地下裝藥車智能化發(fā)展概況*

王明釗，臧懷壯，龔　兵，李　鑫，遲洪鵬

(北京礦冶研究總院，　北京　100160)

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地下裝藥車智能化發(fā)展概況*

王明釗，臧懷壯，龔兵，李鑫，遲洪鵬

(北京礦冶研究總院，北京100160)

摘要：詳細地介紹了國內(nèi)外地下裝藥車智能化的發(fā)展歷程，其中兩臺代表國內(nèi)外最先進技術的智能裝藥車都將圖像識別技術和自動控制技術引入到裝藥過程中。并分析了智能裝藥車未來的發(fā)展前景，以及裝藥車今后發(fā)展的研究方向和技術瓶頸。

關鍵詞：裝藥車；智能化；圖像識別；自動控制

0前言

隨著我國礦業(yè)的發(fā)展，礦山開采逐漸由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采, 并且其開采深度不斷擴大。但是我國的地下開采技術起步較晚，雖然發(fā)展迅速，但距國外先進水平還有一定差距。在地下開采中，“鉆、爆、裝、運”是四個主要的環(huán)節(jié)，而爆破的機械化、自動化、智能化水平遠遠落后于其他幾個環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為制約礦山開采過程中提高生產(chǎn)能力的一個瓶頸。因此，大力發(fā)展地下裝藥的機械化、自動化、智能化；降低工人勞動強度，提高工人作業(yè)安全；實現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場的減人無人化是地下裝藥智能化的發(fā)展方向，也是未來智能礦山的關鍵組成部分。

地下裝藥車是集原料運輸、炸藥混制、炮孔裝填于一體的機電一體化高科技產(chǎn)品，具有成本低廉、結構緊湊、自動化程度高、適用范圍廣、勞動強度小等特點。因此，地下裝藥車的智能化發(fā)展，代表了地下裝藥技術的發(fā)展方向。

1地下智能裝藥車發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外地下智能裝藥車發(fā)展

地下裝藥技術是在露天裝藥技術基礎上發(fā)展起來的。國外的地下裝藥車已經(jīng)完成機械化向自動化轉(zhuǎn)變，近些年來正在向智能化過渡。20世紀中期，在一些采礦業(yè)較為發(fā)達的國家開始采用初級的裝藥器代替最初的人工裝藥，實現(xiàn)了裝藥的初級機械化，如蘇聯(lián)的KyPama-7M、KyPama-8，3-2 型噴射式裝藥器，壓人式裝藥器，聯(lián)合式裝藥器等[1]。隨著科學技術的發(fā)展，歐美研制出功能更全面、技術含量更高的裝藥車，如蘇聯(lián)的C3y-1型、瑞典阿特拉斯的PT系列、芬蘭諾曼特NT系列等[2]。20世紀80年代，乳化炸藥地下裝藥車也相繼在國外問世，隨即被廣泛采用。圖1 為芬蘭諾曼特Chramec系列地下裝藥車。

圖1　Normet Charmec系列裝藥車

國外在20世紀末提出了“智能化礦山”的概念。加拿大制訂出一項擬在2050 年實現(xiàn)的遠景規(guī)劃——將加拿大北部邊遠地區(qū)的礦山實現(xiàn)為無人礦井，通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設備實現(xiàn)機械自動破碎和自動切割采礦；芬蘭采礦業(yè)也于1992年宣布了自己的智能采礦技術方案，涉及采礦實時過程控制、資源實時管理、礦山信息網(wǎng)建設、新機械應用和自動控制等28個專題；瑞典也制定了向礦山自動化進軍的“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略計劃[3]。力拓集團西澳皮爾巴拉鐵礦項目中應用了大量了當代先進技術，實現(xiàn)了一定程度的智能化采礦。

地下裝藥智能化的發(fā)展更是由于其復雜的環(huán)境、繁瑣的操作、超高的安全性以及科學技術的限制，發(fā)展相對緩慢。

近期，澳大利亞學者提出了視覺尋孔、自動裝藥的智能化裝藥方案[4]，在裝藥過程中首次加入視覺伺服炮孔定位、機械臂的自動控制，實現(xiàn)了自動尋孔功能。該方法使用三維激光掃描儀掃描隧道的環(huán)境，通過視覺算法，篩選出炮孔，并測算出炮孔三維坐標；接著控制自動化機械臂精準對孔；最后實現(xiàn)自動裝藥過程。其中在篩選炮孔過程中，人為的刪除了錯誤的炮孔識別結果、增加視覺算法遺漏的炮孔。視覺識別的真實炮孔如圖2所示。

圖2　視覺識別的真實炮孔

1.2國內(nèi)地下智能化裝藥車發(fā)展

國內(nèi)的裝藥技術起步較晚，發(fā)展也相對緩慢。直到20世紀80年代，長治礦山機械廠在瑞典ANOL的基礎上研制出BQ系列裝藥器，用于裝填銨油炸藥。在國外裝藥車的基礎上，國內(nèi)也研制了一些裝藥車，比如馬鞍山礦山院的DZY220型井下裝藥車，配有安裝工作平臺，人工輔助送、退管等操作。長沙礦山院研制的JFZ600型井下上向中深孔銨油粉粒狀裝藥車，克服了裝藥與返藥控制等關鍵技術問題，解決了部分進口設備在國內(nèi)運用不成功的技術難題。2006年由北京礦冶研究總院研制的BCJ-4型地下裝藥車(見圖3)通過技術鑒定，該車上向孔裝藥無返藥，爆破效果好，被國內(nèi)礦業(yè)廣泛采用[5]。

圖3　BCJ-4型地下裝藥車

國內(nèi)裝藥技術的自動化近幾年發(fā)展迅速。湖南金能研制出的JR1.5型乳化炸藥裝藥車[2]，使用送管機構替代了原有的裝藥平臺，實現(xiàn)了機械自動送退管，降低了人工勞動強度；遙控機械臂替代人工，實現(xiàn)對孔。2014年，北京礦冶研究總院研制的BCJ-41型地下乳化裝藥車(見圖4)在整車一體自動化上實現(xiàn)了突破。該車不僅實現(xiàn)了遙控對孔，自動送退管、而且實現(xiàn)了卷管與送退管自動匹配、數(shù)字化可視操作、實時狀態(tài)監(jiān)測、炸藥配方比例自動調(diào)節(jié)等多項先進技術。

圖4　BCJ-41型裝藥車

國內(nèi)的“裝藥智能化”概念是由“十二五”規(guī)劃中“863地下金屬礦智能開采技術”課題延伸而來，由北京礦冶研究總院下屬的炸藥所承擔研制智能裝藥車的任務。在車輛自主行使方面，該車借助于調(diào)度平臺和電子地圖的指引，可以完成自主路線規(guī)劃的無人化行走、車輛位置的精確定位；借助激光掃描，實現(xiàn)避障行走。在智能尋孔方面，采用了激光測距儀/單攝像頭綜合炮孔識別方案，多級精確炮孔定位。在智能裝藥方面，不但集成了BCJ-41型原有的功能，還增加了與服務器數(shù)據(jù)交互：炮孔位置、設計裝藥參數(shù)的下傳；裝藥結果、實時狀態(tài)的上傳與存儲。進一步實現(xiàn)了自動化、無人化、智能化，為國內(nèi)智能裝藥技術的發(fā)展奠定了基礎。

2地下智能裝藥車發(fā)展前景

地下智能化裝藥車雖然初具規(guī)模，但是發(fā)展依然緩慢。雖然國外技術依舊領先，但是863智能裝藥車的研制，縮短了國內(nèi)外的技術差距。盡管如此，國內(nèi)外智能裝藥車的發(fā)展，受制于技術發(fā)展和行業(yè)現(xiàn)狀的限制，相較于航天、軍工、醫(yī)療等領域，技術相對落后。因此，未來的發(fā)展前景巨大，新技術新方法也將日新月異。今后，智能裝藥車研究將主要集中在以下幾個方面。

(1) 系統(tǒng)建模和控制技術。車輛的無人化自主行使是裝藥車智能礦山乃至車輛行業(yè)的重要研究方向。自助行駛的基礎是控制，控制的基礎是建模。車輛模型的建立，能夠為高效智能的控制方法提供基礎，也是實現(xiàn)智能控制、智能調(diào)度的關鍵環(huán)節(jié)。其次，機械臂的建模也是重要的研究方向。機械臂快速精確的對孔，需要精確建模以及快速穩(wěn)定控制方案的支持。所以，在智能裝藥車整個系統(tǒng)中，多個機械結構甚至驅(qū)動裝置都需要精確的建模方案，在此基礎上采取快速穩(wěn)定的控制方法，才能為實現(xiàn)裝藥車的整體智能化提供重要支撐。

(2) 圖像識別技術。真實炮孔的圖像識別技術，是當前智能裝藥車的主要瓶頸。澳大利亞學者的研究首次把圖像識別引入到智能裝藥技術當中，雖然智能裝藥車能夠一定程度上識別真實炮孔，但結果仍不太準確，所以需要人為的修正識別結果，而且此方案需要事先通過三維激光掃描儀掃描隧道環(huán)境。國內(nèi)的炮孔識別技術，用激光測距/單攝像頭實時識別方案替代三維激光儀，但對隧道周圍環(huán)境和炮孔特征量要求較高。圖像識別技術在礦山領域的應用仍處在初級階段，因此成為限制智能化礦山、智能裝藥車的主要瓶頸，這也是今后礦山發(fā)展的重點研究方向。

(3) 智能礦山一體化。炮孔相對位置、設計裝藥參數(shù)等數(shù)據(jù)需要裝藥的上一流程提供，而這些數(shù)據(jù)的傳遞需要服務器級別的調(diào)度平臺來處理。此外，井下車輛的定位導航和自主行使，也需要調(diào)度平臺來下達指令、實時監(jiān)控。因此，孤立的強調(diào)“智能裝藥”概念是沒有意義的，只有整個采礦流程實現(xiàn)了初步數(shù)字化自動化，才能實現(xiàn)裝藥過程的智能化。所以，礦山整體的智能化也是以后礦山發(fā)展的研究重點。

3總結

隨著我國勞動力的緊缺以及安全意識的提高，少人、無人化的智能設備今后將更多的出現(xiàn)在礦業(yè)開發(fā)當中。我國的地下裝藥車技術仍與國外存在一定差距，但是對于智能裝藥車這一新的領域，國內(nèi)外技術差距已經(jīng)相對縮小。因此，我們應當抓住這一有利契機，發(fā)展智能裝藥技術，建立一體化智能礦山系統(tǒng)，進一步縮短國內(nèi)外礦業(yè)技術差距。

參考文獻：

[1]張東升，孫偉博,李治明,等.井下裝藥車及其應用前景[J].機械管理開發(fā),2007(6):5-7.

[2]鄧聲普，吳曉夢，顏松樺，等.乳化炸藥地下裝藥車技術的發(fā)展與應用[A].2010 全國采礦科學技術高峰論壇論文集[C],2010.

[3]臧懷壯，李鑫，李國仲，等.地下礦山炸藥裝藥車現(xiàn)狀與智能化發(fā)展[J].礦冶,2012,21(4):14-16.

[4]Bonchis A，Duff E, Roberts J, et al.Robotic explosive charging in mining and construction applications[J].Automation Science and Engineering, IEEE Transactions on,2014,11(1):245-250.

*基金項目：國家863 計劃項目資助項目( 2011AA060405).

收稿日期：[5] 趙偉.井下裝藥車裝填技術的研究[D].成都:西南交通大學,2014.(2015-11-12)

作者簡介：王明釗(1989-)，男，碩士，工程師，主要研究方向為工業(yè)控制、智能控制、自動控制，Email:buaa_wangmz@163.com。