“双碳”战略下煤炭公路运输智能化方案研究
时间：2023-07-25 来源：中国煤炭杂志官网 分享：★ 经济管理 ★
“双碳”战略下煤炭公路运输智能化方案研究
0 引言
2020年9月22日，在第七十五届联合国大会一般性辩论上，国家主席习近平向全世界郑重宣布，中国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[1]。我国长期以来一直关注国内国际的能源问题与环境形势，并采取一系列措施与手段，努力改善全球二氧化碳的过量排放。而我国的能源结构也注定了在未来一段时间内，煤炭依然是我国能源消费的主体。针对我国煤炭公路运输存在的问题，国内学者也进行了相关探讨。曾维刚等[2]指出煤炭公路运输存在货物难以集散、布局不合理、衔接不顺畅、管理较分散等问题；武徽[3]提出煤炭公路运输存在通讯设施不全、信息互通率低的问题；韩启昊[4]在总结山西煤炭物流发展现状时，分析了当前煤炭物流存在缺乏专业化管理思路和网络化物流意识以及信息化水平低等问题。因此，当前煤炭物流的发展应坚持问题导向，并结合“双碳”战略背景，构建一套适合煤炭公路运输的物流体系，从而改善煤炭公路运输的关键问题。
近年来，相关学者针对煤炭物流体系的构建与探索进行了研究。刘蕾等[5]从调度指令与调度逻辑角度，设计了一套适合在煤炭企业复杂场景下的智能化运输调度管理系统；许金立等[6]首次将煤炭物流信息平台主体架构扩展为硬件设施层、业务处理层、管理控制层、决策支持层以及门户层，实现煤炭物流的基本、增值、应用服务，为后续的物流平台建设提供了良好的技术参考；何斌等[7]依托模型化数据与可视化等现代技术手段，实现对重型运输车辆的全面政府监管；波士顿大学OSLEEB J P等[8]制定和使用混合整数数学规划位置分配模型煤炭物流系统(COLS)，通过利用大型集装箱的装卸来降低煤炭运输的成本和提高运输效率；QIAO J S等[9]考虑了煤炭运输网络的特点，基于复杂网络理论构建了煤炭运输网络拓扑模型，分析了煤炭物流运输网络内外部的复杂因素。目前专家学者大多数是基于单独的软件系统，以高效率运输为主要目标构建物流运输系统，而对全流程的实施方案讨论较少。
结合当前发展较为迅速的物联网、5G、射频识别(RFID)等现代化手段与技术，利用运输各环节上的机械设备、智能化装置与平台管理等，构建一套适合当前煤炭生产企业、物流企业以及煤炭消费企业的公路运输物流体系，并在此基础上提出煤炭公路运输的低碳、高效方案，以期对未来我国煤炭行业低碳化发展提供参考。
1 煤炭公路运输的现状分析
我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，在一次能源消费结构中，煤炭占比最高。2021年，我国能源消费总量52.4亿t(标准煤)，其中煤炭消费量29.3亿t。能源消费结构方面，煤炭消费量占能源消费总量的56.0%。我国煤炭产地多集中在北方的山西、陕西、内蒙古等省(区)，而煤炭的需求地则集中在华东、华南地区，我国煤炭运输的主流方向为“西煤东运”“北煤南运”。因此，煤炭运输存在运距长、运量大的问题[10]。
煤炭运输中，不同运输方式的规模差异较大，多式联运的基础设施设计和建设还不完善，定价与信息系统不统一[11]。而公路运输作为铁路和水路煤炭运输的重要补充，具有灵活性大、占地少、对地形条件适应性好、造价低、运输设备型式多样等特点。公路运输是煤炭3种运输形式中二氧化碳排放较高的一种。同时，煤炭的运输效率低与运营成本高，也是阻碍煤炭公路运输业发展的重要因素。煤炭公路运输车辆在装卸煤前，普遍存在排队时间过长、运煤效率低等问题，且我国区域煤炭公路运输车辆主要是个体车辆，区域煤炭公路运输经验模式主要是个体或小物流公司经营，车辆规模和车辆结构发展存在一定的盲目性，管理不到位导致运营效率低、司机成本高、运营成本高、运力资源闲置、空驶率高、浪费现象突出等问题，迫切需要进行调整改善[12]。
西部陆港所在的内蒙古自治区包头市城区有9座燃煤电厂，公路煤炭运输量高达3 000万t/a，运输过程中传统高栏车厢沿途洒落的煤粉，造成城市道路扬尘污染严重。加之传统运输模式下，重型柴油卡车在干线往返途中以及在电厂排队卸煤期间的尾气排放问题严重，环保减排压力巨大。严重的环境污染与过高的碳排放量，严重影响当地人民的生活质量。内蒙古自治区乌海市某运输线路全程260 km，在传统运输方式中该线路行驶时长11 h，装卸排队时间需5～6 h。由于厂区开放时间仅10 h，车辆排队到达门口后若赶上厂区封闭则要多等待一夜，更改路线平均完成一次运输需要1～2 d。较长时间的等待排队与超低效率的装卸环节，严重影响了货运司机的运煤效率，也增加了运煤货车的运输成本。
因此，构建一套适合煤炭行业低碳、高效的物流体系，可以帮助煤炭运输业更好地发展。
2 煤炭公路运输智能体系构建
为适应当前煤炭公路运输现状，依据公路运输的多个关键节点，综合利用多种现代技术手段，构建新时代的煤炭公路运输智能化体系。该体系由煤仓自动装配、无人智能磅站、运输路线优化与在途监控、终端煤炭接卸、平台智能管理5部分构成。
2.1 煤仓自动装配
煤场/煤仓(主要为选煤厂)的商品煤，通过基于机器视觉的自动化装煤系统[13]，对运输煤炭的数字货箱进行定量化装载。系统能够对数字货箱进行数字化扫描，获取煤炭在货箱内的堆放情况，并对输送槽道进行实时调整，确保系统实现高效快捷的煤炭装车。自动装配系统组成如图1所示。
图1 自动装配系统组成
2.2 无人智能磅站
运输煤炭车辆在出入煤仓时，通过装有无线射频识别(RIFD)装置、LED显示屏、智能道闸等物联网设备的过磅台，对车辆上的RIFD卡进行识别，记录车辆的出入库信息[14]。智能过磅台能够对车辆号牌、业务计划信息、数字货箱状态信息等进行实时记录与上传。无人智能过磅站系统架构如图2所示。
图2 无人智能过磅系统架构
2.3 运输路线优化与在途监控
利用GIS系统(地理信息系统)为运输数字货箱的车辆制定行程优化、成本最低的运输线路[15]。根据安装在车辆上的GPS模块，能够实时反馈货箱在途位置信息。数字货箱内部装有实时自燃预警监控系统，一方面可以对货箱内煤炭高温自燃现象进行预报预警，另一方面通过实时监控信息在平台中上传，也避免了运输道路上偷煤、换煤等情况发生。
2.4 终端煤炭接卸
通过无人智能过磅站的运输车辆，平台会根据货仓的实际状态，分配货车前往空闲的卸载仓。利用正面吊设备对车辆上的数字货仓进行吊卸，并放置在卸载煤炭的转子式翻车机上，对煤炭进行卸载。通过平台分配运输车辆的卸货仓提高了物流接卸效率，通过翻转式翻车机实现煤炭卸载的高效化。
2.5 平台智能管理
煤炭物流智能管理平台主要参考冯沛珍[16]的智能物流管理平台功能架构设计，如图3所示。
图3 平台模块逻辑
物流管理平台通过煤炭信息管理模块、配送信息管理模块、报表管理模块、智能接单模块等，实现贸易方在煤炭交易各环节的线上监督与管理。通过物流管理平台，贸易方能够实时了解当前煤炭交易价格与运输费用情况；通过监控设备、管理平台与云服务器的互联，便于贸易方在线查看煤炭货源信息、物流信息与煤仓库存信息；在物流管理平台上进行交易，实现了办公的无纸化与财务单据的电子化。对于运输司机，在完成本次运输服务后，可以在平台中开启接单服务，在线接收物流运输单。开启下一次的煤炭运输，实现煤炭运输的“网约车跑单”。
3 煤炭公路运输智能化方案
煤炭公路运输智能化方案的构建有3方面，即线上智能处理、系统平台辅助运输数字货箱、机械高效装卸货箱与智能接单。通过线上线下双渠结合、高效利用吊装设备、GIS系统对路线的合理规划等，共同搭建了“双碳”目标下的煤炭公路运输智能化方案，如图4所示。
图4 煤炭公路运输智能化方案流程
3.1 线上信息智能处理
客户通过在线管理平台公布的信息了解煤炭价格、运输单价、预计达到时间、煤炭储量信息等。客户通过在线下单的方式向物流管理公司发送订单，物流管理公司派发订单给本公司内部司机，司机在线接单并等待接收成功后，开启本次物流交易。并在平台上通知司机前往指定地点装载数字货箱。
3.2 系统平台智能运输数字货箱
煤仓工作人员开始准备利用正面吊设备将空的带有煤源信息、自燃预警监控等数字货箱放置在运输车辆上，司机前往自动装煤系统处，待系统装满煤炭后，通过无人智能过磅站平台进行重量测量，并记录车辆出库信息。运输过程中，通过物流管理平台反馈的信息，客户能够了解煤炭货源信息、煤炭运输车辆位置信息、预估到达时间等。根据GIS系统制定的运输路线，司机可以直接到达煤仓目的地。在运输途中，运输车辆的GPS模块与数字货仓的自燃监控系统会实时反馈车辆位置信息与煤炭状况信息，避免了运输途中盗煤情况的发生。
3.3 高效卸载、智能接单
司机到达既定地点后，通过正面吊设备将数字货箱放置于转子式翻车机，对煤炭进行卸载，卸载全程预估耗时3 min左右。再由货车司机装载数字货仓通过智能过磅站，更新车辆信息与货物状态信息，开启下一轮的接单运输。平台后台会根据相应记录核算运输载重，制定相应的财务报表清单发送给贸易方财务人员。
4 煤炭公路运输智能化方案的重要意义
通过构建煤炭公路运输智能化方案，提高了煤炭公路运输信息化水平并实现了低碳化与高效化。通过在线平台管理、新能源汽车运输、智能过磅站等智能、低碳手段的有机结合，提升煤炭行业整体发展水平的同时，可助力煤炭行业尽早完成“双碳”目标。
(1)煤炭公路运输信息化水平更高。通过数字运输管理平台，可以实现煤炭运输上下游企业的信息联通、信息共享；对接煤炭交易网等网站进行煤炭价格、运输距离的对比等；在管理平台上能够实现对货物状态、车辆信息等的实时掌控；增强物流管理公司对货车司机的管理组织性与司机投身运输服务的积极性；提高运输队伍的整体服务水平。
(2)煤炭公路运输更加低碳化。通过利用新能源汽车进行煤炭运输，从根本上解决了汽车尾气排放的问题。采用线上电子化办公，减少了纸质单据的使用。以上低碳措施均对“双碳”目标的实现有所贡献。
(3)煤炭公路运输更加高效化。利用平台进行线上交易，通过合理安排接货地与目的地，大大缩短了司机等待装卸煤炭的时间，由以前的1趟/d增长为现在的3～4趟/d。并且，基于智能过磅站的快速反应，运输车辆平均过站时间缩短至30 s，运输效率大大增加。同时，正面吊设备与翻车机系统的应用，也极大地提高了煤炭卸载效率，促进了煤炭运输业高效发展。
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