基于GPS 的露天煤礦自動化生產(chǎn)管理系統(tǒng)

宋 洋

（中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)是一個多設(shè)備、多環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，流程十分復(fù)雜。在需要大型卡車運輸?shù)穆短斓V中，卡車數(shù)量一般為幾十臺，有的煤礦甚至達到上百臺。合理地調(diào)配和管理這些大型生產(chǎn)設(shè)備，是確保露天礦高效、低成本運行的關(guān)鍵。將自動化技術(shù)（即自動控制原理）應(yīng)用于露天礦生產(chǎn)中，科學(xué)地調(diào)配管理和指揮生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)配管理的自動化是露天煤礦的必然發(fā)展趨勢。

王旭光[1]根據(jù)傳統(tǒng)調(diào)度系統(tǒng)所存在的問題，引出了自動化調(diào)度指揮系統(tǒng)的作用及優(yōu)勢。白潤才[2]等人通過研究煤礦自動化調(diào)度系統(tǒng)，開發(fā)出一套新的煤礦卡車調(diào)度系統(tǒng)。楊春紅[3]利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時監(jiān)測露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的照明、噪音、溫度、濕度等各項數(shù)據(jù)。高淑娟[4]等人將生產(chǎn)自動化調(diào)度系統(tǒng)運用到安家?guī)X煤礦，對數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式進行傳輸。吳鳳東[5]等人研究并開發(fā)出自動化調(diào)度系統(tǒng)，可監(jiān)測到電鏟采裝和車輛運行的全部過程。田宴銘[6]經(jīng)過對自動化技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中運用的分析，詮釋了自動化技術(shù)在煤礦開采過程中的應(yīng)用步驟。劉延安[7]等人研究了國外露天煤礦自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展歷史，如卡車調(diào)度模型的線性規(guī)劃法。

1 自動化生產(chǎn)調(diào)度管理

自動化生產(chǎn)調(diào)度管理是一個包含了信息的采集、處理、傳輸，并生成一個決策的過程[8]。這是1 個周期過程，屬于自動化管理系統(tǒng)的一部分，也是自動控制系統(tǒng)的一部分。該系統(tǒng)通過對設(shè)備的調(diào)度，使得各個設(shè)備得以長期高效化運營。運用最少量的作業(yè)設(shè)備，使產(chǎn)量達到原計劃的要求，運用確定數(shù)量的作業(yè)設(shè)備，保證系統(tǒng)產(chǎn)量能夠最大化。

露天煤礦的開采工藝過程十分復(fù)雜，需要多種不同的設(shè)備共同作業(yè)。要實現(xiàn)露天煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的自動化，必須解決各環(huán)節(jié)生產(chǎn)設(shè)備（挖掘機、運輸卡車等）的實時定位問題。建立1 個基于GPS 的露天煤礦自動化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，是實現(xiàn)生產(chǎn)管理自動化的最佳途徑。

基于GPS 的露天礦的自動化生產(chǎn)管理系統(tǒng)，主要由4 部分組成，包括無線通訊GPS 系統(tǒng)、車載終端、總調(diào)度中心、設(shè)備軟件。露天礦的GPS 自動化生產(chǎn)管理系統(tǒng)還可劃分為6 個子系統(tǒng)，包括調(diào)度中心、無線通訊、車載終端、加油車視頻監(jiān)控、語音模式通訊、屏幕顯示終端[9]。

1）無線通訊GPS 系統(tǒng)。無線通訊GPS 系統(tǒng)需要在卡車和電鏟上安裝定位器（發(fā)射GPS 信號對卡車進行定位）、電臺（與調(diào)度中心進行網(wǎng)絡(luò)通訊）、單片機（對采集來的數(shù)據(jù)進行分析與處理）等。

2）車載終端。車載終端的作用是方便工作人員了解現(xiàn)場的情況，由車載計算機和車載顯示器2 部分組成。其中車載計算機具有數(shù)據(jù)儲存和計算功能，車載顯示器具有顯示現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)和車輛實時位置等功能。

3）總調(diào)度中心。調(diào)度中心軟件由采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)、傳遞監(jiān)測數(shù)據(jù)、顯示現(xiàn)場狀態(tài)、移動終端通訊、優(yōu)化調(diào)度指令、發(fā)布調(diào)度指令、生成數(shù)據(jù)報表、安全故障排查等部分構(gòu)成。

4）設(shè)備軟件。收集從運輸卡車和采煤電鏟等部件檢測到的實時數(shù)據(jù)，傳遞給總調(diào)度中心，結(jié)合實時數(shù)據(jù)，經(jīng)分析計算出最優(yōu)調(diào)度方案，發(fā)布調(diào)度指令，及時回傳給卡車和電鏟，控制二者的運行。并將運行狀態(tài)通過顯示器實時反饋給相關(guān)人員[10]。

2 露天煤礦生產(chǎn)調(diào)度理論及模型

露天煤礦生產(chǎn)調(diào)度理論指在滿足一定的物理和經(jīng)濟約束下，確定煤礦的開采順序，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化[11]。建立1 個數(shù)學(xué)模型是解決露天礦生產(chǎn)調(diào)度問題的基本方法。可以實現(xiàn)問題轉(zhuǎn)化，將確定煤礦開采順序就轉(zhuǎn)化為確定模型的開采順序。

2.1 運輸網(wǎng)絡(luò)模型

1）網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)成。將運輸卡車的行進線路按屬性劃分為為不同的線段，不同的的行進線路經(jīng)此簡化，構(gòu)成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)模型的建立，需要確定每班計劃中的裝載位置和卸載位置，即收放點。將這些收放點看做新的節(jié)點，與行進路線的基本網(wǎng)絡(luò)連接在一起，構(gòu)成道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型。接著按照最短路徑的原則，根據(jù)每個采掘點物料的最終去向，確定模型中的最佳路徑。

2）道路網(wǎng)絡(luò)的建立。建立道路網(wǎng)絡(luò)模型，一個基本網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。將運輸卡車行進線路簡化為道路網(wǎng)絡(luò)，并給不同節(jié)點和線路賦予各自的編號。線路節(jié)點就是道路網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，線路段就是道路網(wǎng)絡(luò)的線段，線路長度就是加權(quán)值。道路網(wǎng)絡(luò)包括線路節(jié)點和線路長度2 大元素。線路節(jié)點包含編號、位置、類型等屬性，線路長度包含編號、長度、時間、類型、半徑、坡度等屬性[12]。

2.2 自動化調(diào)度準(zhǔn)則

2.2.1 最小化準(zhǔn)則

1）將待命卡車分配給可以最早裝車的電鏟，實現(xiàn)裝車時間最小化。

式中：i*為電鏟號；Tti為卡車到達第i 號電鏟的時刻；Tsi為第i 號電鏟將煤裝完卡車的時刻；Nl為鏟煤區(qū)域的電鏟數(shù)。

2）將待命卡車分配給等待時間最短的電鏟，實現(xiàn)電鏟等待時長最小化。

3）將待命卡車分配給等待時間最長的電鏟，實現(xiàn)卡車等待時長最小化。

2.2.2 最優(yōu)化準(zhǔn)則

先進行以貨流規(guī)劃及路徑優(yōu)化，使貨物運輸路線更加合理。再用動態(tài)規(guī)劃法，將卡車派往當(dāng)時貨運需求最大的地點[13]。

1）方差法。由一系列整數(shù)來確定電鏟位置及產(chǎn)量，分別算出電鏟等待時長和卡車等待時長，求二者的出方差和，取方差和最小值。

2）比率法。將待命卡車分配給實時完成的產(chǎn)量與計劃完成的產(chǎn)量比率最小的那個電鏟，實現(xiàn)生產(chǎn)效率最大化。

式中：x′i為第i 號電鏟當(dāng)前已完成的產(chǎn)量，t；xi為第i 號電鏟計劃完成的產(chǎn)量，t。

2.3 卡車調(diào)度動態(tài)規(guī)劃模型

2.3.1 卡車調(diào)度算法的要求

1）按照運行時間和等待時間最短這一準(zhǔn)則，得出最優(yōu)解。以此調(diào)派卡車，并盡量選用貨流規(guī)劃模型中最優(yōu)的行車路線，使產(chǎn)量最大化，使設(shè)備的生產(chǎn)效率最大化。

2）卡車調(diào)度算法應(yīng)能對外界環(huán)境做出反應(yīng)，具有根據(jù)實際情況隨機應(yīng)變的能力。根據(jù)比值方差最小化調(diào)度準(zhǔn)則，建立卡車最優(yōu)運行路徑調(diào)度模型[14]。

2.3.2 實時低產(chǎn)線路的確定

低產(chǎn)線路即當(dāng)前實際產(chǎn)量低于目標(biāo)產(chǎn)量的線路。各線路上的規(guī)劃產(chǎn)量完成程度用下式表示：

式中：i 為裝載點；j 為卸載點；Rij為從i 點到j(luò)點這條路線的實際產(chǎn)量完成比率，%；qij為從i 點到j(luò) 點這一線路的當(dāng)前實際產(chǎn)量，t；Qij為從i 點到j(luò) 點這一線路的目標(biāo)產(chǎn)量，t。

在確定低產(chǎn)路線時，需要確定一個目標(biāo)值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。可將產(chǎn)量的平均值作為目標(biāo)值來評價各路線產(chǎn)量的完成程度，可如下表示：

式中：R 為產(chǎn)量完成比率的平均值，%；n 為裝載點數(shù)；m 為卸載點數(shù)。

當(dāng)前電鏟線路的產(chǎn)量與目標(biāo)值的偏差為：

式中：dij為電鏟線路的產(chǎn)量與目標(biāo)值的偏差度，%。

由此可以確定，dij＜0 的線路被確定為低產(chǎn)線路，應(yīng)分配卡車。反之dij≥0 的線路不是低產(chǎn)線路，則不需分配卡車。

2.3.3 電鏟所需卡車數(shù)的確定

1）當(dāng)前低產(chǎn)線路所需的噸位數(shù)應(yīng)滿足：

式中：q′ij為低產(chǎn)線路所需的噸位數(shù)，t。

2）低產(chǎn)線路所需卡車數(shù)目與卡車載重噸位有關(guān)，可選擇載重量較大的卡車噸位為基本卡車噸位。則每個低產(chǎn)線路所需的卡車數(shù)為：

式中：Mij為該低產(chǎn)線路所需要的卡車數(shù)；c 為基本卡車的噸位，t。

所有低產(chǎn)線路所需要卡車總數(shù)可由下式確定：

式中：N 為所有低產(chǎn)線路所需要卡車總數(shù)；NCi第i 號電鏟所需的卡車數(shù)。

2.3.4 可供分配卡車數(shù)

當(dāng)前待命卡車數(shù)、位于卸載點等待卸載的卡車數(shù)、正在向卸載點行駛的卡車數(shù)三者之和即為可供分配卡車數(shù)?？晒┓峙淇ㄜ嚁?shù)不應(yīng)少于電鏟所需的卡車數(shù)。

2.3.5 卡車分配準(zhǔn)則

按照累計完成產(chǎn)量與目標(biāo)產(chǎn)量的偏差最小這一準(zhǔn)則，k 號卡車與電鏟i 所需要的等待時間為：

式中：TQik為將k 號卡車分配給i 號電鏟所需要的等待時長，s；tzi為電鏟i 的裝車時間的平均值，s；Ni為位于電鏟i 的卡車數(shù)；n 為正在前往電鏟i 的卡車數(shù)；tk為k 號卡車到達卸載點的行駛時長，位于卸載點的卡車tk=0 s；dj為卡車在卸載點j 處的等待時長，正在卸載的卡車dj=0 s；tj為卡車在卸載點j 的平均卸車時長，s；tij為卡車從卸載點j 到電鏟i 預(yù)計的行駛時長，s。

2.3.6 卡車優(yōu)化調(diào)度模型

為實現(xiàn)卡車與電鏟等待總時長最短這一目標(biāo)，可建立如下模型，得到卡車調(diào)度最優(yōu)解：

式中：TD為卡車電鏟組合的等待總時長，s；TQik為k 號卡車與電鏟i 所需要的等待時長，s；Xik為卡車k 與電鏟i 的對應(yīng)組合數(shù)，組；Sk為卡車k 號的供應(yīng)量；Di為電鏟i 號的當(dāng)前的需車數(shù)；l 為可供卡車數(shù)；n 為需車電鏟數(shù)。

因為Sk=1 輛且Di=0 輛，所以當(dāng)卡車k 號已分配給電鏟i 號時，Xik=1 組，否則Xik=0 組。

3 自動化生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用

1）生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用。1979 年，霍林河一號露天礦于開始建設(shè)，具有300 萬t 生產(chǎn)能力的一期工程在1984 年投產(chǎn)?；袅趾右惶柭短烀旱V劃分為南露天礦和北露天礦，南露天礦位于一號礦區(qū)南部，屬于一個比較大型的煤礦?，F(xiàn)考察自動化生產(chǎn)管理系統(tǒng)在霍林河南露天煤礦的實際應(yīng)用。已經(jīng)形成了1套完備的自動化生產(chǎn)調(diào)度管理模式，設(shè)備比較先進。生產(chǎn)管理系統(tǒng)具有對卡車的GPS 定位功能，實時檢測設(shè)備數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸送至電腦。電腦根據(jù)軟件，通過顯示器向工作人員發(fā)布信息，通過傳輸設(shè)備給卡車發(fā)送指令。若卡車、電鏟等設(shè)備出現(xiàn)故障，通訊終端會及時向調(diào)度中心報告。

2）生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的作用。霍林河南露天煤礦的生產(chǎn)線上，一輛輛貨運卡車根據(jù)電腦的調(diào)度，駛向系統(tǒng)為其分配的電鏟。到達電鏟位置處以后，進行煤礦裝載、煤礦運輸、煤礦卸載、返回電鏟，形成生產(chǎn)周期。此生產(chǎn)系統(tǒng)一直處于高效運行之中，提高了卡車和電鏟使用效率，使卡車排隊時間最短，電鏟待裝時間最短。在此系統(tǒng)的運營下，霍林河南露天煤礦的生產(chǎn)周期有效縮短，煤礦產(chǎn)量有效提高。導(dǎo)致成本顯著下降，效率顯著提高，利潤高度提升，為該礦帶來了極高的收入與效益。

4 結(jié)語

1）設(shè)計出露天煤礦自動化生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)。露天礦卡車自動化調(diào)度包括3 個部分：最佳路線的確定、車流規(guī)劃、實時調(diào)度。

2）建立了卡車實時調(diào)度動態(tài)規(guī)劃模型。在露天礦卡車自動化調(diào)度理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)露天煤礦的實際情況，合理的建立模型，在目標(biāo)函數(shù)約束條件下，構(gòu)建基于GPS 的自動化生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)。

3）將自動化生產(chǎn)調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)用于霍林河南露天煤礦。該系統(tǒng)可以指導(dǎo)霍林河南露天煤礦的生產(chǎn)，使管理方式更加合理。提高裝運卸等各個環(huán)節(jié)的效率，縮短運距，節(jié)約了生產(chǎn)時間，降低了運輸成本，提高了企業(yè)收益。