一、企业基本情况

　　小保当公司井田位于国家大型煤炭陕北基地榆神矿区三期规划区，面积220km2，地质储量49亿吨，可采储量30亿吨。公司按照“一公司两矿”的模式建设，其中一号煤矿建设规模1500万吨/年，二号煤矿建设规模1300万吨/年，联合建设一座洗选能力2800万吨/年的大型现代化选煤厂。两矿井井下生产系统相互独立，地面所有设施共用。

　　公司严格落实“高起点设计、高标准建设、高水平管理、高效能运作”的总要求，坚持智慧矿区“1+N”建设理念，打造智能矿井“三大平台、两个中心、56 个子系统”，充分利用物联网、大数据、人工智能、5G 等新一代信息技术，吸收先进智慧化矿山建设经验，形成了小保当智能化煤矿建设特色模型。

　　二、智能装车系统背景

　　“十二五”期间，党中央、国务院先后出台《中国制造2025》、《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》、《国家信息化发展战略纲要》等系列文件；“十三五”时期，以美国工业互联网、德国工业4.0为代表，发达国家纷纷实施以重振制造业为核心的“再工业化”战略，两化融合发展迎来新空间。

　　2020年3月，国家发展改革委、国家能源局等八部委联合发布了《关于印发<关于加快煤矿智能化发展的指导意见>的通知》，推动智能化技术与煤炭产业融合发展，煤矿智能化发展兼具天时、地利、人和。

　　陕煤集团以提高企业发展质量和效益为中心，提出了建设“智慧矿区、智能矿井、世界一流”的战略目标，榆北公司紧紧围绕这一战略目标，大力推进所属矿井智能化建设，小保当矿被评为国家智能化示范矿井。火车运销作为煤矿生产的重要部分，装车各子系统存在相对独立，基本处于半自动化程度，用工多，劳动强度大，装车质量依靠工人技术水平等问题。

　　三、实施情况

　　选煤厂火车智能装车系统应用研发项目的实施实现了从火车进站、车号识别、智能配料、防冻喷洒、智能装车、整平压实、抑尘喷洒各系统联动一体化控制；一键启动实现全流程智能化装车，达到中国煤炭学会《智能化煤矿(井工)分类、分级技术条件与评价》（T/CCS 001—2020）装车系统的全部要求。具体内容如下：

　　（一）车号自动识别。

　　车号识别系统应用图像识别技术实现对于列车车厢车号的识别。建设宽21米跨双铁轨龙门架，龙门架上安装职能车号识别相机、光源系统、对射传感器，硬件搭载OCR系统，深度学习训练系统共同组成。

　　通过调节快门速度，光圈的数质，补充曝光，解决运动车厢抓拍焦点问题。通过双光源补光系统实现不同环境（晴天、阴天、白天、晚上）下，抓拍清晰度的问题。采用增加激光对射的方式，实现行进中车厢节数的计数能力。

　　由于火车车号为非标准字体，采用传统OCR技术无法识别火车车厢字体。因此，采用了深度学习训练的方式，实现了新字体的学习，从而实现车号字体识别的能力。实现了小保当全部车型（C80、C80B、C70、C64等）车号识别能力。

　　经过超过一万余节车厢的测试，车号识别成功率大于99.5%。该项研究与RFID识别系统配合使用，可以有效解决因车号识别引起的漏装、错装等问题。

　　（二）车厢质量自动检测。

　　车厢质量自动检测系统实现了车厢质量的自动快速检测功能。系统在跨双铁轨龙门架上搭建了一套搭载高速计算芯片的3D+2D多目成像设配。龙门架上部安装3D线阵相机、高精度彩色监控相机等视觉识别设备，对车厢的鼓梆、缝隙、卷边、空洞、冻底、杂物等问题进行识别和评定。龙门架侧端安装两台3D相机可以检测目标车辆侧壁凸起、破损等情形。

　　全部相机设备可以在端侧和云服务器中并行识别且更新识别算法；完成了基于SIFT算法的待检测车辆查询匹配方法，可以精确在数据库中查询待检测车辆型号；完成了基于3D摄像机的故障部位定位方法，可以精确定位故障发生位置；完成了基于深度学习的故障分类检测方法，可以精确识别故障类别并不断提升模型精度。

　　（三）无线机车导航。

　　无线机车导航系统采用在装车站安装无线基站，在火车头安装无线网桥的方式实现装车系统与机车导航模块的通信，采用PAD作为终端展示，实现与火车司机的信息交互。无线基站与无线网桥采用802.11协议实现高速传输。

　　经测试信号范围为2.2km，火车行驶距离最远1.5km（也就是大列108节装车结束时），实现点对点全覆盖。网速维持在2mbps左右，远高于程序使用过程中的流量平均消耗260kb/s，最大延迟测试小于0.2秒。其中绝大多数前进阶段信号都在四级以上，出现三级信号的地点有两处：在装车站正下方时，以及在火车车尾即将驶离装车站的极远点，但都不影响正常连接和使用。

　　机车导航应用，可以指导火车司机按照系统预设要求就行，前进、后退、停车等操作。司机可以通过机车导航应用了解装车状态，当司机发现危险时可以主动发起急停，避免安全事故。

　　机车导航可以有效指导火车司机在合理的速度行驶，同时可以让火车司机实时了解装车状态，从而达到装车系统与火车司机配合的最佳状态。

　　（四）防冻液喷洒智能控制。

　　防冻液喷洒智能控制系统提升防冻液喷淋效果。建设防冻液用跨单轨道龙门架，整个系统安装在龙门架上，由液压升降装置、行程编码器、喷洒机构、对射传感器、电磁阀、抽水泵、流量计共同组成。

　　通过液压升降装置实现喷洒结构的升降，通过光电传感器识别车钩位置，识别倒车，防冻液喷洒装置喷洒模块通过通信网络与装车系统连接，实现喷洒装置能够根据火车车型、火车行进速度自动调整喷洒高度和喷洒量。实现车钩停喷、停车停喷、倒车停喷，以节约药剂使用量，避免环境污染，实现自保护，避免与车厢磕碰。系统实时采集并记录每节车、每列车的药剂喷洒量，生成报告。

　　（五）防冻干粉喷洒智能控制。

　　防冻干粉播撒与防冻液智能喷洒共用一套龙门架，通过斗提机、大倾角皮带刮板传送装置、螺旋给料装置、星轮等硬件组成简单易用、切实高效的防冻干粉撒料装置。将原有手动系统升级成全自动控制系统，实现不同车型混编、煤质变化情况下的全自动播撒，实现车钩处停止播撒。利用智能算法避免人工播撒量大、播撒速度不及时等问题。在保证防冻效果的同时，节约防冻干粉使用量。

　　（六）无人化装车。

　　系统通过软件系统与现有PLC的交互实现快速定量装车过程的自动控制。整个无人化装车系统由信标装置、编码器、激光测距、装车控制模块等组成。通过车号识别获取车厢规格，通过车厢定位装置获取车厢位置、车速，利用溜槽位置检测（编码器、测距仪）得到溜槽控制反馈，通过创建控制模型实现溜槽的自动控制。

　　智能装车实现速度补偿：适应火车快速和慢速的不同情况；偏载实时调整：装车过程中实时判断偏载情况进行溜槽的控制调整；偏载检测反馈调整可根据雷达偏载检测的结果优化下一节装车的模型；自学习算法可学习装车员动作，将人工经验数据转化为机器知识库，最终给出最优装车模型。

　　（七）装车质量自动检测。

　　该系统以激光雷达技术为基础，结合车厢定位和速度检测装置，辅以软件系统进行结果展示，具备完整的偏载检测功能。通过新增激光雷达装置，在装车过程中，利用机器视觉技术，采集物料面积、堆积高度、火车车厢的占空比等参数，换算出车厢内物料高度，建立针对不同煤种、不同车皮的物料高度模型，达到每节车厢装车质量检测的目的。装车时，每一节车厢的目标载重根据车厢的预装高度进行反向推算，根据车厢目标体积核算的装车重量为依据，确保物料的装车高度不超限。

　　（八）抑尘剂喷洒智能控制。

　　抑尘剂喷洒智能控制系统提升防冻液喷淋效果。建设抑尘剂用跨单轨道龙门架，整个系统安装在龙门架上，由液压升降装置、行程编码器、喷洒机构、对射传感器、电磁阀、抽水泵、流量计共同组成。

　　通过液压升降装置实现喷洒结构的升降，通过光电传感器识别车钩位置，识别倒车，抑尘剂喷洒装置喷洒模块通过通信网络与装车系统连接，实现喷洒装置能够根据火车车型、火车行进速度自动调整喷洒高度和喷洒量。实现车钩停喷，停车停喷、倒车停喷，以节约药剂使用量，避免环境污染，实现自保护，避免与车厢磕碰。系统实时采集并记录每节车、每列车的药剂喷洒量，生成报告。

　　（九）整平压实智能化无人控制。

　　通过装车任务、利用信标定位、编码器等检测手段，将原有手动系统升级成无人控制系统，可以根据不同车型自动升降压实。利用信标系统作为车厢定位检测、编码器等进行压实装置高度检测，通过装车质量检测模块得到煤堆高度，自动计算装车超出车厢高度情况，系统可以自动计算压缩比，进而自动设置压实高度并控制压实装置执行到位。

　　（十）实时数据采集自动生成装车报表。

　　通过智能采集模块对各项数据进行实时采集，可以实现防冻液、抑尘剂、装运量的自动实时记录，当列装运完成自动生产报表。同时可以将装运数据进行归档，进行大数据分析，定期对装运数据和防冻液、抑尘剂喷洒量、装运量等数据进行分析，及时发现系统问题。

　　（十一）防冻抑尘智能自动配料。

　　在原有防冻抑尘库基础上扩建厂房，新增拆垛机器人、皮带运输系统、拆袋机器人、电磁阀、液位计、室外温度计带等设备，结合温度传感器、液位计等传感器，形成一套智能化配料系统。通过抓取装置将物料袋投入拆袋设备完成投料，拆完的编织袋通过收集装置进行收集清理。实现根据集控采集的温度等参数为指标，自动控制浓料量、补水量、搅拌时间等参数，配比出所需产品，并根据搅拌桶液位、缓冲桶液位、储料桶液位等参数，控制各泵开启时间。实现配料过程中搬运、拆袋、搅拌、上料的智能化控制，整个配料过程目前只需1人即可完成。

　　（十二）设备远程管理平台。

　　设备远程管理平台可以实现对装车站全线产品设备运行状况、运行数据的远程监控及远程操作、维护。该平台可实现对控制系统CPU处理器进行远程维护，分析现场接近开关、保护信号、电磁阀等动作，诊断常见故障。同时，监测到的设备数据和状态与销售管理平台APP对接，使装车站人员使用一套APP就能实现对装车任务、数据、设备状态、设备报警等功能的实时查询。

　　（十三）系统简洁化改造。

　　小保当装车站以前整平压实、抑尘防冻液喷洒、装车系统等设备控制系统分别部署在不同的工控设备上，各自独立运行。每个系统需要设置专门的岗位和人员，根据现场装车的情况，人为判断操作，并且各系统的数据无法做到资源共享，造成极大的人力和资源浪费。本次项目改造，通过升级集控室网络通讯系统，对各控制系统进行资源整合，采用一套全新的组态系统，结合工艺系统要求，将所有系统整合为统一组态画面和分画面，在同一台电脑上进行显示和操作，实现全站系统的管理统一化。

　　（十四）销售管理平台。

　　销售管理平台是无人装车系统的配套数据管理系统。按矿上销售管理的实际需求定制化开发，实现对业务基础数据、合同、装车计划的录入，智能生成装车任务及排班信息，对所完成工作及数据进行多维度的统计的功能。实现销量分析、销售额分析、客户分析、目标客户分析等功能。

　　（十五）实时仿真模拟。

　　火车装车动态仿真模拟系统，采用三维动画技术对装车溜槽、抑尘防冻液喷洒装置、火车车皮及车皮扫描装置等设备的外形、材质和工作环境进行立体建模，并与建成的智能化装车系统中的各项数据进行实时联动，把智能化装车系统的工作过程、实时数据、设备状态等一系列真实的事物以动态的形式进行展示，形成从火车入站，跳车处理、车号识别防冻液喷洒、装车、整平压实及抑尘剂喷洒全流程的三维仿真模拟，包含车量数据、定量仓、煤种数据、缓冲仓数据、装车速度、装车日期等信息。

　　四、产生效益

　　两下降：一是人员下降，装车站、配料库范围内岗位工减少，劳动强度降低。二是防冻抑尘剂用量减少。通过智能喷洒，实现车钩停喷、停车停喷、倒车停喷，减少了防冻抑尘剂用量。

　　三提升：一是效率提升，装车过程中提升煤量控制能力，降低倒车、停车次数，提升装车效率。提升来车捆绑加固效率，缩短来车等待时长。提升配料效率，缩短配料时长。二是装车质量提升，有效控制装车质量，降低了亏吨、冻车、偏载等问题。三是管理提升，装车任务流转有序，提升数据流转效率。报表打印自动化，避免数据误差。大数据存档分析，事件有据可查，问题分析有理。

　　五、创新点

　　（一）大数据及深度学习技术的应用。

　　大数据及机器学习深度学习技术目前在金融、民生等场景已经得到了充分体现，正逐步向工业、重工业等更广阔的应用领域中渗透，是企业未来发展的必然趋势。在本项目中有些内容就是通过这些技术来实现智能化。如同一车型不同煤质的装车高度、不同装车员手法的优劣比较、煤质变化的计算与预测，这些数据的分析与管控都有巨大的提升空间，因此本次智能装车中包括装车动作模型、装车效果打分模型、数据双胞胎模型等多个技术难点应用了大数据分析、机器学习及深度学习，通过在线采集数据，分析并构建相应系统模型，再通过数据对模型进一步训练从而逐步调优，模型上线部署可在线自主学习智能调优。

　　（二）机器视觉技术的应用。

　　本项目机器视觉技术在车辆识别、来车质量监测、装车质量检测等多个模块中有所应用，为提升整体系统水平具有重大意义。视觉技术的使用当中还采用了大量的深度学习技术，相对于传统的图像算法，可以更加快速的处理场景差异，更加有效处理不用实施项目中数据的变化，为应用的灵活性提供了基础条件。视觉技术在煤运火车装车场景中如此大规模应用还是属于非常罕见。

　　（三）智能自动配料。

　　采用智能取料机器人、自动拆包机组合成取、运、拆一体的智能控制系统，实现将防冻液、抑尘剂从堆垛高效运送至配料系统。智能配料系统属于国内首创，配料系统根据装运产量、环境温度等数据，利用决策分析算法计算配料量、配料浓度，进一步利用高精度流量计、液位计，通过PID算法实现智能配料，确保配料量精准、品质合格。

　　六、应用前景，示范推广

　　应用前景：中国煤炭学会发布的《智能化煤矿(井工)分类、分级技术条件与评价》中智能化煤矿分级中对于装车系统有明确的技术指标及评价标准。选煤厂火车智能装车系统应用研发项目有利于提升矿井整体的智能化水平，直接影响智能化煤矿评级。对于煤矿行业有铁运线路的矿业公司均适用火车智能装车系统。

　　示范推广：火车智能装车系统目前已经产品化，有一定的示范作用，正在积极与曹家滩、红柳林等周边矿井进行技术对接。项目可以广泛应用于榆北煤业和陕煤集团内部各矿业公司，乃至全国煤炭行业中。同时，项目可以推广至大宗散装物料装运领域。