智能卡車調度系統(tǒng)在塞爾維亞波爾市VK露天礦的運用

簡錫明，陳耀煌

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 上杭 364200)

塞爾維亞波爾市Veliki Krivelj 礦(簡稱VK礦)是塞爾維亞境內規(guī)模最大的露天銅礦山，也是一個世界級的露天礦山。VK礦開建于1979年，1983年投產，迄今已有43年歷史，現保有銅礦資源量礦石量7.1億t，銅金屬量229萬t，平均品位0.322%。礦山采用大型化設備作業(yè)，采用16 m3、18 m3與22 m3的電動液壓挖掘機與136 t、220 t與240 t級自卸卡車，年采剝總量達62 Mt，年采礦23.1 Mt。

VK礦生產時間較久，在采礦作業(yè)過程中采用的是人工調度車輛的方式，生產數據采用的是手工繪圖與手工統(tǒng)計報表，在生產組織上往往出現調度不及時、車輛等候時間過長、車輛遲滯現象嚴重、作業(yè)效率不高的問題。同時，手工繪圖與手工統(tǒng)計報表，常常發(fā)生統(tǒng)計失誤的現象，影響了準確性與及時性。而且，手工統(tǒng)計報表保管難度也大，容易出現檔案丟失的情況。為進一步提升設備效率，優(yōu)化礦卡的運行，提高報表的及時性與準確性，節(jié)約成本，挖潛增效，建設世界一流的智慧數字礦山。VK礦于2020年引進了智能卡車調度系統(tǒng)(簡稱卡調系統(tǒng))，于2021年7月投入使用。

露天智能卡調系統(tǒng)是將計算機技術、自動化技術、通訊技術、電子技術，全球衛(wèi)星定位GPS技術等結合在一起，運用于采礦工程中的數字化礦山建設系統(tǒng)。隨著露天礦山設備大型化、機械化、自動化程度的提高，礦山采剝運輸費用占生產總成本的比例也越來越高，一般占整個露天礦山生產成本的60%[1]以上。據統(tǒng)計，VK礦的采剝運輸成本占采選總成本的63%。智能卡車調度系統(tǒng)的成功運用，對礦山提高生產效率、降低投資成本、減少運營成本、提升礦山經濟效益與智能化建設水平，具有極其重要的意義。

1 卡調系統(tǒng)的技術原理與系統(tǒng)架構

卡調系統(tǒng)由硬件與軟件構成，以計算機技術為基礎，充分利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS系統(tǒng)或北斗系統(tǒng))，以數據庫為核心，綜合無線傳輸技術，將位置信息傳輸至終端設備和內部接收模板，用于實現設備實時調度、監(jiān)測、統(tǒng)計、對比、分析、決策、反饋等功能[2]。其硬件主要包括中央計算機系統(tǒng)、車載智能終端、無線通訊系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)[3]。軟件包括為滿足客戶不同需求而開發(fā)的軟件操作平臺，主要包括礦卡/挖機/鉆機等設備精確定位、智能調度、產量統(tǒng)計、自動報表等功能以及根據各礦山個性化需求而開發(fā)的使用功能。

VK礦智能卡調系統(tǒng)在架構上通過GPS全球定位系統(tǒng)，采用MESH無線網傳輸，并通過4個固定基站與2個移動基站信號連接，將車載終端、挖機終端、鉆機終端等全面聯(lián)系在一起[4]。在調度中心通過光纖與網絡交換機連接，采用中央計算機系統(tǒng)運算，運用開發(fā)的調度平臺軟件，將數據傳輸到卡調中心用戶電腦端，并通過大屏幕投放讓調度員實現實時調度(如圖1、2、3所示)。

圖1 智能卡車調度系統(tǒng)網絡基站布置圖Fig.1 Diagram network of intelligent truck dispatching system

圖2 智能卡車調度系統(tǒng)硬件布設圖Fig.2 Hardware layout of intelligent truck dispatching system

圖3 智能卡車調度系統(tǒng)視頻監(jiān)控圖Fig.3 Video surveillance diagram of intelligent truck dispatching system

2 卡調系統(tǒng)的主要功能

根據VK礦的實際情況，卡調系統(tǒng)開發(fā)的主要功能包括車輛實時定位系統(tǒng)、及時報警系統(tǒng)、生產調度與智能調度系統(tǒng)、車輛防碰撞系統(tǒng)、自動計量與報表系統(tǒng)等。

車輛實時定位系統(tǒng)：通過GPS定位模塊，對安裝的終端設備(電鏟、礦卡等)進行實時定位以及歷史軌跡查詢。

及時報警系統(tǒng)：對設備異常情況給予及時報警、提醒。包括挖機待裝超時、卡車無故停車、缺少駕駛員、超速行駛、車輛故障等情況。

生產調度與智能調度系統(tǒng)：生產調度系統(tǒng)由中控室調度中心控制系統(tǒng)與轉載終端控制系統(tǒng)構成。調度管理人員可以即時對采場內所有的車載終端的電鏟、礦卡進行調度，統(tǒng)一安排生產。調度指令可以通過系統(tǒng)下達，同時可以用對講機系統(tǒng)實時與駕駛員保持溝通。智能調度系統(tǒng)通過計算機系統(tǒng)對運輸路徑與運輸時間進行測算，從而自動對終端鏟裝設備與運輸設備派發(fā)指令，節(jié)省時間，提高效率。系統(tǒng)可以根據設備作業(yè)的起點、終點，自動優(yōu)化行駛路徑，根據電鏟的作業(yè)效率和車輛的運輸效率，自動測算出最優(yōu)的車輛配比與行駛路徑，并在車輛終端頁面、中控室調度控制臺上顯示所建議的導航路徑。

車輛防碰撞系統(tǒng)：當車輛之間距離相距30 m相向行駛，速度在15 km/h以上時，車載終端會進行互相提醒，在雨雪大霧天氣時，可以對相向行駛車輛進行提前預警，預防事故發(fā)生。

自動計量與報表系統(tǒng)：卡調系統(tǒng)自動計算出各電鏟產量、各排卸點產量、各卡車產量、各作業(yè)點產量等數據。并根據生產需求，累計開發(fā)應用生產統(tǒng)計報表，由英語、塞語雙語實施，實現對設備運行全流程的記錄，并具有回放功能，可以隨時備案與調查。

其他輔助設備：包括高清攝像頭、無線對講系統(tǒng)等。高清攝像頭具備調焦功能，可以看清3 km范圍內工作場景。在露采四周安裝了高清攝像頭，結合卡調系統(tǒng)與無線對講系統(tǒng)，可以實時對生產現場進行調度，對異常情況進行調查與監(jiān)控。

3 應用情況

VK礦運用卡調系統(tǒng)將采掘設備、運輸設備、穿孔設備與道路優(yōu)化、生產調度等有機結合在一起，形成統(tǒng)一的調度管控系統(tǒng)。自卡調系統(tǒng)投入使用以來，車輛安全管理得到了進一步的加強，作業(yè)效率得到了明顯的提高，有效地提升了產量，節(jié)約了成本，帶來了巨大的經濟效益。

3.1 安全管理提升

露天采礦安全管理一個很重要的方面就是車輛行駛安全管理。塞爾維亞冬季雨雪大霧天氣較多，在冬季生產期間，卡調系統(tǒng)能很好地調度車輛作業(yè)情況，保持車距，在相向會車過程中，駕駛員可以提前30 m得到會車預警，及時做好會車避讓等，減少車輛交通安全事故發(fā)生概率。在交接班期間，卡調系統(tǒng)可以有序地指揮車輛?？?，駕駛員做到有序的交接與行車前車檢，做好交接班記錄，不僅提高了交接班效率，并且提升了整個作業(yè)場所的秩序與安全性。

3.2 設備作業(yè)效率提升

在卡調系統(tǒng)投入使用之前，2021年1—7月份，礦卡設備出勤率為83.3%；卡調系統(tǒng)投入使用后，2021年8—12月，礦卡設備出勤率提高至88.3%；2022年1—6月礦卡設備出勤率提高至90.1%提高了6.8個百分點。2022年采剝總量為6 200萬t，可潛在提升421.6萬t的產量，并節(jié)省大量成本?？ㄕ{系統(tǒng)對設備效率的提高主要體現在減少設備運行的遲滯、停頓現象[5]。卡調系統(tǒng)可以對每臺礦卡運行道路及運往電鏟作業(yè)點、礦石破碎站、廢石破碎站或排土場的時間做出精確的測算，通過及時預警與調度，對排隊超過10 min的礦卡，可及時調整到附近另外一臺電鏟中，減少不必要的等候時間。同時，根據塞爾維亞國家法律，每名駕駛員每班有30 min的休息與茶歇時間，在缺乏卡調系統(tǒng)監(jiān)控期間，部分駕駛員休息可能會超過40 min，甚至達到1 h，卡調系統(tǒng)投入使用后，可以對駕駛員的休息時間做出及時預警，提高工作效率。

3.3 有效節(jié)約成本

露天采礦大宗成本的支出主要體現在柴油、電力與炸藥的消耗，以及人工成本和維修費用。在露天礦所有成本開支中，柴油消耗成本占了47.5%，炸藥消耗成本占了12.0%。礦卡在重載上坡等候期間，將浪費大量不必要的燃油，卡調系統(tǒng)的成功運用，使車輛不必要的等候時間大幅減少，提升了6.8個百分點的設備出勤率，可節(jié)省燃油消耗約6.8個百分點。VK礦一年柴油消耗量達3 035萬升，卡調系統(tǒng)的成功運用意味著每年可節(jié)省約206萬升柴油，并且提高了產量，減少了碳排放，產生了巨大的經濟效益與社會效益。

3.4 報表與統(tǒng)計

智能報表與統(tǒng)計的投入使用，可大幅減少不必要的人工測算與報表的整理，同時對于礦卡數據的精確統(tǒng)計，有利于單鏟單車生產效率的統(tǒng)計，推進單鏟單車的產量考核，提高操作員的責任意識，提高設備生產率。產量報表統(tǒng)計的準確性與測繪結果可相互驗證，確保生產報表誤差不超過2%，避免作業(yè)環(huán)節(jié)中出現漏報或多報現象。對于生產環(huán)節(jié)中出現誤報的情況，卡調系統(tǒng)可以對車輛的運行軌跡與作業(yè)時間進行重播與檢測，進一步提高計量的準確性。

4 存在的問題及提升建議

VK礦卡調系統(tǒng)的引進大幅提高了作業(yè)效率，節(jié)約了成本，但在使用過程中也存在一些問題，如部分車輛行駛軌跡丟失、自動報表與手工結算報表的數據偏差等。同時，在生產智能化調度與智能化管控方面，還有待進一步的提升。

4.1 信號的加強

由于VK露天礦范圍較廣，南北長2.5 km，東西寬1.8 km，最高標高達600 m，最低標高為5 m，垂向延深達595 m，同時，需要兼顧到周邊3個排土場的信號傳輸需要，目前卡調系統(tǒng)只有4個固定基站加2個移動基站，難以完全滿足要求，尤其是在東北部排土場以及坑底平臺運礦時期，礦卡有時會出現信號丟失的現象，導致運距與產量報表數據出現偏差。為了加強信號，以及做到整個卡調系統(tǒng)的全覆蓋，需要在礦區(qū)范圍內增補7個信號塔，這樣可以進一步提高調度的精確性。同時，可以進一步提升報表的準確性，將報表偏差由現有的2%減少到0.1%。根據報表數據，可以實現對每班電鏟與礦卡的產量進行單機考核，在重點突進作業(yè)面，要求22 m3電鏟每天產量不低于3.5萬t，卡調系統(tǒng)可以進行及時的考核與報告，從而進一步提高作業(yè)效率。

4.2 智能配礦系統(tǒng)的開發(fā)

VK礦的礦化情況基本是深部為高品位礦石，中部為低品位礦石，在7萬t/d技改投產后，每天將有十余個作業(yè)面出礦，現有人工測算與調度的模式已經不能滿足生產的需求?？ㄕ{系統(tǒng)智能配礦的開發(fā)，可以根據采廠各爆堆礦量、品位、運距、運輸時間等情況，以及根據選廠入選品位需要，自動提醒相應爆堆的配礦計劃，自動記錄相應爆堆礦量的存量與消耗量，及時提醒進一步做好穿孔與備礦工作，實現均衡出礦[6]。智能配礦軟件的運用，需要用到Surpac或3DMine、Deswick等三維礦山軟件。需要準備具有一定屬性的線文件，將爆堆的編號、位置、品位數據、礦量數據等提前輸入，再導入卡調系統(tǒng)軟件中，這在塞爾維亞也是首次使用，因而對地質工程師需要提前做好培訓，對卡調中心調度員的監(jiān)管與運用也需要做好交接。

4.3 高精度鉆機與高精度挖機

現有炸藥消耗成本占露天礦總成本的12%，為進一步降低炸藥單耗，提高鉆機作業(yè)效率，可以采用卡調高精度鉆機系統(tǒng)。根據作業(yè)區(qū)域巖性的軟硬程度，合理調整炮孔間距。通過多次爆破試驗，以及對礦區(qū)巖性分布的研究，明確在泥灰?guī)r、黏土等軟弱巖性中不需要爆破，直接鏟裝；在頁巖、灰?guī)r中，采用7 m×7 m的孔網參數進行松動爆破；在熱液改性高嶺土安山巖和火山碎屑巖中，采用5 m×6 m的孔網參數進行松動爆破；在熱液改性硅化安山巖中，采用5 m×4 m的孔網參數進行松動爆破。采用分區(qū)域鉆孔爆破形式，能夠有效降低爆破成本。

采用高精度鉆機技術，可以有效減少人工監(jiān)管，提高效率，減少失誤。主要通過精確導航定位技術、高精度自動布孔，以高性能無線網絡通訊技術聯(lián)接，可實現鉆孔作業(yè)過程的自動監(jiān)控監(jiān)測，自動搜索設計孔位，提高作業(yè)的有效性與安全性[7]。高精度鉆機的運用，預計可以提升鉆機作業(yè)效率8%，并有效地實現爆破孔網參數的有效調整，節(jié)省炸藥單耗5%。

在現場管理中還存在一個難點，爆破后礦巖界線不清楚，電鏟作業(yè)面寬，礦石貧化難以控制。目前現場管理采用地質插旗的方法，對礦巖邊界進行標識，但插旗過程中受個人經驗判斷的因素影響較大。采用電鏟高精度定位系統(tǒng)，將礦巖邊界的電子圖輸入系統(tǒng)，通過高精度GPS定位，可以精確控制電鏟作業(yè)范圍，杜絕越界開挖，減少礦巖混裝現象，有效改善貧化損失問題，加強礦山品位控制，提高礦山經濟效益。

4.4 成本管理

礦山成本管理中，油耗的管理尤其重要，可將油耗、電耗、維修費用等重要成本數據，分解至每一臺設備中，結合設備的產量，進行有效的管理，實現所有電鏟、礦卡等設備的產量與油耗、電耗、維修成本的有機結合，從而最終有效實現對單位機械成本的管理[8]。同時，可以結合經濟責任考核，設計單機的考核油耗指標，對于成本異常的機械設備要分析原因；對于成本管控良好、成本有節(jié)省的機械設備操作手可以給予績效獎勵。

5 結論

卡調系統(tǒng)在塞爾維亞VK礦的投入使用，有效地提高了礦山安全管理水平，提高了生產效率，實現了車輛實時定位、車輛防碰撞預警、生產實時調度與系統(tǒng)智能調度，大幅降低了車輛會車風險，提高了設備出勤率，降低了生產成本。隨著卡調系統(tǒng)的進一步提升與完善，VK礦可進一步提高卡調系統(tǒng)的精度與報表的準確性，引進智能配礦系統(tǒng)、高精度鉆機系統(tǒng)與高精度挖機系統(tǒng)，同時將油耗、電耗等成本管理措施集中在卡調系統(tǒng)中，進一步提升效率，節(jié)省油耗與炸藥單耗，提升精細化管理水平?？ㄕ{系統(tǒng)的成功運用，使VK礦在設備大型化基礎上，自動化、智能化管控水平得到了跨越式的發(fā)展，進而打造塞爾維亞境內規(guī)模最大、自動化程度最高的新時代智慧數字露天礦山。