煤炭自動(dòng)發(fā)運(yùn)系統(tǒng)防作弊技術(shù)研究

張?jiān)獎(jiǎng)?，?坤，白 猛，彭繼國(guó)

（兗礦集團(tuán)有限公司 信息化中心，濟(jì)寧 273500）

煤炭行業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有不可替代的地位，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于煤炭的需求量也持續(xù)增加[1]。煤炭運(yùn)銷管理是煤炭行業(yè)中的重要一環(huán)。煤炭運(yùn)銷的運(yùn)營(yíng)在我國(guó)煤炭發(fā)運(yùn)中存在流程繁瑣、效率低下、缺乏有效的管理和車輛引導(dǎo)策略等問(wèn)題，導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)堵車、煤炭丟失、品種錯(cuò)裝的問(wèn)題。行業(yè)內(nèi)各級(jí)煤炭企業(yè)均加大了對(duì)信息化發(fā)展與建設(shè)的投入，尤其是在硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和軟件系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)方面，都大大增加了投入[2]。

煤炭的智能發(fā)運(yùn)涉及多方面的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)由于管理規(guī)模較大，各部門之間不能進(jìn)行有效溝通，容易造成經(jīng)濟(jì)損失。故在此通過(guò)智能發(fā)運(yùn)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，提出了有效的煤炭發(fā)運(yùn)智能調(diào)度策略，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了新型的煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)，運(yùn)用防作弊技術(shù)重點(diǎn)設(shè)計(jì)了防作弊報(bào)警硬件設(shè)備，極大地緩解了煤炭廠區(qū)車輛亂行無(wú)序的現(xiàn)狀。

1 煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的流程及總體設(shè)計(jì)

1.1 煤炭發(fā)運(yùn)流程研究

由于現(xiàn)有煤炭發(fā)運(yùn)流程多為人工操作，設(shè)備落后，程序繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力，并且多出現(xiàn)由于人員疏忽引起的偷料、裝錯(cuò)料的情況[3-5]。通過(guò)將IC卡管理、射頻識(shí)別、紅外光柵防作弊報(bào)警等技術(shù)應(yīng)用到煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)中，現(xiàn)有的原材料車輛的運(yùn)輸流程具體如圖1所示。

圖1 煤炭原材料車輛運(yùn)輸流程Fig.1 Flow chart of coal raw material vehicle transportation

煤炭廠采購(gòu)部門制定采購(gòu)計(jì)劃，并向相關(guān)單位購(gòu)買，簽訂采購(gòu)合同；原材料廠家或者運(yùn)輸單位司機(jī)憑借供貨單，辦理進(jìn)廠手續(xù)，提供車牌號(hào)、產(chǎn)品名稱和供貨廠家；汽車衡稱一次重，記錄車輛毛重信息；到指定卸料點(diǎn)卸料，如果貨物是石灰石則需由卸料點(diǎn)工作人員驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后車輛到汽車衡做二次稱重；汽車衡稱二次重后記錄車輛皮重信息，如果供貨單上有供方凈重時(shí)，檢斤人員應(yīng)手動(dòng)輸入供方凈重，以供方凈重為準(zhǔn)，打印檢斤單。車輛準(zhǔn)備出廠，門衛(wèi)管理人員核對(duì)車輛檢斤信息后，允許車輛出廠。

1.2 煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有煤炭發(fā)運(yùn)工藝流程存在的問(wèn)題，將計(jì)算機(jī)控制、卡管理、防作弊等技術(shù)應(yīng)用于煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)了煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。

圖2 煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of coal transportation system

智能發(fā)運(yùn)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)煤炭的調(diào)運(yùn)管理部分的功能。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的需求是保證用戶先進(jìn)行系統(tǒng)登錄[6]，在經(jīng)過(guò)用戶名和密碼驗(yàn)證后，用戶正常使用系統(tǒng)功能；在業(yè)務(wù)處理過(guò)程中，促成煤炭車輛發(fā)運(yùn)計(jì)劃，匯總車輛計(jì)劃，并制成發(fā)貨記錄表[7]。在此，以煤炭發(fā)運(yùn)過(guò)程中的檢斤管理為研究重點(diǎn)，尤其涉及到防作弊技術(shù)。

與防作弊技術(shù)相關(guān)的無(wú)線射頻識(shí)別RFID（radio frequency identification）電子標(biāo)簽，又稱射頻識(shí)別技術(shù)[8-9]，將該技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)送煤炭車車輛的身份認(rèn)證中，為每輛煤炭車輛發(fā)放不同的電子標(biāo)簽。該標(biāo)簽具有唯一的卡號(hào)[10]，可節(jié)省人力成本且更加安全可靠。

主動(dòng)的防作弊技術(shù)使汽車衡檢斤人員的工作從現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到了調(diào)度室。為避免車輛不完全停放到汽車衡上來(lái)進(jìn)行稱重作弊的行為，在汽車衡稱重上應(yīng)用紅外對(duì)射技術(shù)，可以很好地解決這一問(wèn)題。

紅外對(duì)射即主動(dòng)紅外入侵探測(cè)器，基本的構(gòu)造包括發(fā)射端、接收端、光束強(qiáng)度指示燈、光學(xué)透鏡等[11]。其偵測(cè)原理是利用經(jīng)紅外光發(fā)射二極管發(fā)射紅外脈沖射束，再經(jīng)光學(xué)鏡面做聚焦處理使紅外脈沖射束傳至很遠(yuǎn)距離，由受光器接收。當(dāng)紅外脈沖射束被遮擋中斷時(shí)，受光器接收不到信號(hào)而發(fā)出警報(bào)。在汽車衡的兩端安裝紅外對(duì)射裝置，當(dāng)車輛沒(méi)有完全停放在汽車衡上時(shí)，車身會(huì)擋住紅外脈沖光束，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并阻止其稱重，這樣從根本上避免了車輛稱重作弊的行為。

1.3 煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)調(diào)度策略

煤炭發(fā)運(yùn)過(guò)程中，使用汽車衡對(duì)車輛稱重是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。車輛對(duì)汽車衡的分配不當(dāng)容易引發(fā)堵車、汽車衡分配不均、車輛交錯(cuò)上衡等情況，引發(fā)車輛擁堵[12]。根據(jù)對(duì)汽車衡分配的策略不同可以分為平均汽車衡調(diào)度策略和計(jì)劃汽車衡調(diào)度策略，可最大程度地利用汽車衡資源，盡可能地避免堵車和汽車衡分配不均的現(xiàn)象出現(xiàn)。以下分別對(duì)2種策略及其實(shí)施步驟加以說(shuō)明：

策略Ⅰ 平均汽車衡調(diào)度策略

平均汽車衡調(diào)度策略是把進(jìn)廠車輛平均到各個(gè)汽車衡，即進(jìn)廠車輛進(jìn)入每一汽車衡的機(jī)會(huì)均等，可以有效地利用汽車衡資源，提高檢斤效率。操作步驟如下：

步驟1 選擇當(dāng)前空閑汽車衡，等待二次稱重的車輛數(shù)Wi最小的汽車衡i為

式中：A為汽車數(shù)量；Wi為汽車衡i上等待二次重檢斤車輛總數(shù)。

步驟2 汽車衡i空閑，并且車輛估計(jì)值G小于該汽車衡i上限Li，即：

式中：Qi為i號(hào)汽車衡狀態(tài)；Li為汽車衡i量程上限；G為車輛重量估計(jì)值；B為邏輯判斷值。B=1，表示汽車衡i可用，將進(jìn)廠車輛分配到最優(yōu)汽車衡i上；B=0，表示汽車衡不可用，將跳到步驟1。

當(dāng)有進(jìn)廠車輛請(qǐng)求一次稱重時(shí)，應(yīng)先通過(guò)步驟1計(jì)算出最優(yōu)汽車衡i。然后，通過(guò)步驟2判斷汽車衡是否空閑可用，如果汽車衡空閑可用，則將進(jìn)廠車輛分配到最優(yōu)汽車衡i上；如果汽車衡不可用，則跳到步驟1，在剩余汽車衡中重新計(jì)算出最優(yōu)汽車衡，重復(fù)以上操作，直至獲得最優(yōu)可用汽車衡。

策略Ⅱ 計(jì)劃汽車衡調(diào)度策略

計(jì)劃汽車衡調(diào)度策略是根據(jù)車輛進(jìn)廠車道，為車輛分配最方便快捷的汽車衡。具體操作流程如下：

步驟1 首先判斷進(jìn)廠車道k對(duì)應(yīng)的汽車衡是否空閑并且可用，即

式中：Qi為i號(hào)汽車衡狀態(tài)；Li為汽車衡i量程上限；G為車輛重量估計(jì)值；C為邏輯判斷值，取C=0，1。C=1時(shí)i=k，即k號(hào)汽車衡可用，將車輛分配到k號(hào)汽車衡；C=0時(shí)i≠k，即k號(hào)汽車衡不能用，則令i=k+1，跳轉(zhuǎn)到步驟2。

步驟2 當(dāng)步驟1中C=0時(shí)，選擇i=k+1，判斷i是否屬于可用汽車衡范圍，是則判斷汽車衡是否空閑并可用，即

式中：Qi為i號(hào)汽車衡狀態(tài)；Li為汽車衡i量程上限；G為車輛重量估計(jì)值；D為邏輯判斷值，取D=0，1。D=1時(shí)i=k+1，即k+1號(hào)汽車衡可用，將車輛分配到k+1號(hào)汽車衡；D=0時(shí)i≠k+1，即k+1號(hào)汽車衡不能用，則令i=k-1，跳轉(zhuǎn)到步驟3。

步驟3 當(dāng)步驟1中C=0時(shí)選擇i=k-1，判斷i是否屬于可用汽車衡范圍，是則判斷汽車衡是否空閑并可用，即

式中：Qi為i號(hào)汽車衡狀態(tài)；Li為汽車衡i量程上限；G為車輛重量估計(jì)值；E為邏輯判斷值，取E=0，1。E=1時(shí)i=k-1，即k-1號(hào)汽車衡可用，將車輛分配到k-1號(hào)汽車衡；E=0時(shí)i≠k-1，即k-1號(hào)汽車衡不能用，則令i=k+2，重復(fù)步驟2和步驟3，直至選擇到合適的汽車衡。

2 煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的防作弊報(bào)警硬件設(shè)計(jì)

煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分就是防作弊技術(shù)。報(bào)警硬件裝置，在此主要用于保證運(yùn)送煤炭的車整體放置在汽車衡上進(jìn)行稱重。防作弊的紅外光柵形成一面電子墻，可以保證全部覆蓋車身。系統(tǒng)對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行采集，防止車身停放不符合規(guī)則。所采用的紅外設(shè)備是廣州艾禮富的ABE-50型，如圖3所示。ABE-50保證了50 m以內(nèi)的完全探測(cè)距離，擁有領(lǐng)先的主動(dòng)型紅外探測(cè)技術(shù)[13]、一體化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)良的抗光學(xué)干擾特性使得測(cè)量更為精準(zhǔn)，快速的感應(yīng)速度可以大大節(jié)省感應(yīng)測(cè)量時(shí)間。

安裝有紅外設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。數(shù)據(jù)的采集卡采用凌華的PCI-6432采集卡，通過(guò)電路板上的40芯IDC頭連接外場(chǎng)信號(hào)，共地的連接方式保證板卡的安全性，采用芯片LS245，連接到計(jì)算機(jī)中，從而讀取采集卡上的內(nèi)容。該板卡具有較寬的輸入電壓，抗干擾性強(qiáng)[14-15]。

圖3 紅外設(shè)備Fig.3 Infrared equipment

圖4 安裝現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Installation site

PCI-6432的軟件包含PCI-6432驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)連接庫(kù)。先進(jìn)行驅(qū)動(dòng)安裝，將PCI-6432硬件插入計(jì)算機(jī)的某一PCI插槽中，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)進(jìn)入Windows系統(tǒng)，自動(dòng)尋找到新硬件；根據(jù)硬件安裝向?qū)?，搜索最新?qū)動(dòng)程序 （指定位置/瀏覽）CDROM盤符：/PCI/pci6432，確定。安裝后，如果從（控制面板/系統(tǒng)/設(shè)備管理器）中可找到外部設(shè)備：PCI接口，則表明硬件驅(qū)動(dòng)安裝正確。安裝完成后需重啟計(jì)算機(jī)。

紅外防作弊報(bào)警裝置設(shè)計(jì)原理如圖5所示。PCI-6432提供32路物理開關(guān)，將采集卡設(shè)備插入檢斤計(jì)算機(jī)中的PCI插槽，就可以正常使用。從J3接口引出LS245的接口連接到計(jì)算機(jī)外面，根據(jù)圖5所示，對(duì)于每個(gè)運(yùn)送煤炭車的汽車衡前后都要安裝一組紅外對(duì)射設(shè)備ABE-50，繼電器對(duì)該設(shè)備進(jìn)行串聯(lián)，電源電壓為5 V。

圖5 紅外防作弊報(bào)警裝置設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design schematic of infrared anti-cheating alarm equipment

在車輛行駛過(guò)程中，若沒(méi)有按照規(guī)則停放，存在作弊行為，就會(huì)遮擋紅外對(duì)射設(shè)備的光，使繼電器產(chǎn)生動(dòng)作，系統(tǒng)根據(jù)采集卡的上電信號(hào)的變化判斷，將檢斤過(guò)程中止，從而防止檢斤過(guò)程中的作弊行為。

3 防作弊技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了保證煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的安全，在使用系統(tǒng)的發(fā)運(yùn)功能之前，需要首先登錄煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)；使用常規(guī)的登錄方式，用戶需要輸入用戶名和密碼，然后點(diǎn)擊登錄按鈕，這時(shí)瀏覽器向數(shù)據(jù)服務(wù)器發(fā)送訪問(wèn)的請(qǐng)求，將用戶的用戶名與數(shù)據(jù)庫(kù)的信息進(jìn)行比對(duì)，接著比較兩者的密碼。該登錄方式需要進(jìn)行架構(gòu)中不同層次的多次通信交互，在完成密碼驗(yàn)證以后，用戶接入到系統(tǒng)管理界面，進(jìn)一步使用系統(tǒng)的功能。登陸過(guò)程的具體描述如圖6所示。

圖6 工作人員系統(tǒng)登錄的實(shí)現(xiàn)過(guò)程Fig.6 Implementation of staff system login

進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊后，結(jié)合紅外防作弊報(bào)警和RFID管理的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車輛檢斤的功能，并將檢斤的結(jié)果在軟件界面中顯示出來(lái)。檢斤管理程序如圖7所示，其主要包括信息的顯示、防作弊報(bào)警提示、稱重過(guò)程。

圖7 檢斤管理軟件結(jié)構(gòu)Fig.7 Software structure of catty inspection management

信息顯示模塊記錄了車輛的車牌號(hào)以及進(jìn)出廠的IC卡信息，操作人員可以輸入有關(guān)車輛的信息，完成信息的錄入。其界面操作如圖8所示。

圖8 煤炭車輛信息錄入界面Fig.8 Coal vehicle information input interface

當(dāng)有進(jìn)出煤炭廠的運(yùn)送車輛，首先向進(jìn)廠車輛發(fā)卡；在出發(fā)前要收回出廠車輛的IC卡。在此過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)丟失IC卡的情況，此時(shí)需要操作人員到補(bǔ)卡界面完成補(bǔ)卡操作。IC補(bǔ)卡的操作界面如圖9所示。

圖9 煤炭車IC補(bǔ)卡管理界面Fig.9 IC card supplement management interface of coal car

與此同時(shí)，還會(huì)利用RFID技術(shù)對(duì)進(jìn)出廠的煤炭車進(jìn)行識(shí)別與跟蹤，防止一卡多車的現(xiàn)象發(fā)生。通過(guò)檢測(cè)車輛的RFID序號(hào)，保證車輛的唯一性，已經(jīng)領(lǐng)到卡的車輛才能正常發(fā)運(yùn)，每次更換讀卡器時(shí)，也要進(jìn)行相應(yīng)的更換。其操作界面如圖10所示。

圖10 煤炭車射頻卡管理軟件界面Fig.10 Coal car RF card management software interface

當(dāng)對(duì)車輛進(jìn)行稱重時(shí)，應(yīng)對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)，由防作弊模塊檢測(cè)車輛是否完全停放在汽車衡上。該模塊會(huì)根據(jù)規(guī)則完成指定的操作過(guò)程，如果沒(méi)有告警產(chǎn)生，則自動(dòng)完成稱重環(huán)節(jié)；如果有告警發(fā)出，則阻止稱重的進(jìn)行，顯示警告界面，并且依據(jù)不同煤炭車的情況選擇不同的稱重界面。當(dāng)車輛檢重過(guò)衡后，界面會(huì)顯示已稱重，檢斤管理程序完成則車輛信息自動(dòng)消失。煤炭車防作弊管理軟件界面如圖11所示。

圖11 煤炭車防作弊管理軟件界面Fig.11 Coal truck anti-cheating management software interface

為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，系統(tǒng)完成后進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)中，當(dāng)車輛正常通過(guò)汽車衡時(shí)，系統(tǒng)顯示自動(dòng)稱重界面，界面效果如圖12所示。當(dāng)車輛未完全上磅，企圖減少載貨質(zhì)量時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出告警，作弊檢測(cè)的警告界面如圖13所示。由圖可見(jiàn)，防作弊系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)到運(yùn)輸人員的偷料行為，提高煤炭運(yùn)輸管理效率，降低運(yùn)輸管理難度。

圖12 正常稱重界面Fig.12 Normal weighing interface

圖13 作弊檢測(cè)的警告界面Fig.13 Warning interface of cheating detection

4 結(jié)語(yǔ)

從煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀開始，分析了發(fā)運(yùn)系統(tǒng)的需求，劃分了出合理的模塊，重點(diǎn)針對(duì)系統(tǒng)中的防作弊關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究；采用針對(duì)現(xiàn)有煤炭發(fā)運(yùn)流程人工操作繁瑣，容易出現(xiàn)管理漏洞的問(wèn)題，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了新型的煤炭發(fā)運(yùn)系統(tǒng)，提出了基于IC卡管理和電子標(biāo)簽識(shí)別的車輛雙重射頻認(rèn)證技術(shù)，有效地避免了發(fā)運(yùn)過(guò)程中煤炭偷料現(xiàn)象的發(fā)生；采用防作弊預(yù)警技術(shù)，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)于發(fā)運(yùn)中存在的作弊行為的問(wèn)題解決，保證煤炭發(fā)運(yùn)的及時(shí)、準(zhǔn)確、快捷。在后續(xù)的研究中，將繼續(xù)加強(qiáng)功能的細(xì)節(jié)研究，提高商業(yè)化程度，提高人工智能化的方式，與煤炭運(yùn)輸過(guò)程中其他流程銜接得更加緊密一些，提高發(fā)運(yùn)的效率。