断i是否属于可用汽车衡范围，是则判断汽车衡是否空闲并可用，即

式中：Qi为i号汽车衡状态；Li为汽车衡i量程上限；G为车辆重量估计值；E为逻辑判断值，取E=0，1。E=1时i=k-1，即k-1号汽车衡可用，将车辆分配到k-1号汽车衡；E=0时i≠k-1，即k-1号汽车衡不能用，则令i=k+2，重复步骤2和步骤3，直至选择到合适的汽车衡。

2 煤炭发运系统的防作弊报警硬件设计

煤炭发运系统的关键部分就是防作弊技术。报警硬件装置，在此主要用于保证运送煤炭的车整体放置在汽车衡上进行称重。防作弊的红外光栅形成一面电子墙，可以保证全部覆盖车身。系统对电子信号进行采集，防止车身停放不符合规则。所采用的红外设备是广州艾礼富的ABE-50型，如图3所示。ABE-50保证了50 m以内的完全探测距离，拥有领先的主动型红外探测技术[13]、一体化的设计结构，其优良的抗光学干扰特性使得测量更为精准，快速的感应速度可以大大节省感应测量时间。

安装有红外设备的现场如图4所示。数据的采集卡采用凌华的PCI-6432采集卡，通过电路板上的40芯IDC头连接外场信号，共地的连接方式保证板卡的安全性，采用芯片LS245，连接到计算机中，从而读取采集卡上的内容。该板卡具有较宽的输入电压，抗干扰性强[14-15]。

图3 红外设备Fig.3 Infrared equipment

图4 安装现场Fig.4 Installation site

PCI-6432的软件包含PCI-6432驱动程序、动态连接库。先进行驱动安装，将PCI-6432硬件插入计算机的某一PCI插槽中，启动计算机进入Windows系统，自动寻找到新硬件；根据硬件安装向导，搜索最新驱动程序 （指定位置/浏览）CDROM盘符：/PCI/pci6432，确定。安装后，如果从（控制面板/系统/设备管理器）中可找到外部设备：PCI接口，则表明硬件驱动安装正确。安装完成后需重启计算机。

红外防作弊报警装置设计原理如图5所示。PCI-6432提供32路物理开关，将采集卡设备插入检斤计算机中的PCI插槽，就可以正常使用。从J3接口引出LS245的接口连接到计算机外面，根据图5所示，对于每个运送煤炭车的汽车衡前后都要安装一组红外对射设备ABE-50，继电器对该设备进行串联，电源电压为5 V。

图5 红外防作弊报警装置设计原理Fig.5 Design schematic of infrared anti-cheating alarm equipment

在车辆行驶过程中，若没有按照规则停放，存在作弊行为，就会遮挡红外对射设备的光，使继电器产生动作，系统根据采集卡的上电信号的变化判断，将检斤过程中止，从而防止检斤过程中的作弊行为。

3 防作弊技术的软件设计与实现

为了保证煤炭发运系统的安全，在使用系统的发运功能之前，需要首先登录煤炭发运系统；使用常规的登录方式，用户需要输入用户名和密码，然后点击登录按钮，这时浏览器向数据服务器发送访问的请求，将用户的用户名与数据库的信息进行比对，接着比较两者的密码。该登录方式需要进行架构中不同层次的多次通信交互，在完成密码验证以后，用户接入到系统管理界面，进一步使用系统的功能。登陆过程的具体描述如图6所示。

图6 工作人员系统登录的实现过程Fig.6 Implementation of staff system login

进入数据存储模块后，结合红外防作弊报警和RFID管理的技术可以实现车辆检斤的功能，并将检斤的结果在软件界面中显示出来。检斤管理程序如图7所示，其主要包括信息的显示、防作弊报警提示、称重过程。

图7 检斤管理软件结构Fig.7 Software structure of catty inspection management

信息显示模块记录了车辆的车牌号以及进出厂的IC卡信息，操作人员可以输入有关车辆的信息，完成信息的录入。其界面操作如图8所示。

图8 煤炭车辆信息录入界面Fig.8 Coal vehicle information input interface

当有进出煤炭厂的运送车辆，首先向进厂车辆发卡；在出发前要收回出厂车辆的IC卡。在此过程中可能会出现丢失IC卡的情况，此时需要操作人员到补卡界面完成补卡操作。IC补卡的操作界面如图9所示。

图9 煤炭车IC补卡管理界面Fig.9 IC card supplement management interface of coal car

与此同时，还会利用RFID技术对进出厂的煤炭车进行识别与跟踪，防止一卡多车的现象发生。通过检测车辆的RFID序号，保证车辆的唯一性，已经领到卡的车辆才能正常发运，每次更换读卡器时，也要进行相应的更换。其操作界面如图10所示。

图10 煤炭车射频卡管理软件界面Fig.10 Coal car RF card management software interface

当对车辆进行称重时，应对车辆进行检测，由防作弊模块检测车辆是否完全停放在汽车衡上。该模块会根据规则完成指定的操作过程，如果没有告警产生，则自动完成称重环节；如果有告警发出，则阻止称重的进行，显示警告界面，并且依据不同煤炭车的情况选择不同的称重界面。当车辆检重过衡后，界面会显示已称重，检斤管理程序完成则车辆信息自动消失。煤炭车防作弊管理软件界面如图11所示。

图11 煤炭车防作弊管理软件界面Fig.11 Coal truck anti-cheating management software interface

为了验证系统设计的合理性，系统完成后进行了模拟试验。试验中，当车辆正常通过汽车衡时，系统显示自动称重界面，界面效果如图12所示。当车辆未完全上磅，企图减少载货质量时，系统发出告警，作弊检测的警告界面如图13所示。由图可见，防作弊系统能够有效地检测到运输人员的偷料行为，提高煤炭运输管理效率，降低运输管理难度。

图12 正常称重界面Fig.12 Normal weighing interface

图13 作弊检测的警告界面Fig.13 Warning interface of cheating detection

4 结语

从煤炭发运系统的实际运行现状开始，分析了发运系统的需求，划分了出合理的模块，重点针对系统中的防作弊关键技术进行研究；采用针对现有煤炭发运流程人工操作繁琐，容易出现管理漏洞的问题，采用物联网技术设计了新型的煤炭发运系统，提出了基于IC卡管理和电子标签识别的车辆双重射频认证技术，有效地避免了发运过程中煤炭偷料现象的发生；采用防作弊预警技术，重点实现对于发运中存在的作弊行为的问题解决，保证煤炭发运的及时、准确、快捷。在后续的研究中，将继续加强功能的细节研究，提高商业化程度，提高人工智能化的方式，与煤炭运输过程中其他流程衔接得更加紧密一些，提高发运的效率。