礦山開采環(huán)節(jié)電氣自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用策略
——以傳感技術(shù)為例

郭潤梅

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730207）

傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山開采領(lǐng)域，包括在自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操作等應(yīng)用領(lǐng)域，以及用于控制和優(yōu)化數(shù)據(jù)分析。本文的討論范圍是確定和呈現(xiàn)將在未來十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)的可行的傳感技術(shù)。它包括對目前現(xiàn)有的傳感系統(tǒng)的舉例分析，以及對未來的礦山開采傳感前景的概述。本文概述了目前礦山開采中的主要傳感應(yīng)用，包括支持它們的技術(shù)和方法，以及可以增強(qiáng)這些應(yīng)用的發(fā)展可能性，包括定位和跟蹤﹑成像﹑三維測距和測繪﹑礦石成分分析﹑勘探等。最后，本文介紹了在礦山開采中應(yīng)用的傳感技術(shù)的展望，確定了在礦山開采中所需要的關(guān)鍵傳感技術(shù)。以下首先介紹傳感技術(shù)在礦山開采中的應(yīng)用策略。

1 定位和跟蹤技術(shù)

如今，各種傳感器技術(shù)一般涉及到相對和絕對位置的檢測﹑跟蹤和通信，但也涉及到車輛﹑設(shè)備和其他資源的位置情況等。在礦山開采領(lǐng)域，這些技術(shù)主要涉及無人駕駛汽車控制﹑設(shè)備的遠(yuǎn)程操作﹑資產(chǎn)管理和跟蹤﹑現(xiàn)場安全和人員定位。這類傳感器系統(tǒng)的主要類型是衛(wèi)星(GPS)和地面（基于無線電頻率的）定位系統(tǒng)﹑航跡推算系統(tǒng)（基于慣性傳感器的位置跟蹤）﹑信標(biāo)傳感器和標(biāo)記技術(shù)。

1.1 無人駕駛技術(shù)

礦山開采業(yè)已經(jīng)使用無人駕駛汽車多年，以降低運(yùn)輸成本和安全考慮。局部傳感和控制等電氣自動(dòng)化技術(shù)為車輛提供了更多的自主性。車輛可以連續(xù)運(yùn)行，并具有各種支持的功能，如路線和位置優(yōu)化﹑避免碰撞和維護(hù)控制等。另外，諸如實(shí)時(shí)跟蹤﹑調(diào)度﹑分配和生產(chǎn)力管理等功能也正在成為傳感技術(shù)中可行的方案。

這一領(lǐng)域的發(fā)展主要源于先進(jìn)的乘用車駕駛輔助系統(tǒng)的快速發(fā)展。這些系統(tǒng)提供了越來越多的功能，包括導(dǎo)航﹑避免碰撞﹑停車輔助和自動(dòng)停車﹑變道輔助和自適應(yīng)巡航控制。由于各種要求，這些系統(tǒng)還集成了超聲波和激光雷達(dá)傳感器。礦山開采自動(dòng)化預(yù)計(jì)將受益于這些系統(tǒng)在汽車市場上的成本降低。其結(jié)果將是汽車自動(dòng)化的傳感器數(shù)據(jù)更豐富的組合，以及更精確和可靠的控制。

1.2 射頻定位

全球?qū)崟r(shí)定位幾十年來一直為礦山開采領(lǐng)域的定位和跟蹤發(fā)揮了巨大的作用。地面接收器可以從來自四個(gè)或更多已知位置的衛(wèi)星的已知代碼序列中確定具體位置，利用同步確定的飛行時(shí)間﹑傳輸時(shí)間和衛(wèi)星位置來同步確定其位置。目前正在使用的主要系統(tǒng)是GPS，系統(tǒng)能夠提供約5米的范圍精度。目前，這一系統(tǒng)正變得越來越精確，主要是通過在固定的位置使用二級接收器。這種混合系統(tǒng)的一個(gè)商業(yè)例子是在大多數(shù)智能手機(jī)產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)的輔助GPS服務(wù)。此外，中國的北斗系統(tǒng)和歐洲的伽利略系統(tǒng)預(yù)計(jì)將提供厘米級的絕對定位來作為一種商業(yè)服務(wù)供大眾使用。

對于室內(nèi)位置，基于類似的工作原理也可以實(shí)現(xiàn)射頻定位。在這類系統(tǒng)的最新進(jìn)展中，美國宇航局采用了超寬帶實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)，并提出用于各種應(yīng)用，包括礦山開采地點(diǎn)導(dǎo)航，具有高精度﹑可擴(kuò)展性和雙通信等特點(diǎn)。在短暫的離線周期的情況下，這些系統(tǒng)通常能夠從最后一個(gè)已知的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來估計(jì)位置，然后通過對加速度和方向的局部跟蹤來估計(jì)位移。用于礦山開采應(yīng)用的射頻和慣性傳感器系統(tǒng)已經(jīng)被設(shè)計(jì)和應(yīng)用。純粹的慣性定位系統(tǒng)也具有一定的可行性，特別是可以定期訪問一個(gè)已知的位置。隨著地下作業(yè)的日益自動(dòng)化，具有離線能力的室內(nèi)定位將變得越來越重要[1]。這種定位系統(tǒng)進(jìn)一步可能的應(yīng)用應(yīng)包括自動(dòng)操作的機(jī)械臂和開采的鏟端。一個(gè)例子即CRC礦山開采掃描范圍傳感器，其中距離傳感器在現(xiàn)場主要用于礦山開采鏟的控制。

1.3 信標(biāo)和RFID傳感器

位置信標(biāo)系統(tǒng)目前用于洞穴監(jiān)測的挖掘。礦石位置用信標(biāo)標(biāo)記，以監(jiān)測礦山開采活動(dòng)期間的情況，以預(yù)測礦石中的雜質(zhì)情況。這種實(shí)時(shí)洞穴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)一定程度的優(yōu)化。目前的技術(shù)涉及到大尺度的信標(biāo)，主要是需要發(fā)射一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場。它們的位置可以由一個(gè)固定的探測器來確定。信標(biāo)系統(tǒng)也可以用于局部定位，通過提供鄰近信息，檢查點(diǎn)，或特定區(qū)域的圍欄來進(jìn)行局部定位。這種系統(tǒng)的一個(gè)案例可以在將射頻信標(biāo)引入到室內(nèi)定位的消費(fèi)電子無線設(shè)備中中找到。在這些應(yīng)用中，低功耗運(yùn)行和能源效率是關(guān)鍵要求。

類似的定位原理也可以通過使用射頻識(shí)別(RFID)標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)移動(dòng)的物體可以被一個(gè)本地的RFID閱讀器跟蹤，在幾米的范圍為被動(dòng)標(biāo)簽，或在幾十米的范圍為主動(dòng)（電池供電）標(biāo)簽。相反，裝有RFID傳感器的移動(dòng)物體可以通過識(shí)別已知位置的被動(dòng)或主動(dòng)標(biāo)簽檢查點(diǎn)來跟蹤自己的位置。基于RFID的信標(biāo)解決方案的主要優(yōu)勢是允許以最小的成本使用大量的標(biāo)簽。

1.4 短程估計(jì)傳感器

短程估計(jì)傳感器也可以用于定位和跟蹤，可以作為獨(dú)立的系統(tǒng)或與其他定位技術(shù)相結(jié)合。它們通常在礦山開采作業(yè)中的使用主要與無人駕駛汽車等自動(dòng)化設(shè)備的位置和定位控制有關(guān)，包括避撞和人員安全。在方向控制中，接近開關(guān)和掃描系統(tǒng)與中央定位系統(tǒng)(地面射頻﹑GPS等)一起運(yùn)行，提供補(bǔ)充信息，提高相關(guān)自動(dòng)化的準(zhǔn)確性﹑速度和可靠性的能力。在避碰方面，短程估計(jì)傳感器用于檢測和防止危險(xiǎn)情況。主要的短程估計(jì)傳感器技術(shù)是基于感應(yīng)﹑電容﹑電磁﹑超聲波和光學(xué)工作原理而進(jìn)行工作的。感應(yīng)式和電容式短程估計(jì)傳感器分別通過物體的近距離存在來檢測磁場和靜電場的擾動(dòng)。因此，它們傾向于在近距離操作，通常距離要求低于100mm。電磁﹑超聲波和光學(xué)短程估計(jì)傳感器可以提供遠(yuǎn)程檢測，并可能提供進(jìn)一步的關(guān)鍵信息，如距離﹑接近速度和溫度。目前用于礦山開采場地的系統(tǒng)主要是基于電磁傳感器的自動(dòng)車輛避撞系統(tǒng)。

2 成像、三維測距和測繪

圖像和測繪傳感器在礦山開采工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括現(xiàn)場本地和遠(yuǎn)程操作監(jiān)控﹑設(shè)備監(jiān)控和控制，以及車輛自動(dòng)化。它們在大規(guī)模地形和測繪﹑儲(chǔ)量監(jiān)測﹑洞穴演化跟蹤﹑巖面監(jiān)測和顆粒測量等方面發(fā)揮出了在礦山開采領(lǐng)域中的特定用途[2]。

2.1 視覺傳感器

視覺傳感器是基于電荷耦合設(shè)備(CCD)或CMOS傳感器而制造的。它們都是基于入射光子的電子激發(fā)，由此產(chǎn)生的電荷代表光的強(qiáng)度的原理來進(jìn)行工作的。光學(xué)濾光片用于捕獲紅﹑綠和藍(lán)光。在CCD中，每一幀都是通過靜電門控將連續(xù)的電荷從一個(gè)像素移動(dòng)到另一個(gè)像素來提取的。在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都有一個(gè)電荷放大器，并且可以單獨(dú)尋址。CCD傳感器實(shí)現(xiàn)簡單，使用成本低，能夠快速提高像素密度﹑陣列大小等，而CMOS成本也低，但能夠提供更低的功率和更快的操作，以及能夠與硅電子產(chǎn)品集成。由于其具有非常龐大的消費(fèi)市場，用于靜態(tài)或視頻圖像的CMOS相機(jī)傳感器以非常低的成本和高像素?cái)?shù)受到廣泛應(yīng)用。另外，因其尺寸較小，所以它們能夠與非常小的光學(xué)系統(tǒng)兼容，并且具有額外的功能，如自動(dòng)對焦﹑變焦等。

2.2 紅外傳感器

紅外相機(jī)在礦山開采中的應(yīng)用包括車輛和其他礦山開采設(shè)備的防碰撞處理﹑受阻照明條件下的視覺處理，以及探測危險(xiǎn)，如煤的自燃等。紅外傳感器的工作原理是入射紅外輻射的熱效應(yīng)，如電阻的變化﹑熱電或熱釋電效應(yīng)或熱膨脹，另外還有工作原理是基于電子激發(fā)效應(yīng)。近年來，低帶隙半導(dǎo)體和超晶格材料的發(fā)展使得紅外傳感器能夠在更高溫度下以高分辨率運(yùn)行。另外，傳感陣列已經(jīng)用于軍事，這一應(yīng)用使得便攜式傳感成為可能。此外，有智能手機(jī)已經(jīng)推出了一種簡單﹑低成本的便攜式紅外相機(jī)，其主要基于來自紅外和可見光相機(jī)傳感器的數(shù)據(jù)組合處理。

2.3 深度傳感器

從2000年至今，視覺傳感器的快速發(fā)展為各種新的設(shè)備提供了可能。一個(gè)具有代表性的例子是深度傳感器——一種能夠提供圖像三維輪廓的設(shè)備的出現(xiàn)?，F(xiàn)有主要的深度傳感器技術(shù)主要包括ToF成像﹑立體傳感器﹑結(jié)構(gòu)光技術(shù)和光場攝像技術(shù)等。ToF成像包括調(diào)制(IR)光的傳輸和檢測﹑相移測量和對距離的轉(zhuǎn)換。立體感知包括從不同的角度獲取圖像和基于算法的三維重建。結(jié)構(gòu)光技術(shù)是基于紅外點(diǎn)﹑條紋或多個(gè)可編程模式的傳輸和檢測，以及基于對這些信息分析從而完成對深度的確定。

在光場相機(jī)技術(shù)中，利用微透鏡捕捉每個(gè)像素的光方向信息，這些信息隨后被用來推斷深度剖面的三維圖像，例如重新聚焦圖像等。最近的進(jìn)展涉及到新的光學(xué)透鏡方法，如聯(lián)合使用傳統(tǒng)的透鏡和微透鏡來實(shí)現(xiàn)全分辨率的定向捕獲。這類傳感器的制造商包括Raytrix公司和Lytro公司。激光設(shè)備在礦山開采過程中通常用于手持定制測距系統(tǒng)，也用于遠(yuǎn)程測繪，特別是巖石面分析。便攜式激光測距裝置的一個(gè)例子是激光技術(shù)TruPulse360系列，它可以測量斜坡距離和傾角。

2.4 三維映射

三維映射是基于光學(xué)和位置/方向傳感器的結(jié)合，有時(shí)輔以其他硬件，如深度和鄰近檢測，以及空間重建軟件等等。硬件在視角﹑景深﹑分辨率﹑定向精度等方面的發(fā)展在三維映射的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。目前，將多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)合并到一個(gè)三維空間模型中是一個(gè)關(guān)鍵，因?yàn)檫@可以從大量原始數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)提取并提供所需的信息，從而降低存儲(chǔ)和傳輸成本。成像重組的一個(gè)例子是沉浸式成像系統(tǒng)，它使用拼接算法構(gòu)建單個(gè)位置周圍的完整全景圖像。另一個(gè)例子可以在谷歌的一個(gè)項(xiàng)目中找到，這是一個(gè)主要用于室內(nèi)位置的三維地圖系統(tǒng)。它是基于最先進(jìn)的光學(xué)﹑定位﹑接近度和加速度傳感器與數(shù)據(jù)重組算法的組合。整個(gè)系統(tǒng)可以裝在一個(gè)智能手機(jī)大小的包裝中。這一發(fā)展有望既能降低成本，又能提高目前可用的中小型三維監(jiān)測系統(tǒng)的性能。

許多自動(dòng)導(dǎo)航任務(wù)中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是同步定位。在局部地圖和精確位置都不完全可知的情況下，通過迭代兩者之間的計(jì)算來提高這兩個(gè)任務(wù)的準(zhǔn)確性。預(yù)計(jì)改進(jìn)性能的位置和映射傳感器能大幅提高其使用率。

3 礦山開采中的成分分析

成分分析的關(guān)鍵應(yīng)用是確定挖掘過程中礦石的元素組成(例如：用于鉆孔定位）﹑加工（例如，控制選礦設(shè)備），以及在挖掘﹑加工和運(yùn)輸過程中按礦石品位進(jìn)行分類。由于對低品位礦石開采和加工的需求，礦石品位分析變得越來越重要，同時(shí)也越來越具挑戰(zhàn)性。目前，電氣自動(dòng)化為這一過程建立了礦石級分析方法，如X射線熒光和x射線衍射等，目前主要支持實(shí)驗(yàn)室分析。然而，一些分析技術(shù)的手持現(xiàn)場儀器正在成為可能?；趯?shí)驗(yàn)室的設(shè)備的一個(gè)例子是由qemscan系統(tǒng)開發(fā)的基于結(jié)合掃描電子顯微鏡和能量色散x射線光譜為基礎(chǔ)的設(shè)備。電氣自動(dòng)化的進(jìn)步使得手持設(shè)備的發(fā)展成為可能，比如微型穆斯鮑爾波譜儀，最初是為美國宇航局開發(fā)的，現(xiàn)在已經(jīng)被用于礦山開采分析。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的使用使便攜式質(zhì)譜儀的開發(fā)成為可能，其能夠用于液體﹑固體和氣體分析的各種應(yīng)用，為現(xiàn)場移動(dòng)或預(yù)裝礦石分析解決方案提供了可能性。材料分析儀器的下一步發(fā)展將是利用直接安裝在設(shè)備中的微型模塊，如挖掘具和鉆頭，對礦石進(jìn)行實(shí)時(shí)成分評估。

品位分析中的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是從材料組成中確定實(shí)際品位，因?yàn)椴煌牟牧烯p復(fù)合材料和濃度在礦物加工過程中表現(xiàn)不同?；趥鞲衅鞯牡V石分析的進(jìn)展擴(kuò)大了可以通過礦石取樣檢索到的信息量。到目前為止，這些系統(tǒng)只使用更簡單的傳感器類型（照相機(jī)和紅外光譜學(xué)）來結(jié)合軟件分析，如粒子識(shí)別。例如，動(dòng)力感應(yīng)已經(jīng)向市場引入了能夠檢測有效載荷的系統(tǒng)，包括使用高速XRF和高頻電磁波譜學(xué)的礦石品位評估。這種實(shí)時(shí)礦石分級系統(tǒng)的好處包括最大限度地減少礦石類型的錯(cuò)誤分配和礦石稀釋，從廢物中回收礦石的機(jī)會(huì)，通過減少廢物的質(zhì)量來提高礦石品位。在能源消耗方面，可以實(shí)現(xiàn)減少破碎和研磨的需求；在水資源節(jié)約方面，在研磨過程中需要的水更少。總之，礦山開采的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是找到一種有效開發(fā)高品位礦石的方法。在這種情況下，實(shí)時(shí)礦石分級系統(tǒng)在精確加工和補(bǔ)充資源效率方面具有革新礦山開采業(yè)的潛力。

4 傳感技術(shù)在礦山勘探中的應(yīng)用方法

4.1 重力梯度法

重力梯度法已經(jīng)成為測量地球重力加速度變化的常用技術(shù)。它在礦山開采中的應(yīng)用與確定地球的地下密度剖面有關(guān)，這可以表明礦床的存在。目前廣泛使用的傳感器技術(shù)是基于旋轉(zhuǎn)圓盤上切向加速度的差分測量。另外，如靜電重力梯度儀(EGG)也可以提供了相當(dāng)高的精度。歐洲航天局的GOCE任務(wù)使用了一個(gè)EGG裝置，提供了一個(gè)精確的全球重力模型﹑一個(gè)全球地殼-地幔邊界剖面以及一系列的次級數(shù)據(jù)和信息。

4.2 延時(shí)地震監(jiān)測

地震儀通常被設(shè)計(jì)用于測量地殼的低頻大振幅運(yùn)動(dòng)，使用懸掛在寬頻率響應(yīng)的彈簧結(jié)構(gòu)上的慣性質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)。它們通常用于石油﹑天然氣和礦山開采應(yīng)用，以估計(jì)勘探階段的地下成分。時(shí)間推移地震監(jiān)測（四維地震監(jiān)測）是指對地震振動(dòng)的連續(xù)監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對場地行為的動(dòng)態(tài)理解。在傳感器技術(shù)中的最新進(jìn)展已經(jīng)允許測量具有適合于分布式安裝的裝置尺寸的微地震活動(dòng)。這些系統(tǒng)對挖掘地點(diǎn)﹑洞穴/坑穩(wěn)定性﹑對異常礦井地震活動(dòng)性和地震災(zāi)害的詳細(xì)評估﹑繪制放崩前傳播和誘發(fā)地震響應(yīng)都有很好的監(jiān)測效果。

5 結(jié)論

在傳感器技術(shù)領(lǐng)域中，準(zhǔn)確和廣泛可用的定位有利于礦山勘探的有效性﹑資產(chǎn)管理﹑運(yùn)營控制和擴(kuò)展集中化等等。礦石品位監(jiān)測有望使得礦山開采這一過程從低品位礦床中更有效地開采出高品位礦石。根據(jù)特定于礦山開采的操作條件和技術(shù)，電氣自動(dòng)化技術(shù)中的傳感技術(shù)發(fā)揮出了巨大的作用。因此，礦山開采﹑網(wǎng)絡(luò)分析和傳感行業(yè)之間的更密切聯(lián)系將成為制定可持續(xù)的礦山開采路線的重要思路。