基于無線專網(wǎng)的露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭 駿，安文慶,徐 淵

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

三傳統(tǒng)露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)［1]通常由GPRS/SMS無線通訊系統(tǒng)、車載智能終端系統(tǒng)、中心調(diào)度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成，可為礦山車輛調(diào)配提供數(shù)據(jù)與信息支持，優(yōu)化車輛調(diào)配方案，減少作業(yè)成本。但隨著智能化采礦技術(shù)迅猛發(fā)展，礦山智能化水平的不斷提升，對(duì)車輛調(diào)度的準(zhǔn)確性、及時(shí)性、功能性要求也隨之升高，采礦管理向信息化、自動(dòng)化、高效率的智能化礦山［2]邁進(jìn)已成為主流方向。傳統(tǒng)車輛調(diào)度系統(tǒng)存在以下不足：（1）通訊信號(hào)覆蓋率低，信號(hào)強(qiáng)度及帶寬過??；（2）無法通過系統(tǒng)平臺(tái)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，導(dǎo)致生產(chǎn)調(diào)度處于“開環(huán)”狀態(tài)；（3）車載智能終端系統(tǒng)智能化程度過低，人機(jī)交互、行車記錄等功能并不完善；（4）跨平臺(tái)交互能力弱，不具備和三維模型、采礦設(shè)計(jì)及排產(chǎn)軟件等平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)和管理整合的必要條件。傳統(tǒng)車輛調(diào)度系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)代化礦山的生產(chǎn)需要，礦山對(duì)新一代露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)的需求與日俱增。

因此，設(shè)計(jì)一種利用無線專網(wǎng)［3]進(jìn)行高效無線通訊，且在提供采礦設(shè)備實(shí)時(shí)位置、狀態(tài)跟蹤信息的基礎(chǔ)上，提供更加全面的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息、智能化調(diào)度分析、運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表生成及駕駛員作業(yè)指引等功能的露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)礦山智能化建設(shè)有著重大意義。

2 系統(tǒng)組成

本露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)具備技術(shù)先進(jìn)性、安全性、開放性、實(shí)用性等特性，主要包括無線通訊系統(tǒng)、車載終端系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)四個(gè)主要部分。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

車載終端系統(tǒng)采集設(shè)備各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，通過礦山4G無線專網(wǎng)將數(shù)據(jù)信息上傳至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)對(duì)各生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，通過4G無線專網(wǎng)及車載終端對(duì)各生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備下達(dá)各生產(chǎn)指令，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生產(chǎn)總體協(xié)調(diào)調(diào)度；現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)的所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)報(bào)表可上傳至互聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，互聯(lián)網(wǎng)用戶可通過訪問WEB服務(wù)器實(shí)現(xiàn)任何地點(diǎn)的數(shù)據(jù)訪問，達(dá)到管理、決策、指揮生產(chǎn)的目的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案示意圖

2.2 無線通訊系統(tǒng)

為滿足新一代露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)對(duì)無線通訊網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度與帶寬的要求，本露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)在礦區(qū)建立通信鐵塔并安裝4G-LTE 寬帶無線通訊基站，實(shí)現(xiàn)礦山4G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，所有無線基站連接至交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，并通過路由器連接到礦區(qū)專網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)中。無線通訊系統(tǒng)主要由天饋系統(tǒng)、固定基站、無線專網(wǎng)拉遠(yuǎn)基站、車載CPE、無線專網(wǎng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)、多媒體網(wǎng)管系統(tǒng)、核心網(wǎng)系統(tǒng)、無線專網(wǎng)電源系統(tǒng)組成。

天饋系統(tǒng)、固定基站及無線專網(wǎng)拉遠(yuǎn)基站共同搭建起礦區(qū)專用無線信號(hào)網(wǎng)，基站采用TD-LTE通信技術(shù)及1785MHZ-1800MHZ工作頻段，工作帶寬為5MHZ/10MHZ/20MHZ，實(shí)現(xiàn)礦山4G無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)高效全覆蓋。

車載CPE（一款基于TD-LTE無線路由器），CPE終端可接入IP網(wǎng)絡(luò)，完成各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸，且提供LAN接口，接口IP化［4]，可以進(jìn)行LTE無線數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)有線數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，完成各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。無線通訊系統(tǒng)中，車載終端即通過CPE與基站通信。CPE的作用就是建立移動(dòng)終端與基站的通信管道，從而保證終端數(shù)據(jù)能夠快速順暢的到達(dá)基站，并通過核心網(wǎng)到達(dá)數(shù)據(jù)中心。

無線專網(wǎng)應(yīng)急指揮系統(tǒng)，集成了基站、核心網(wǎng)、調(diào)度系統(tǒng)等功能，但同時(shí)具有一體化、小型化的特點(diǎn)，支持固定點(diǎn)部署方式和車載部署方式，可在必要時(shí)下為現(xiàn)場(chǎng)工作人員提供語(yǔ)音、調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸、視頻監(jiān)控等通信功能，是4G專網(wǎng)的一個(gè)應(yīng)急補(bǔ)充系統(tǒng)。

多媒體網(wǎng)管系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)基站、核心網(wǎng)網(wǎng)元和業(yè)軟設(shè)備（調(diào)度機(jī)、錄音錄像服務(wù)器）的集中管理。

核心網(wǎng)系統(tǒng)采用TD-LTE構(gòu)架［5]，支持語(yǔ)音集群業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并通過雙機(jī)備份提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。

無線專網(wǎng)電源系統(tǒng)為分布式基站提供直流供電。

2.3 車載終端系統(tǒng)

車載終端是安裝在挖機(jī)、鉸卡、鉆機(jī)及其它輔助車輛等設(shè)備上的專用計(jì)算機(jī)，由中央微處理機(jī)、觸摸屏、顯示屏、衛(wèi)星定位系統(tǒng)、接口系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。車載終端按照不同的設(shè)備類型分為：自卸車終端、挖機(jī)終端、鉆機(jī)終端、輔助設(shè)備終端等類型，設(shè)計(jì)上皆遵循以下基本原則。

（1）通用性，各種類型的終端具有統(tǒng)一的硬件接口和軟件接口，符合同一標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

（2）可擴(kuò)展性，預(yù)留擴(kuò)展接口，便于其它信號(hào)（如視頻信號(hào)等）上傳和擴(kuò)展升級(jí)。提供支持RS232、RS485、CAN等數(shù)據(jù)通信接口［6]，并提供相應(yīng)接口穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)程序、開發(fā)庫(kù)和相關(guān)例程。且終端機(jī)內(nèi)置WINDOWS CE或WINDOWS XP操作系統(tǒng),允許用戶通過VS2016集成開發(fā)環(huán)境對(duì)其執(zhí)行軟件二次開發(fā)，系統(tǒng)支持常用應(yīng)用軟件的安裝和正常運(yùn)行。

（3）可維護(hù)性，支持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和車載軟件的遠(yuǎn)程設(shè)置和配置，支持終端系統(tǒng)軟件遠(yuǎn)程升級(jí)。

（4）易操作性，操作界面簡(jiǎn)潔明了，系統(tǒng)易于操作，便于人機(jī)交互。

（5）礦區(qū)適用性，滿足防塵、防水、防震動(dòng)、防沖擊、耐高低溫等要求，安裝上符合礦車、挖機(jī)、鉆機(jī)、工程機(jī)械等設(shè)備的環(huán)境要求；電氣系統(tǒng)有過壓、過流，過熱保護(hù)電路，滿足防輻射、抗干擾的要求，且可每天24小時(shí)持續(xù)穩(wěn)定工作。

車載終端主要具有以下功能：

（1）設(shè)備北斗信息定位功能。

（2）運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、上傳功能。

（3）調(diào)度指令接收、播報(bào)功能。

（4）設(shè)備運(yùn)行路徑、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控提醒功能。

（5）傳輸信號(hào)不良時(shí)，信息自動(dòng)緩存、上傳功能。

（6）作業(yè)車數(shù)計(jì)算、運(yùn)距計(jì)算、點(diǎn)檢登記等輔助生產(chǎn)調(diào)度功能。

（7）信息查詢功能。

（8）語(yǔ)音集群交流及現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)視頻上傳功能。

車載終端通過顯示屏與觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，并通過車載CPE與礦區(qū)4G專網(wǎng)連接，完成數(shù)據(jù)信息的上傳與下載。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心系統(tǒng)是露天礦山調(diào)度系統(tǒng)的大腦，各車載終端系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、行車狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)信息經(jīng)由礦山4G無線專網(wǎng)匯總至現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，并結(jié)合其他數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)礦區(qū)生產(chǎn)進(jìn)行智能調(diào)度及維修管理。

2.4.1 數(shù)據(jù)獲取

為實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度及報(bào)表管理功能，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心需對(duì)其他數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集匯總，因此各個(gè)系統(tǒng)之間的接口設(shè)計(jì)和規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)各信息化系統(tǒng)集中整合、避免信息孤島、實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化的重點(diǎn)內(nèi)容，主要接口及功能如下：

（1）接口1：數(shù)字采礦排產(chǎn)軟件配礦指令提交給卡調(diào)系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：版本號(hào)、配礦計(jì)劃時(shí)間、鏟車編碼、鏟車名稱、爆堆編碼、爆堆名稱、供礦位置編碼、供礦位置說明、供礦品種、供礦量、供礦元素A品位、供礦元素B品位。

（2）接口2：卡調(diào)系統(tǒng)更新采礦排產(chǎn)軟件露天采場(chǎng)現(xiàn)狀模型。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：版本號(hào)、露天采場(chǎng)現(xiàn)狀模型編碼、露天采場(chǎng)現(xiàn)狀模型生成時(shí)間、現(xiàn)狀名稱、現(xiàn)狀三維模型。

（3）接口3：卡調(diào)系統(tǒng)更新采礦排產(chǎn)軟件露天采場(chǎng)臺(tái)階線。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：版本號(hào)、露天采場(chǎng)臺(tái)階線編碼、露天采場(chǎng)臺(tái)階線生成時(shí)間、臺(tái)階線名稱、坡頂?shù)拙€屬性、所屬臺(tái)階、臺(tái)階線三維模型。

（4）接口4：卡調(diào)系統(tǒng)更新采礦排產(chǎn)軟件露天采場(chǎng)道路。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：版本號(hào)、道路編碼、露天采場(chǎng)道路生成時(shí)間、道路名稱、道路線屬性、道路線三維模型。

（5）接口5：卡調(diào)系統(tǒng)更新三維激光掃描爆堆。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：版本號(hào)、爆堆編碼、爆堆生產(chǎn)時(shí)間、爆堆名稱、爆堆品位分組編碼、爆堆品位分組礦量、爆堆品位分組元素A品位、爆堆品位分組元素B品位、爆堆三維模型、爆堆品位、分組剩余量。

（6）接口6：卡調(diào)系統(tǒng)更新采礦排產(chǎn)軟件生產(chǎn)計(jì)劃。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：版本號(hào)、生產(chǎn)計(jì)劃編碼、生產(chǎn)計(jì)劃生成時(shí)間、生產(chǎn)計(jì)劃名稱、生產(chǎn)計(jì)劃類型、生產(chǎn)計(jì)劃三維模型、臺(tái)階計(jì)劃量、臺(tái)階計(jì)劃元素A品位、臺(tái)階計(jì)劃元素B品。

（7）接口7：數(shù)字采礦軟件與三維激光掃描數(shù)據(jù)接口。

數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：三維激光掃描數(shù)據(jù)編碼、三維激光掃描數(shù)據(jù)時(shí)間、三維激光掃描數(shù)據(jù)名稱、三維激光掃描數(shù)據(jù)建模成果（.DWG、.DXF等標(biāo)準(zhǔn)格式）。

2.4.2 智能調(diào)度

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心將卡調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)與采礦排產(chǎn)軟件、露天礦邊坡安全監(jiān)測(cè)、爆堆快速數(shù)字化測(cè)量三維激光掃描、固定設(shè)施自動(dòng)化系統(tǒng)等各信息平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并結(jié)合礦山生產(chǎn)工藝進(jìn)行功能匹配優(yōu)化，以優(yōu)作業(yè)路徑選擇、動(dòng)態(tài)車流規(guī)劃、配礦管理、模擬運(yùn)行的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大、效率最高、消耗最低的智能調(diào)度，智能調(diào)度 控制流程如圖2所示。

圖2 智能調(diào)度控制流程圖

2.4.3 報(bào)表管理

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心的報(bào)表系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)礦車、挖機(jī)、鉆機(jī)等設(shè)備的產(chǎn)量，記錄每月礦石、剝離的實(shí)測(cè)量結(jié)果，統(tǒng)計(jì)各設(shè)備作業(yè)狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息，根據(jù)需求生成統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。

2.5 互聯(lián)網(wǎng)用戶系統(tǒng)

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控中心的互聯(lián)網(wǎng)訪問功能，被授權(quán)用戶可通過訪問WEB服務(wù)器[7]，實(shí)現(xiàn)任何地點(diǎn)對(duì)調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，達(dá)到遠(yuǎn)程管理、決策、指揮生產(chǎn)的目的。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效益

3.1 直接效益

（1）通過最短路徑算法，實(shí)現(xiàn)礦車運(yùn)輸距離最短。

（2）通過合理的車流配置，實(shí)現(xiàn)車不等鏟、鏟不待車，充分發(fā)揮各工程設(shè)備作業(yè)能力。

（3）提高信息傳遞的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，車鏟發(fā)生故障后可以及時(shí)轉(zhuǎn)移車流，克服人工調(diào)度的滯后性，提高生產(chǎn)作業(yè)效率。

（4）提高配礦精準(zhǔn)性。

（5）自動(dòng)化采集大量原始數(shù)據(jù)，徹底杜絕瞞報(bào)、虛報(bào)產(chǎn)量等現(xiàn)象，提高管理水平。

（6）系統(tǒng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，消除由于地理位置帶來的管理不便，降低管理成本。

（7）綜合以上因素，結(jié)合綜合以上因素，結(jié)合實(shí)際規(guī)模及作業(yè)設(shè)備數(shù)量，預(yù)計(jì)車輛調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用后可為企業(yè)提高5%～15%生產(chǎn)作業(yè)效率（與礦山規(guī)模和管理復(fù)雜性相關(guān)）。

3.2 間接效益

（1）為采礦數(shù)字化、信息化、智能化建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（2）通過項(xiàng)目實(shí)施，培養(yǎng)專業(yè)技術(shù)人員。

（3）增強(qiáng)調(diào)度中心對(duì)礦區(qū)作業(yè)的監(jiān)管能力，安全預(yù)警系統(tǒng)和分路段限速，有效的避免交通事故的發(fā)生。

（4）提供實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和各類報(bào)表，加強(qiáng)機(jī)關(guān)在生產(chǎn)、設(shè)備、工程、安全、人力資源等方面的管理和控制水平，為生產(chǎn)決策提供必要的依據(jù)和保障。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）基于無線專網(wǎng)的露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)車輛調(diào)度系統(tǒng)通訊信號(hào)強(qiáng)度及帶寬有大幅提升，已可滿足現(xiàn)代化礦山智能化調(diào)度需要。

（2）大量設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)的采集不僅實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，也為后期的設(shè)備運(yùn)營(yíng)分析、生產(chǎn)決策提供了數(shù)據(jù)支撐。

（3）大量先進(jìn)技術(shù)的投入使用，使得此露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)智能化水平大幅提升，有效減少操作人員與管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）大量通用接口的使用，使得此露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)與其他系統(tǒng)與平臺(tái)的交互性大幅提升，在功能上具有大量的可擴(kuò)展空間。

基于無線專網(wǎng)的露天礦山車輛調(diào)度系統(tǒng)的投入使用將大幅提高礦山智能化水平與生產(chǎn)作業(yè)效率，降低生產(chǎn)作業(yè)與人工管理成本，并具有良好的未來發(fā)展前景。