額爾德木吐
(國能準能集團有限責(zé)任公司信息中心,內(nèi)蒙古 準格爾旗 010300)
傳統(tǒng)的露天開采生產(chǎn)工藝包括礦巖松碎、采裝、運輸、排廢等環(huán)節(jié)。工藝系統(tǒng)又分為間斷工藝系統(tǒng)、連續(xù)工藝系統(tǒng)、半連續(xù)工藝系統(tǒng)、倒堆工藝系統(tǒng)等。各種工藝系統(tǒng)中車輛運輸是不可或缺的環(huán)節(jié),只是系統(tǒng)種類不同車量運輸所占的比重不同。傳統(tǒng)的觀點,采礦生產(chǎn)中運輸成本最高,包括設(shè)備、人工、輪胎和燃油消耗等。但是,從現(xiàn)代的管理角度,成本不但考慮這些消耗成本,還要考慮安全、環(huán)保、碳排放、員工健康等社會成本。為此,隨著技術(shù)的發(fā)展和管理的需求,智慧露天礦山、綠色開采、自動駕駛、無人駕駛等概念和應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)?!吨腔勐短斓V山5G自動駕駛白皮書》[1]系統(tǒng)闡述了礦山5G自動駕駛應(yīng)用概念內(nèi)涵、作業(yè)場景、典型應(yīng)用以及總體技術(shù)架構(gòu)。自動駕駛系統(tǒng)[2]將成熟的感知、規(guī)劃、定位等多重自動駕駛技術(shù)及傳感控制單元應(yīng)用于礦卡上,實現(xiàn)礦區(qū)采礦平臺、運礦道路、破碎站及停車場等場景下全自動穩(wěn)定可靠行駛?!爸腔勐短斓V山建設(shè)實施方案”[3]基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新型信息化技術(shù)成果,集成礦山的各類傳輸網(wǎng)絡(luò)、感知系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等現(xiàn)狀成果,打通數(shù)據(jù)、信息、管理孤島,形成統(tǒng)一高效的礦山數(shù)據(jù)倉庫,搭建“融合、協(xié)同、高效、開放、綠色、智慧”的智能生產(chǎn)平臺、智慧管理平臺,形成提升資源開發(fā)和企業(yè)轉(zhuǎn)型的重要支撐,促進各類資源快速、準確傳遞,追求經(jīng)濟價值、安全價值、生態(tài)價值的最大化,逐步實現(xiàn)具有主動感知、自動分析、深度學(xué)習(xí)、智慧決策、科學(xué)指揮的智慧型礦山。
本文主要研究智慧露天礦山的運輸問題,所以有必要研究分析城市交通運輸、公路物資運輸和露天采礦運輸管理技術(shù)的現(xiàn)狀[4]。物聯(lián)網(wǎng)和智能交通技術(shù)的最新發(fā)展[5],是智慧城市的關(guān)鍵標志和實現(xiàn)城市智慧化的重要基礎(chǔ)。
公路貨物運輸由道路網(wǎng)絡(luò)、客戶、倉庫、車輛和駕駛員等要素組成,在給定限定條件下,把一批存于一個或多個倉庫的貨物通過運輸車輛和道路網(wǎng)絡(luò)為一組客戶提供運輸服務(wù)。運輸過程的運輸路徑和車輛問題,通過計算機系統(tǒng)的優(yōu)化,滿足客戶的所有要求,并將全球運輸成本降至最低。過去幾十年,基于優(yōu)化算法的計算機系統(tǒng)日益增多,用于分布與各地的貨物高效運輸調(diào)度和服務(wù)。全球大量實際應(yīng)用表明,使用計算機系統(tǒng)進行運輸過程的動態(tài)規(guī)劃,可節(jié)省5%到 20%運輸成本。這些運輸成本的減少,對全球經(jīng)濟體系的影響是巨大的。事實上,運輸流程涉及生產(chǎn)和銷售系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié),從而降低10%到20%的商品最終成本?;谟布蛙浖嬎銠C系統(tǒng)信息系統(tǒng)與生產(chǎn)和商業(yè)進程深度融合,是運輸調(diào)度技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。同樣重要的是,建模和算法的發(fā)展是交通運輸調(diào)度自動化的另一個成功因素。相關(guān)的模型和算法,充分考慮到了實際應(yīng)用中所面臨的具有分布特征的所有問題,相應(yīng)的算法和系統(tǒng)的時間和空間復(fù)雜度的優(yōu)化,為實際應(yīng)用提供了良好的解決方案[6]。
為了研究智慧露天礦山的運輸問題,露天開采調(diào)度系統(tǒng)必須提及。該系統(tǒng)是在采礦管理系統(tǒng)環(huán)境下,使用數(shù)據(jù)通信、 計算機、 全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù),為管理露天礦的卡車運輸提供自動的優(yōu)化調(diào)度。自1980年世界上第一套這種系統(tǒng)——模塊露天采礦調(diào)度系統(tǒng)[7]問世以來,從當初的靶標定位與通訊,到目前的GNSS和4G、5G網(wǎng)絡(luò),軟硬件技術(shù)經(jīng)歷了幾代的發(fā)展,通過實現(xiàn)運輸卡車和裝載設(shè)備的匹配、維護跟蹤、礦料配比及設(shè)備健康監(jiān)控等功能,使露天采礦得到了很好的效益。
為了研究智慧露天礦山的運輸問題,本文把傳統(tǒng)的采礦運輸問題加以拓展,由于篇幅所限,第二部分主要從礦山空間的重構(gòu)、運輸設(shè)備的監(jiān)控和信息采集管理三個方面展開討論;第三部分結(jié)合哈爾烏素露天煤礦與運輸相關(guān)的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析和研究;最后,對本文的相關(guān)研究內(nèi)容結(jié)合實際案例進行了討論,并對相關(guān)的應(yīng)用研究領(lǐng)域進行了展望。
關(guān)于智慧露天礦山的定義和內(nèi)涵,目前對其定義不統(tǒng)一,引用文獻[8]的內(nèi)容,把智慧露天礦山解釋為:智慧露天礦山是以礦山數(shù)字化、信息化為前提和基礎(chǔ),對礦山生產(chǎn)、職業(yè)健康與安全、技術(shù)支持與后勤保障等進行主動感知、自動分析、快速處理,建設(shè)智慧露天礦山,最終實現(xiàn)安全礦山、無人礦山、高效礦山、清潔礦山的建設(shè)。智慧露天礦山建設(shè)主要包括:智慧生產(chǎn)系統(tǒng)、智慧職業(yè)健康與安全系統(tǒng)、智慧技術(shù)支持與后勤保障系統(tǒng)建設(shè)。
在已有設(shè)施的基礎(chǔ)上,進行設(shè)備補充和系統(tǒng)完善,構(gòu)建了滿足車輛通信網(wǎng)絡(luò)中的無縫架構(gòu)。所構(gòu)建系統(tǒng)考慮多種訪問技術(shù),實現(xiàn)通訊開放的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。使用 4G、CAN、RF和藍牙技術(shù)創(chuàng)建了多訪問無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),為車輛運行提供連續(xù)、開放的連接。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的目標是最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量,并保證數(shù)據(jù)延遲和數(shù)據(jù)包丟失在車輛運行應(yīng)用的最低要求范圍內(nèi)。為此,系統(tǒng)基于車輛網(wǎng)絡(luò)的作業(yè)類別和環(huán)境,對每個活動網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)實現(xiàn)流動性管理。該體系結(jié)構(gòu)不同于其他常用網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),因為這里考慮了每個應(yīng)用程序類的需求,如吞吐量、延遲和數(shù)據(jù)包丟失。此外,根據(jù)當前活動網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)來執(zhí)行流的劃分[9-12]。
車輛網(wǎng)絡(luò)的移動管理解決方案。把車輛被劃分為不同的群集,每個群集被視為移動網(wǎng)絡(luò)。群集內(nèi)通過藍牙設(shè)備進行通信,以減少切換延遲并最小化數(shù)據(jù)包丟失率。根據(jù)不同的功能,車輛網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分成兩種:移動車輛和 AP。將網(wǎng)絡(luò)移動的概念定義到車輛網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)空間距離和車輛相對速度,將所有車輛劃分為不同的集群。每個群集構(gòu)成一個移動網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
在圖1的示例中,有三個移動網(wǎng)絡(luò)。移動網(wǎng)絡(luò)的移動方向顯示為箭頭。本文不討論如何將車輛劃分為不同的集群以及如何有效地維護動態(tài)集群的問題。假設(shè)有一個高效的聚類方案,在其它物理設(shè)備(如 GNSS)的幫助下生成和維護聚類。如果將每個群集視為移動網(wǎng)絡(luò),則網(wǎng)絡(luò)移動性管理可實現(xiàn)車輛網(wǎng)絡(luò)的移動方案管理模式。
在該方案中,群集中的車輛分為四種類型的節(jié)點:群集頭節(jié)點、群集尾部節(jié)點、群集中心節(jié)點和常規(guī)群集節(jié)點。群集中心節(jié)點是提供移動路由器功能的車輛。在群集中,所有車輛通過群集中心節(jié)點訪問 Internet。在圖1中,車輛 A、B和C是群集中心節(jié)點。這些節(jié)點連接到路邊的 AP。同一群集中的車輛之間的通信可以通過臨時路由協(xié)議實現(xiàn)。群集頭節(jié)點是位于群集前面的車輛,相反,群集尾部節(jié)點是位于群集末尾的車輛。對于移動網(wǎng)絡(luò)A,車輛A2是群集頭節(jié)點,因為它位于移動網(wǎng)絡(luò)的前面A對整個移動網(wǎng)絡(luò)的移動方向,車輛 A1 是移動網(wǎng)絡(luò)的群集尾部節(jié)點。由于集群是移動的,車輛的速度不同,集群頭節(jié)點和集群尾部節(jié)點將動態(tài)變化。群集中沒有任何移動特定管理功能的其它車輛(如A3、A4)都是常規(guī)群集節(jié)點。集群頭節(jié)點和集群尾部節(jié)點根據(jù)車輛的地理位置及其相對速度確定。聚類中心節(jié)點根據(jù)車輛的功能確定。因此,一個車輛有可能同時成為集群尾部節(jié)點和集群中心節(jié)點。特殊情況是群集中只有一個車輛,該車輛將充當群集頭節(jié)點、群集尾部節(jié)點和群集中心節(jié)點的所有角色。
通過可靠高效的通訊,通過本方案中的卡車調(diào)度系統(tǒng),實現(xiàn)了生產(chǎn)運輸?shù)闹悄芑?,包括:①盡量減少卡車的行駛時間并完成生產(chǎn)任務(wù);②盡量減少車輛排隊時間;③在整個生產(chǎn)運輸過程中為司機提供可視的成本效益動態(tài)報告。
數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)先級為仲裁機制是CAN總線服務(wù)的主要特點。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送,報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中,具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。采礦運輸環(huán)境中的優(yōu)先策略不應(yīng)僅僅基于單車的需求,而應(yīng)統(tǒng)籌全網(wǎng)目標的需求。
目前,總線優(yōu)先管理的架構(gòu)由下列中央實體組成:車輛自動定位單元,負責(zé)監(jiān)測總線位置;調(diào)度分析單元,負責(zé)調(diào)度需求的優(yōu)先級;車輛發(fā)動機和控制系統(tǒng)健康監(jiān)控單元,負責(zé)車輛故障的優(yōu)先級;安全預(yù)警系統(tǒng)單元,負責(zé)車輛運行環(huán)境信息的優(yōu)先級;輪胎監(jiān)控單元,確定行走系統(tǒng)的信息傳輸優(yōu)先級;載重系統(tǒng)單元,負責(zé)荷載和裝載信息的優(yōu)先級;燃油系統(tǒng)單元,負責(zé)燃油信息的優(yōu)先級。這些實體單元通過基于基礎(chǔ)設(shè)施的通信系統(tǒng)進行鏈接,進行信息交換?;诨A(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)先級管理技術(shù)在確定優(yōu)先級請求的實體的位置、優(yōu)先級請求方法和優(yōu)先級控制的位置有所不同。估算車輛滯留時間是優(yōu)先請求的一個重要組成部分,可以有效地預(yù)測運輸車輛的行程時間。
2.1.2 混播禾草種類對混播植物POD活性的影響 A2處理禾草POD活性最高,其次是A3處理。其中,A2處理禾草POD活性分別比A1,A3和A4處理高250.04%,20.22%和350.42%倍,差異均達極顯著水平(P<0.01);A3處理禾草POD活性分別比A1和A4處理高191.18%和274.68%(P<0.01)。A1和A4處理之間差異不顯著(表1)。A1處理下苜蓿POD活性比A4處理高19.47%(P<0.01);A3處理POD活性比A4處理高16.40%(P<0.05);其余處理之間無顯著差異。
個性化的調(diào)度系統(tǒng)是智慧露天礦山運輸所需要的調(diào)度系統(tǒng)。為生產(chǎn)車輛(通過運輸設(shè)備)提供裝卸載的個性化導(dǎo)航提示。使用客戶端-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu),位置感知基于 GPS/北斗。通過服務(wù)器和客戶端之間的 Internet 連接,并把部分計算任務(wù)分布在服務(wù)器和運輸設(shè)備客戶端。
露天采礦的全部過程是在整個相關(guān)的地理空間中。采礦空間及空間實體時刻在變化,作業(yè)與具有這種空間特點的運輸設(shè)備對空間系統(tǒng)的依賴性要比其他交通場景的依賴性強。所以,“智慧露天礦山實時地理信息系統(tǒng)”是運輸設(shè)備正常運行的基礎(chǔ)設(shè)施[13-15]。
用于智慧露天礦山實時GIS的方案如圖2所示。該方案是為實時獲取、存儲、分析和可視化采礦地理空間數(shù)據(jù)而設(shè)計。與傳統(tǒng)GIS平臺不同,實時GIS強調(diào)提供高吞吐量和高速處理GIS數(shù)據(jù)。這些信息流對位置敏感,時間粒度要求高,并且與礦山運輸設(shè)備的傳感器構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng),連續(xù)采集、處理、構(gòu)建地理空間。
圖2 智慧露天礦山空間實時建模架構(gòu)
礦山運輸車輛上安裝的多種傳感器,以收集車輛的位置、速度和移動方向以及環(huán)境信息。采礦運輸設(shè)備的實時數(shù)據(jù)是一種大數(shù)據(jù),用于捕獲各種設(shè)備的移動,以便更好地了解設(shè)備的移動規(guī)律和采礦空間結(jié)構(gòu)。GNSS為運輸設(shè)備提供了更精確、時間連續(xù)性更好的位置信息,采集設(shè)備運動軌跡,以量化基于活動的采礦空間屬性,生成空間分布目標矩陣,并判斷礦區(qū)功能區(qū)。通過這些連續(xù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)流,應(yīng)用地理科學(xué)的空間分析技術(shù),從復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的角度模擬構(gòu)建露天采礦動態(tài)空間。
代理系統(tǒng)模型是一種用于模擬具有獨立特征對象的計算模型,進而試圖揭示整體系統(tǒng)外在表現(xiàn),并預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)的模式和其演變規(guī)律[7]。根據(jù)露天礦山空間的固有和動態(tài)特征,用不同的實時數(shù)據(jù)源與固有的地質(zhì)測繪信息,應(yīng)用代理系統(tǒng)對露天采礦地理信息空間進行實時建模,結(jié)果表明:①隨著更多代理選擇實時數(shù)據(jù)與固有的地質(zhì)測繪信息相近,映射的空間區(qū)域?qū)⒏?;②?shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類越多,設(shè)計良好的代理模型將顯著提高空間實時建模的準確性。
可視化是為采礦設(shè)計者、生產(chǎn)和管理人員展示信息的重要手段。可視化通過提供一種有效和直觀的方式來可視化大數(shù)據(jù),有時即使是混亂的數(shù)據(jù),也可以直觀地揭示一個現(xiàn)象或過程背后的復(fù)雜、隱藏的規(guī)律。
在研究中,將數(shù)據(jù)可視化技術(shù)重點放在與運輸車輛相關(guān)的傳感器實時收集的數(shù)據(jù)上。根據(jù)數(shù)據(jù)收集中使用的傳感器類型(移動傳感器或固定傳感器),這些數(shù)據(jù)可以分為兩類:①軌跡數(shù)據(jù),其中對象的位置和屬性會隨著時間而變化;②在固定位置收集的時態(tài)數(shù)據(jù),例如在裝在點和卸載點采集的車輛在中數(shù)據(jù)。在后一種情況下,只有觀測的時間戳和值更改。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源相比,這些數(shù)據(jù)通常是非結(jié)構(gòu)化的或半結(jié)構(gòu)化的,包含每個觀測的多個變量,并且從遠程連續(xù)傳輸?shù)椒?wù)器。為了分析數(shù)據(jù)的多樣性,可視化可以表達信息不同的方面:時間、空間、時空和多維度。
國際數(shù)據(jù)公司 (IDC) 將大數(shù)據(jù)定義為:”大數(shù)據(jù)技術(shù)描述了新一代技術(shù)和架構(gòu),旨在通過實現(xiàn)快速采集、發(fā)現(xiàn)和/或分析,從大量各種數(shù)據(jù)中高效地獲取價值?!贝髷?shù)據(jù)技術(shù)中的通信系統(tǒng)是通過收集和集成異構(gòu)服務(wù)中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)的。通過2.1和2.2的論述,充分證明,本文研究的系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)是典型的大數(shù)據(jù)。接下來重要的任務(wù)是根據(jù)智慧露天礦山的特點,如何更好的應(yīng)用這些大數(shù)據(jù)。
該領(lǐng)域的研究包括具有大型分布式數(shù)據(jù)處理平臺的數(shù)據(jù)倉庫產(chǎn)品,以及機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等數(shù)據(jù)分析技術(shù)。智慧露天礦山大數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā),是智慧露天礦山從業(yè)者和研究人員的一項緊迫任務(wù),給學(xué)術(shù)界、行業(yè)和其他組織帶來了重大挑戰(zhàn)。需要新的技術(shù)來管理和分析大數(shù)據(jù),以創(chuàng)造價值,提高相關(guān)預(yù)測的準確性,提高管理水平和安全性,并實現(xiàn)智能的決策。
哈爾烏素露天煤礦公司生產(chǎn)和管理達到了現(xiàn)代化的數(shù)字化水平。因此,數(shù)據(jù)增長率在近些年一直非常高,尤其是生產(chǎn)運輸部門,包括:車輛自動定位;生產(chǎn)調(diào)度;車輛發(fā)動機和控制系統(tǒng)健康監(jiān)控;安全預(yù)警系統(tǒng);輪胎監(jiān)控系統(tǒng);載重系統(tǒng);燃油系統(tǒng)。這些系統(tǒng)時刻在產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量。事實上,這些大數(shù)據(jù)遇到許多問題和相關(guān)挑戰(zhàn),如存儲、可擴展性、處理、及時性、企業(yè)秘密和信息安全。
哈爾烏素智能礦山的建設(shè),立足現(xiàn)有基礎(chǔ)條件,應(yīng)用本文所論述的技術(shù),實現(xiàn)了下列經(jīng)濟效益和社會效益。
1)配套信息化技術(shù)改造和管理提升,有效降低物料消耗,使準能公司、哈爾烏素煤炭成本分別在2016年預(yù)算124.11元/t和138元/t基礎(chǔ)上分別降低1.19元/t和1.60元/t,降至122.92元/t和136.40元/t。
2)提升生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化、智能化水平,實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人或少人,煤礦、選煤廠、維修中心、炸藥廠等單位轉(zhuǎn)崗作業(yè)人員350名,使煤炭生產(chǎn)作業(yè)效率得到顯著提高。
3)推進設(shè)備管理的信息化和智能化,提高設(shè)備的利用效率和運行維護水平,使煤礦大型設(shè)備出動率提升3%、實動率提升2%。
4)結(jié)合一體化生產(chǎn)執(zhí)行平臺、一張圖等先進應(yīng)用,有效提升煤礦的生產(chǎn)設(shè)計、計劃編制、調(diào)度指揮和作業(yè)管理效率和水平,實現(xiàn)以效益為中心的煤炭生產(chǎn)科學(xué)化管理。
運輸車輛軌跡點數(shù)統(tǒng)計曲線如圖3所示,運輸車輛軌跡點數(shù)累計增量如圖4所示。軌跡點的采集原則是能表達出車輛運動規(guī)律和運輸量,所以對軌跡數(shù)據(jù)進行保存時做了過濾處理。從圖4可以看出,每班全天的數(shù)據(jù)量大約30萬,增長率非常高,成線性增長特點。這些特點,符合大數(shù)據(jù)的實效、價值、海量等基本標準。
圖3 運輸車輛軌跡點數(shù)統(tǒng)計曲線
圖4 運輸車輛軌跡點數(shù)累計增量
智慧露天礦山車輛運輸環(huán)境中的實時數(shù)據(jù)分析問題是本領(lǐng)域的主要問題。因為車輛需要實時數(shù)據(jù)或信息來進行智能自動調(diào)度。實時將這些原始數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理,成為有價值的信息是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。如今盡管數(shù)據(jù)存儲能力不是系統(tǒng)中的主要矛盾,但是,前端不處理,而是一味的傳輸?shù)椒?wù)器存儲處理,主要存在下列問題:①加大通訊載荷;②原始數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu),與經(jīng)過處理后的本體數(shù)據(jù)是不同的,這樣會增加服務(wù)器系統(tǒng)的復(fù)雜度;③實時數(shù)據(jù)處理意味著在本地處理數(shù)據(jù),而不是存儲數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化信息并存,本地實時處理將快速決定數(shù)據(jù)的有效性。進行實時分析的另一個重要因素是所采集的信息滿足有效性后,在實時場景中對聚合的信息進行分析,就以獲得的有效信息集做出置信度高的挖掘,或者應(yīng)用例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、時間序列、卡爾曼濾波等算法基于歷史信息或先前分析的信息進行模式匹配。因此,數(shù)據(jù)驗證和數(shù)據(jù)分析在前端實時進行至關(guān)重要。
本文是對哈爾烏素智能礦山建設(shè)的總體論述。針對本文研究的重點運輸設(shè)備上采集到的大數(shù)據(jù),如果采用更加先進、統(tǒng)一標準的技術(shù)來收集、管理和分析海量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)無疑為智慧露天礦山的無人駕駛提供研究基礎(chǔ)。對目前的生產(chǎn)運輸也會有更廣泛的影響和更廣泛的應(yīng)用,將提高運輸效率,同時最大限度地降低設(shè)備維修和管理成本。