车号识别与自动称重数据记录系统的研发设计及应用

2014-03-15白云峰

中国煤炭 2014年1期

白云峰

（神华神东煤炭集团公司，陕西省榆林市，719315）

神华神东煤炭集团每年有2亿多t商品煤通过快速定量装车系统装车计量后出售给全国各地用户。煤炭计量问题和超偏载问题一直是供需双方和运输方争执的焦点问题。目前的计量方式以货车单节标准载重吨位为结算依据，每节车皮的实际装载量没有进行实时记录和传输。为了解决好这一矛盾，神东公司与中南大学铁道学院和西安华光公司共同开发了 “全自动货运列车车号识别与记重管理系统”。该系统通过自动识别列车车号，结合快速装车站称重系统的信息，实现列车车号与转载重量的全自动实时记录功能以及通过软件对记录的数据进行本地和远程的分类、查询、打印等功能。该系统的使用能实现货运列车、车辆、集装箱的实时追踪管理，提供准确、实时的基础数据信息平台；能实现装车货运站现在车的实时管理、车流的精确统计和实时调整等；也为顺利实施铁路资产经营责任制提供技术手段，是神华集团公司继数字矿山建设后，提出的数字铁路建设的一项重要内容。

1 系统功能

根据现场需求，车号自动识别系统的主要功能如下：

（1）电子标签采用微波反射调制技术实现远距离、无接触方式提取标签内存的数据信息。标签信息由专用标签编程器写入。含有惟一可识别序号，机车标签的内容有机车型号、机车配属段、机车状态和列车车次等。工作寿命长（可读写次数超过10万次），存贮器容量大于128bits。灵敏度高，抗干扰性强；标签能在极限温度+85℃～+125℃和-50℃～-60℃的条件下，储存3h，并保证标签数据的完整性；

（2）地面识别系统。用于检测列车到来，读取安装于车体底部的标签信息，将获取的过车车号信息传送到装车站集中控制与处理系统（CPS）；

（3）在进行标签数据读取的同时，还通过开、关门磁钢对列车车轮信号进行采集，完成计轴、计辆、测速，并进行标签定位；

（4）CPS控制和处理系统。对地面自动识别设备AEI识别出来的机车、车辆电子标签信息进行处理；向上级应用系统转发数据；定时校正地面自动识别设备AEI上的时钟，使得系统采集的信息准确；定时、轮检地面自动识别设备的工作状态，并向上级监控系统报告；

（5）设计完善关联数据库模块，对所有测试过程数据进行监控和存储，提供数据过程重放功能；提供测试内容和测试结果的查询和统计、数据库的维护和备份等功能。

2 硬件设计方案

2.1 系统构成

自动车号识别与记重管理系统主要由以下几个部分构成，见图1。

（1）车辆／机车电子标签（TAG）。安装在货车底部的中梁上和机车底部的开阔位置，相当于每辆车的 “电子身份证”；

图1 自动车号识别与记重管理系统原理框架图

（2）地面识别系统（AEI设备）。由地面天线、车轮传感器及读出设备主机、附加的通信装置（如调制解调器+通信线路）、机柜及防雷装置等组成。用于检测列车到来、读取安装于车体底部的标签信息，将获取的过车车号信息传送到车站集中控制与处理系统（CPS），属于ATIS 范围的，最后通过通信网络上传到服务器中。

（3）集中控制与处理系统（CPS）。接收所辖的地面识别系统传来的过车信息和工作状态信息，向地面识别系统发出控制命令，将接收的过车信息和地面识别设备的工作状态信息加工处理后发送到服务器中。

（4）称重仓数据处理系统模块。为了实现全自动的记录，系统需要采集装车称重系统的信号，经过高精度、实时处理，将货车总量和对应的车号记录到系统数据库。

2.2 AEI地面自动设备

地面自动识别设备又称AEI （automatic equipment identification），主要由磁钢（又称车轮传感器）、天线、阅读器、电源防雷装置、信号及通讯防雷装置等部分组成。其中车轮传感器、天线安装在铁道线路上，阅读器等其他设备放置在设备机房里。AEI的主要功能是读取车辆／机车电子标签数据，向车站CPS提供列车报文。

2.2.1 天线

电子标签天线主要用于接收电子标签的射频能量及信息，并发射电子标签的相关信息，它是电子标签和阅读器进行数据交换的桥梁，是整个RFID系统的源泉，在标签和阅读器间传递射频信号。

系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号。当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流。射频卡获得能RF被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内里发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。

2.2.2 阅读器

对于一个非接触式数据载体的读写操作，一般是严格按照 “主—从”原则来进行数据交换，这意味着阅读器和电子标签的所有动作均应有通信协议或软件来控制。因此，在实际系统中，应用软件作为主动方，而阅读器则作为从动方只对应用软件的读写指令作出反应，从不自主活动。因此，阅读器的基本任务是启动数据载体（电子标签）与其进行数据交换来实现非接触的无线通信，防冲突及身份验证均由阅读器自动完成。

通常，RFID 系统的阅读器由图2所示的几部分组成：电源部分、微波信号源、高频信号处理部分（包括放大、调制等）、收发通道、中央处理器以及天线等组成。所有RFID 系统的阅读器均可以简化为3大基本功能模块：由收发系统组成的高频接口、控制系统以及和外界其他设备通信用的各种标准接口，如RS232接口、RS485接口。

图2 阅读器的基本电路

2.3 CPS控制和处理系统

由工控机、服务器、路由器、HUB、Modem等设备组成，安装在车站计算机房内。CPS 作为车号系统的重要组成部分之一，它起着承上启下的作用。一方面，它通过RS232串口或RS485串口，接收从AEI传来的数据和消息报文，检测AEI的工作状态。另一方面，它又要把经过处理的信息传送到服务器。

2.4 称重仓信号采集处理系统

传统称重仓称重仪基本都属于由单片机控制的具备数据处理和管理能力的智能化设备，基本工作原理如图3所示。

图3 传统电子称工作原理图

载荷作用于传感器，传感器在供桥电源的激励下，将载荷成比例的转换成电压信号；信号首先经过有源滤波电路滤掉高频干扰，然后放大；在单片机软件的控制下，把电信号转换成数字信号，并对其显示和处理。

当机车到来并在轨道衡进行称量时，数据采集设备读取数据并通过RS485 口发送给工控机，磅房操作人员通过计算机完成数据称量、车辆信息记录、数据统计和信息管理等功能，并将数据存储到数据库服务器内。

2.5 系统工作原理

全自动货物列车车号及记重管理系统详细的工作流程如下：

（1）检测列车到来。当列车到来时，首先经过距离天线约50t处的开机磁钢，车轮压过开机磁钢产生脉冲信号，通过电缆传送到读出主机，该脉冲信号经地面设备处理形成系统复位信号，使系统设备复位，具体是将系统初始化，设置定时器，初始化变量和参数；启动RF射频装置，通过天线发射微波信号；进入接车状态。

（2）接收标签反射信号，识别标签。当安装有标签的车辆或机车经过天线作用范围内时，标签依据内存数据对微波信号进行反射调制，天线接收到经标签调制的信息后，传送给地面设备主机箱中的RF射频装置，RF 射频装置对已调制的标签信号进行解调、放大等处理后送给Reader卡，进行译码和数据处理，最后形成16 个字节（128bits）的标签数据放置到数据缓冲区，从而完成对标签的识别。

（3）计轴、计辆、测速，标签定位。在进行标签数据读取的同时，还通过开、关门磁钢对列车车轮信号进行采集，完成计轴、计辆、测速，并进行标签定位。

（4）当最后一辆车的轮子压过关门磁钢后，关闭RF。关闭RF 射频装置停止发射微波信号。当整列车通过后，根据车速快慢由系统软件控制延时一定时间后，关闭RF射频装置，停止发射微波信号。

（5）形成过车报文并传至CPS计算机。系统对过车信息和标签信息进一步进行处理，形成通过列车报文，并恢复和CPS计算机的通信，当CPS查询到该设备时，阅读器将过车报文发送给CPS，并等待CPS计算机的确认，如CPS因某些原因未能正确接收到该报文，就需要重新发送。

（6）准备接下一趟列车。发送报文后，又恢复到正常的通信应答状态，等待下一列车的到来。

3 软件设计方案

系统软件由下位机读写器数据采集程序和上位机数据管理程序组成。系统主要功能是在车辆通过基站的瞬时启动读写器读取列车的电子识别标签，并将数据传送给系统上位机进行存储和处理。设计的系统具有以下特点：

（1）实时性。使得读写器识别的数据能及时与上位机通信，并在数据库中进行记录；

（2）可靠性。由于读写器不具备历史记录的保存功能，所以要求应用程序能准确可靠地处理每次读写器传送来的数据；

（3）通用性。软件设计层次化和模块化，层次清晰，对其中的模块可灵活抽取替换，便于系统功能扩展。

4 神东锦界装车站车号识别与自动数据记录系统的实现

基于上述研发设计，神东公司于2010年1月以锦界装车站自动化系统为试点，实施了自动化装车系统的数据记录与查询、列车车号扫描系统数据的互联与记录查询、上述数据的报表生成与打印功能，并能就当时通过模拟量信号采集装车定量仓载重量信号存在误差的情况提出改进要求。车号识别系统采用武汉利德测控技术公司的成熟产品。

4.1 具体功能实现

（1）在每次装车结束后，将该次装车过程中每节车皮的货量、装车起始／结束时间、车次、装车总节数等自动装车数据记录下来；记录文件应方便转移、方便打开，易于各单位间互相比对、参考。

（2）与列车车号扫描系统互联，实现信息上传至装车监控画面。自动化装车系统与列车号扫描系统，将每次装车过程中每节车皮车号记录入装车系统中。

（3）实现装车数据与列车号扫描系统的数据记录存储、查询功能。

装车站自动数据记录系统功能，如图4所示。

图4 装车站自动数据记录系统功能

4.2 锦界装车站自动数据记录系统方案实现解决的问题

锦界装车站自动数据记录系统功能情况如图5所示。

图5 锦界装车站自动数据记录系统功能

（1）考虑神东公司生产管理系统升级，MES系统的扩建，在硬件上使用服务器来完成数据的记录、查询、打印功能；

（2）由于锦界装车站控制塔楼暂时没有接入公司信息网，所以将服务器暂时放在装车塔楼内，且服务器配置一个与控制PLC 通讯、采集信息用的控制网卡；

（3）因锦界装车站信息是从锦界矿网关转接入公司信息网，在锦界矿网关通讯量已饱和的情况下，无法再增加额外的通讯量，所以需要给网关添加新通讯模块1756-CNBR；

（4）软件考虑到存储文件的易转移、易公开、易使用性以及低成本性，本方案使用Microsoft Office Excle作为数据存储报表的最终载体，编程使用Microsoft Visual Basic，与PLC 通讯软件，配置了一套Rockwell RSLinx软件；

（5）关于每节车皮装载量记录功能，在正常装车时可以通过定量仓称重传感器准确记录货量，但是如果在装车过程中有补煤、掐煤操作，出现缓冲仓和定量仓同时放煤的情况，会导致该节车皮装车货量记录出现较大的误差，所以报表应支持数据修改功能，允许装车员对因补煤、掐煤操作造成数据偏差的记录进行修改；

（6）与列车车号扫描系统互联，实现信息上传至装车监控画面；

（7）列车车号识别系统由武汉利德公司实施。利德公司提供的自动化接口是在每列列车车皮信息采集之后，以Windows文本文件形式存入华光公司数据报表服务器内的硬盘共享区内，每列车生成一个新文件，每个文件内每节车皮信息占用一条记录，各车皮信息准确、无误、无重复地与现实车皮相对应。华光公司在利德公司车皮信息文本文件形成之后，将该文件读入，并与华光记录的自动化合并；

（8）每列车信息若出现一列车分截成若干段情况，利德公司将每段车皮按一列车信息进行存储，华光公司装车数据记录系统按操作员设定的每段列车车皮数量，将每段车分为单独列车，一一处理；

（9）因采集的定量仓载重量由称重二次仪表以模拟量方式给出，由于4～20mA 模拟量传输方式所表示的称重仓重量与称重仪表显示的数量有误差。要将装车车皮载重精确记录下来，则自动化系统需要靠通讯方式将称重二次仪表称重值读取出来。本方案在PLC 机架与称重二次仪表增加RemoteIO 通讯板卡，实现称重数据的传递。