通过分析我国砂石骨料仓储堆场生产现状、信息化建设情况及未来发展中对于信息化、智能化的需求，提出了基于物联网技术的智能化砂石骨料仓储堆场整体解决方案，并对未来砂石骨料仓储堆场的建设发展趋势进行展望。物联网技术在智能化砂石骨料堆场的应用，将对我国砂石骨料行业的发展产生重大积极的意义，有助于提堆料场生产效率、降低运行成本、提升竞争能力。
研究背景
1.1 砂石骨料堆场智能化研究的意义
砂石骨料从开采到最终被建筑业使用其中需要经历多个环节与步骤，通常在运输至终端客户使用之前会在堆场内进行仓储，这种砂石骨料堆场规模大小不一，有的就近建设在破碎筛分产线附近，有的建立在城市边缘便于服务客户，而更多地会考虑水路运输的低廉成本而建设在沿岸码头。本设计将试图以砂石骨料堆场现状为分析切入点，提取我国砂石骨料仓储堆场的共性，提出服务于砂石骨料堆场的智慧仓储及输送系统。进一步的，该系统经过需求调整，还可以服务于煤炭、钢铁、有色金属原料等散料仓储堆场。
以占砂石骨料堆场数量比较较高的堆场码头为例对堆场现状进行简单分析。我国拥有漫长的海岸及江河岸线，随着港口行业迅猛发展。根据中华人民共和国交通运输部《2011中国航运发展报告》，我国港口拥有生产用泊位已超过3.1 万个，连续9年完成货物吞吐量位居世界第一，业已成为世界港口大国。而与此同时，占全国港口、码头数量相当比例的砂石骨料堆场码头却长时间处于行业发展的低端位置：生产效率低、设备能耗高、小散乱的非法码头林立、资源利用效率大打折扣，制约了码头疏运能力建设。据统计，截至2015年年底，仅湖北一省长江干流岸线就共有477个非法码头，其中砂石堆场码头占七成以上。随着基础设施建设突飞猛进，砂石需求量激增，在此双重背景下，多个省市均出台了整治砂石骨料堆场码头的政策法规，关停非法码头，合并小码头，对砂石骨料堆场码头进行技术、管理升级，推动行业向健康方向发展，提高抵御经济竞争风险能力，增加码头运营收益。
1.2 堆场物联网技术的应用背景
物联网(The Internet of Things，简称IOT)，是通过布设各种不同功能原理与使用场景的信息传感装置，按照通信协议将物与物相互连接，实现信息交换和通信，将感知的信息进行实时、准确的传送，通过云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析处理，进一步对物体实施智能化的控制，以此实现智能化识别、定位、监控、管理的网络，真正达到了人与物的沟通。
针对砂石骨料堆场而言，它的自身特点使得物联网技术的大规模应用能够获得最大效果。堆场占地面积大，吞吐量达，是水路、陆路交通的集结点和枢纽；堆场规模化合并后，作业的复杂性越来越高；作业过程中从各种设备中采集到的数据信息量大，类型复杂，数据对时效性的要求高；砂石骨料堆场行业上下游相关企业众多，容易形成产业集群。在砂石骨料堆场这样复杂、大规模运作的环境中最能体现物联网技术的优势：让堆场作业更高效、更可靠、更少人工、更低成本。
因此建设砂石骨料智慧仓储及输送系统是帮助堆场企业汇聚各类优势资源、加快信息化智能化建设步伐、抓住整合兼并机遇、提升竞争力的必要手段。
砂石骨料智慧堆场仓储及输送系统分析与设计
2.1 系统总体框架及子系统设计
首先建设砂石骨料智慧堆场及输送系统需要充分借鉴国家已有相关标准和规范，实现良好的可靠性、兼容性和扩展性。其次需考虑满足用户的实际需求功能，实现信息自动化采集、存储和应用，降低物流服务成本，提高生产工作效率，优化生产流程。最终提高整体智能化水平。
砂石骨料智慧堆场仓储及输送系统总体框架如下图所示：
采集层包括多种传感终端设备，通过这些传感设备识别物体、采集信息，将砂石骨料堆场所涉及的皮带输送机、卸料小车、气动浮门、振动给料机等设备工作过程中发生的物理时间信息和数据进行采集，包括堆场运料车辆、入料量、出料量、库存量、物料高度等物理量信息。实际上是将物理世界转化为数字信号进行描述。
网络层将传感器采集的信息汇聚起来，向数据库进行传输，为系统的决策提供数据支撑的依据。数据传输的实时性以及准确性是该层的关键。
汇聚层按照规范的程序和数据标准对数据资源进行标准化处理、交换和管理。主要功能包括：数据的采集与回送处理、输入处理、输出处理、数据统计、运算和控制、报警处理、网络通信及并发处理等。
应用层的表现形式为该系统各个子系统及其模块。现场操作人员、管理人员、堆场业主等多方均可通各种设备访问应用子系统。
智慧堆场仓储及输送物联网系统各子系统模块如下图所示：
2.2 智慧堆场智能入库系统
砂石骨料堆场入库骨料通常通过卡车运输，目前堆场对于入场车辆、骨料类型检验、称重和相关信息录入工作基本由人工完成，需要设置多个人员岗位，且数据在进行人工审核及输入时也极容易出错。
智慧堆场智能入库系统可以对进入堆场车辆身份信息自动验证、确定车载骨料类型、自动称重、并根据校验结果自动判断是否放行并指引行进及下料路径。此系统可提高车辆入库速度，提高数据收集检验的及时、准确性，减少堆场工作人员，降低运营成本。
满载车辆进入堆场区域后，智能入库系统结构如下图所示：
车辆到达汽车衡，司机无须下车，远距离读卡器自动感应车载标签信号并将其上传到现场称重台控制系统，经过识别软件解码得到车载卡号，通过局域网对调度中心数据库进行检索以获取来车详细信息。红绿灯指示车辆通行，汽车驶入秤台，前后红外开关实时检测车辆对位情况，到达重量感应阈值时自动触发系统称取皮重并抓拍图像上传存档。称重完成后，最新的过衡信息再次通过局域网存储到调度中心数据库。现场语音、LED同步提示告知司机将车载骨料运载至哪一个倒料口卸料，出口红绿灯指示车辆驶离秤台。系统检测到秤台重量为空时，系统入口的红绿灯指示放入下一车辆。
通过广泛征集专家经验并调查现场环境，系统建立了一套满足智慧堆场智能入库系统控制要求的规则库采用非数学广义模型控制过程，对各个工作点采用多种拟人处理策略以及部分预处理方法，最终实现车辆智能调度，并且在无人干预的情况下自主驱动执行机构实现控制功能，完成卸车任务。智能调度软件结构包括物理层、中间层、应用层三部分，流程如下图所示：
2.3 智慧堆场仓储调度系统
小规模、低水平的传统砂石骨料堆场，仓储堆料主要依靠人工完成，有相当大的随意性，卸料点很难对准下料孔，造成库内死料多，影响堆场的利用率，推升了单吨堆装成本。
当砂石骨料堆场不可避免的进行整合、重组后，一些大型砂石堆场出现，这些堆场的仓储堆料区域动辄占地一、二百亩，如此巨大的仓储区域已完全无法依靠人工肉眼观察卸料位置与库存情况，更无从操作骨料输送。
智慧堆场仓储调度系统堆料部分的设计充分利用堆场面积，不同料型成品料的堆积区域可以自由调整。
堆场平面布置示意图
根据每种物料的堆放总仓储容量及设计漏料孔位置，对输送堆场产品进行装卸自动计量。多种规格骨料入库量统计、出库量统计、库存统计以及库位存量统计。
实现对卸料小车的精确卸料定位、通过堆高检测系统对料仓库位堆高进行实时在线监测，并将数据传输至集散控制系统，最终达到堆场料堆的可视化。系统可根据料高实时数据自动调度卸料小车寻找卸料位置。
通过物联网管控系统、对砂石骨料堆场实时堆料量、堆料位置、布料小车的定位、输送速度等进行自动计量和历史统计分析，进行实时的生产监督管理。
可视化料高示意图
2.4 智慧堆场输送装车/船系统
传统方式管理下的堆场在出料装车/船时，无法得知具体每个料堆的余料情况，容易造成给料机空开或料堆已取空给料机仍工作的情况。装车/船采用操作工开皮带，堆场工人观察船只吃水，远程通知操作工调节的方式。无法避免工人偷卖物料的情况。
堆场存储的各种规格砂如何实现快速、高效、计量准确的输送至货轮，是智能化堆场建设的一个重要问题。
传统的装车/船方式中，因为操作人员对库位的具体存储情况了解不透明，只能依靠现场临时观察或根据经验判断打开哪个给料机输送物料。传统装车/船流程如下图所示：
传统装车/船流程图
因为需要人工判断从某个料仓、某个库位中取砂，而又缺乏数据支撑告知操作人员具体库位库存情况，所以需要人工在料仓的各个库位间观察库存情况，告知操作员打开哪些给料机送料，这样操作方式效率很低且浪费时间、人工。并且当某个库位的库存全部输出后，如果现场观察人员没有及时发现并通知操作人员关闭对应的给料机，那么就白白浪费了电力。
智慧堆场料堆、气动浮门与给料机效果图
采用物联网技术建设的智慧堆场输送装车/船流程如下图所示：
智慧堆场输送装车/船流程图
智慧堆场输送装车/船系统的核心在于输送物料实时计量与库存情况实时反馈，运用物联网技术的智能化输送装车/船流程可选择手动模式或自动模式进行操作。
在手动模式下，操作员首先输入需要装车/船的物料量，接着根据库存情况选择开启哪些给料机及其对应的皮带输送机。在装车/船过程中，可能会出现某个库位料取尽的情况，系统会提示操作员关闭该给料机以节省能源消耗。当装车/船计量已达到预设装车/船量时，系统自动停止给料机工作，之后依次关闭地笼皮带机、主皮带机、装车/船皮带机将皮带输送机上的余料输送完毕。
自动模式与手动模式的不同在于，操作员输入装车/船总量后，系统可以自动寻找最佳的装车/船库位，并自动开启对应的给料机、皮带输送机，在装车/船过程中自动关闭已取空库位对应的给料机。当装车/船计量已达到预设装车/船量时，系统自动停止给料机工作，之后依次关闭地笼皮带机、主皮带机、装车/船皮带机将皮带输送机上的余料输送完毕。
采用智慧堆场输送装车/船系统后，卸料过程变得高效，快捷。为产线管理方提供精确到每个料库中每个料堆的饱满情况，为输出调度、提供数据支持，避免给料机空转，提升管理水平降低运行成本。减少产品损耗及盗卖情况。远程计量精确计算各种产品的输出情况，一旦达到预设值，立即自动切断给料机，杜绝人为损失。
2.5 智慧堆场集散控制系统
大型砂石骨料堆场占地面积大，皮带输送设备、给料机、气动浮门数量均以百计，如采用传统的控制方式会造成诸多问题：
现场接线复杂，检修排查困难，无法快速熟悉现场操作方法；同时控制机柜需要增加大量的I/O模块，增加系统的负担，降低系统的稳定性；无法提供实时报警，现场只能用机械式仪表的方式展现简单的设备运行情况，无法根据现场实际情况提供各类报警阈值，操作工人无法及时排查设备出现故障的设备，容易造成安全事故；无法全面监控掌握现场的运行状况，由于现场仪表分散，彼此之间无明显的逻辑关系，无法及时全面掌握生产线的运行状况；无法设计设备之间的运行连锁、相互感知的关系，需要非常熟练的操作工人才能有序的完成对生产线的控制。
智慧堆场集散控制系统可以通过操控工作站来控制整个生产线，并且监视整个堆场的所有运行数据，它是以通信网络为纽带的计算机控制系统。
系统的组成主要包括工业控制计算机、通信网络、智能控制机柜以及定制的组态软件。控制机柜与工业控制计算机之间的通信网络采用Profibus-DP现场总线技术，工业控制计算机上扩展通信卡，机柜通过智能通讯模块挂在总线上。每个机柜分配唯一的逻辑地址。
智慧堆场集散控制系统主要包括系统管理、主控界面、设备参数、操作指令、报警信息、报表统计等功能。
系统管理的特色为不同的级别的操作人员拥有不同的登录口令，并且分配不同的权限，权限低的操作者分配低级别的操作指令，权限高的操作着分配高级别的操作指令，确保关键设备、关键动作只能由熟练的人员操作，有效防止误操作或者其他原因造成设备损失以及人身损害。
主控界面是设备运行时监视现场设备运行状态的主要界面。设备的运行状态在界面上均以颜色灯的方式显示出来。绿色灯表示对应的设备运转正常，黄色等表示设备处于正常停机状态，红色灯表示设备处于故障状态，结合报警信息栏的提示，若设备发生故障，可以快速定位设备故障，缩短故障排查时间。
通过组态软件读取所有智能控制机柜的运行状态，在组态软件中可以对设备的运行关系进行连锁。例如，给料机的输送机由于故障停机了，可以确保给料机自动停止，从而节省操作或者巡视人员所需的发现故障的时间，确保设备安全。
设备参数界面的功能是设置各个设备的运行参数，比如报警的油温、轴温、自动模式下设备的启停时间间隔等。通过集散控制系统的设备参数修改非常简单，只要预先给操作人员分配相应的权限即可。
操作指令界面集中了大量的设备控制用的装置。设备的操作采用虚拟按钮和虚拟拖动条等形式，如下图所示，不仅可以节省大量的硬件，通过有效的排列组合，还可以使操作人员的操作舒适性，减少误操作的可能性。
报警信息界面组态了大量的报警信息。报警信息采用弹出式的方式，未出现故障时，不会弹出报警；一旦现场设备有故障报警，组态界面上就会弹出提示，供操作人员快速判读并处理故障。
报表统计可以自动统计生产的关键数据供参考使用。通过报表统计界面，可以实时监控输送机的瞬时产量、累计产量等信息，并且可以查询立式数据。
采用智慧堆场集散控制系统后，可大为减少现场接线，减少设备维护、维修的周期，提高系统稳定性；全面掌握生产线的运行情况。在组态界面上，通过图形化的方式全面反映现场设备的生产运行情况；可以提供实时运行数据报警，弹出报警信息，提醒工人快速处理报警信息，减少故障的几率，将故障的损失降低；通过设计合理有序灵活的设备之间的连锁、解锁、启停顺序关系，确保生产按照既定的最优路线运营；提高产线运营方管理水平。对运行数据进行存储，方便查阅的同时还可以用来分析产线的运行状态，可查询设备历史运行数据和报警信息。
结论和展望
我国砂石骨料堆场的发展水平相对较低，偶有信息化大型堆场也只停留在物流信息化、无纸化方面。未来智慧化的堆场将不局限于砂石骨料堆场，并推广至散货堆场业务。将广泛应用传感技术、网络通信技术、射频识别技术等物联网核心技术，以统一的信息标准为基础，采用软件即服务或平台即服务的运营模式，通过公有云提供公共信息交换第三方服务、基础设施服务和核心服务，通过私有云提供业务信息平台服务，借助物联网感知、互联和智慧的技术特征，通过更快速的感知和更深度的智能，使堆场装备、车/船货信息以及散货堆场物流的各种资源与各个参与方之间进行互联互通，实现堆场多式联运信息互通、多港口间有效沟通和对物资、设备等的有效管理。
通过对大量仓储、转运堆场的实地需求调研，结合行业信息化建设情况及对未来的智能化要求，认为基于物联网技术的智慧堆场是实现砂石骨料堆场智能化的必然归宿。
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