基于多數(shù)據(jù)源融合的露天礦卡車調度系統(tǒng)

楊克劍

（撫順礦業(yè)集團有限責任公司 西露天礦，遼寧 撫順 113001）

卡車調度系統(tǒng)已經成為提高露天礦經濟效益、提高現(xiàn)代化管理水平的一個重要的技術發(fā)展方向。露天礦卡車調度理論與方法是系統(tǒng)發(fā)揮作用的依據(jù)和保證[1]?？ㄜ囌{度系統(tǒng)作為智慧礦山的重要組成部分，能夠采集到露天礦各種設備的運行情況，包括所處環(huán)境、地理位置、工作狀態(tài)、采集物料、設備狀態(tài)等基礎數(shù)據(jù)。通過這些基礎數(shù)據(jù)能夠實時反映當前設備的運行狀態(tài)和生產情況。當今大部分露天礦的卡車調度系統(tǒng)所采集的基礎數(shù)據(jù)結構相對簡單，只是單純滿足生產的需要，沒有從環(huán)境、人員、設備自身壽命等角度進行有效信息采集，造成系統(tǒng)的聯(lián)動效應差。在智慧化建設過程中應予以解決，將安全信息、人員狀態(tài)信息、設備壽命信息、環(huán)境信息等多方面的數(shù)據(jù)進行融合，使系統(tǒng)內容更豐富。保證系統(tǒng)在人員，計劃，實際生產調度，安全管理中能夠自主協(xié)調、運行，以此達到礦山生產的高效、可持續(xù)發(fā)展。

1 卡車調度系統(tǒng)的現(xiàn)狀

露天礦卡車調度系統(tǒng)是以卡車-電鏟為主的間斷生產工藝的礦山必不可少的信息化系統(tǒng)[2]，是以車載終端為信息采集源頭，網絡通信為橋梁，調度中心為大腦來實現(xiàn)記錄和還原坑生產情況的系統(tǒng)，調度中心可以根據(jù)露天礦設備反映的現(xiàn)場情況對車輛進行調度工作。設備反映的情況主要包括設備類別（型號、編號）、司機信息（姓名、班次）、位置信息（x 坐標、y 坐標、高程）、調度目標、設備狀態(tài)、產量等。系統(tǒng)的組成如圖1。

圖1 系統(tǒng)的組成

1）車載終端系統(tǒng)。車載終端系統(tǒng)主要搭載車載主機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和車載終端軟件。數(shù)據(jù)接收模塊負責信號的采集，通過終端軟件進行數(shù)據(jù)轉換、分析、計算，把司機所需的簡單數(shù)據(jù)直接反饋到卡車終端界面，再由數(shù)據(jù)傳輸模塊將所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{度中心系統(tǒng)進行二次處理。數(shù)據(jù)以這種模式融合匯總到調度中心進行篩選、分類、處理后下發(fā)給車載終端軟件和卡車調度系統(tǒng)。

2）無線通訊系統(tǒng)。主要負責在通訊順暢的情況下將復雜數(shù)據(jù)精準實時的傳輸?shù)秸{度中心。目前露天礦的通訊網絡建立主要為2 種模式：①以無線Mesh網絡為基礎的網絡通訊，這種通訊模式雖然數(shù)據(jù)傳輸速度較快，網絡安全性較高，其可開發(fā)拓展的功能較多，但為了實現(xiàn)通訊信號全覆蓋需要的成本會相對較高，而且需要對基站進行常年維護；②基于運營商的通訊網絡，通過通訊運營商所搭建基站平臺，利用SIM 卡實現(xiàn)在GPRS、3G、4G 模式下的數(shù)據(jù)傳輸，其優(yōu)勢在于造價相對較低，只需每年對SIM 卡進行付費，對于通訊網絡所需的硬件維護項少[3]。但相較于Mesh 網絡的傳輸速度和網絡安全型都較低一些。5G 網絡的快速發(fā)展，萬物互聯(lián)的時代已經到來，作為要轉型為智能、智慧的大型工業(yè)生產單位，露天礦運用5G 網絡技術，實現(xiàn)無人駕駛、無人機群監(jiān)控檢測、無人爆破鉆孔、大數(shù)據(jù)分析已是大勢所趨。

3）調度中心系統(tǒng)。調度中心系統(tǒng)需要接收所有來自礦坑下設備的數(shù)據(jù)信息，通過對數(shù)據(jù)的分析監(jiān)控設備的運行情況、礦坑的工作環(huán)境，對車輛設備進行調配和安排，和駕駛員及時溝通確保駕駛員的安全操作，保存并備份系統(tǒng)接受的一切數(shù)據(jù)源。

一個高度智能化的卡車調度系統(tǒng)應該能夠將更全面的信息直接反饋給調度中心，包括設備自身的故障診斷，設備周圍的安全隱患（人員，設備等），司機駕駛狀態(tài)的監(jiān)控等等。目前，卡車調度系統(tǒng)僅能夠通過傳感器及算法對裝車、卸車等生產狀態(tài)進行采集，在設備故障診斷由于車輛廠商基本數(shù)據(jù)接口和協(xié)議的限制，卡車終端識別傳感器接口及處理能力的限制，采集的數(shù)據(jù)并不足以實現(xiàn)卡車調度系統(tǒng)在安全生產下達到智能化。隨著各種傳感器技術、終端制造技術、通信技術和信息處理技術飛速發(fā)展，面向復雜工作環(huán)境、礦用設備傳感器系統(tǒng)的大量涌現(xiàn)[4]，使得卡車終端多渠道的信息獲取、處理和融合成為可能。

2 多數(shù)據(jù)源融合信息

多數(shù)據(jù)融合技術包括對各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過濾、相關及合成，以便輔助人們進行態(tài)勢/環(huán)境判定、規(guī)劃、探測、驗證、診斷[5]。卡車調度系統(tǒng)多數(shù)據(jù)源融合是組合設備和傳感器的多源信息和數(shù)據(jù)，利用計算機對按時序獲得的若干傳感器所采集的數(shù)據(jù)信息，在程序規(guī)則內進行自動分析、綜合，以完成設備運行、監(jiān)測、狀態(tài)評估等多方面、多層次的過程。

數(shù)據(jù)融合的過程主要有目標評估、態(tài)勢評估、影響評估和過程評估。JDL 數(shù)據(jù)融合模型如圖2。

圖2 JDL 數(shù)據(jù)融合模型

露天礦卡車調度系統(tǒng)可以融合的數(shù)據(jù)源主要有設備運行信息，其中卡車包括GPS 定位信息（可用于車輛定位、超速報警、防碰撞預警等）、車輛健康系統(tǒng)信息（胎壓、油溫、發(fā)動機報警等信息）、油耗信息、升舉斗信息、防碰撞預警信息、圖像處理信息（可用作防疲勞駕駛、360 環(huán)影、行車記錄、路面分析、無人駕駛等）；電鏟包括電壓監(jiān)測信息、工況識別信息（運用角度傳感器可用于電鏟姿態(tài)識別，油壓傳感器可用于計算鏟斗裝載量）；鉆機包括孔深信息、油耗信息（油鉆）、電壓監(jiān)測（電鉆）、巖性分析等信息。其次還可以融合礦坑內環(huán)境信息，主要包括邊坡預警信息，地表降塵信息、電力監(jiān)控等信息。

1）GPS 定位信息。GPS 已經非常廣泛的運用在卡車調度系統(tǒng)中，主要是通過GPS 模塊對現(xiàn)場設備的位置、速度信息的采集通過車載調度軟件進行數(shù)據(jù)轉換。

2）車輛健康信息。包括運載量、胎溫、胎壓、油量、發(fā)動機故障等信息。運載量可以判斷車輛是否超載，預防超載對車輛造成損害。胎溫、胎壓可以在卡車輪胎接入胎壓傳感器獲取輪胎的實時狀況。油量信息的檢測可以通過油量傳感器監(jiān)測瞬間耗油量、工況耗油量。通過數(shù)據(jù)分析柴油是否存在被偷現(xiàn)象。發(fā)動機等信息監(jiān)測，由于目前國內礦用車輛廠商不愿對外開放設備的數(shù)據(jù)接口和協(xié)議，可以通過傳感器接入卡車故障指示燈，當設備故障指示燈報警時，傳感器會將報警信號發(fā)送至調度中心。

3）圖像處理信息。通過在車輛上安裝AI 智能攝像頭，運用人臉識別、動作識別、視頻圖像分析等AI技術，建立對司機面部神態(tài)、動作的多維把控與主動提醒，實現(xiàn)針對駕駛員抽煙、打電話、疲勞駕駛、分心等危險駕駛行為的智能監(jiān)測和預警提醒，預防因司機疲勞駕駛、分心駕駛導致的安全事故。AI 攝像頭可以識別電鏟裝車信息，分別通過卡車和電鏟識別彼此的車號標記給彼此計量，將計量信息匯總到調度中心，班后自動產量計算。另外AI 攝像頭還可以分析路面情況、通過大數(shù)據(jù)處理分析工況、路面是否需要降塵處理等信息，將這些信息匯總到調度中心，由卡調軟件對信息進行分類傳達給調度人員或其他設備進行工作。另外通過圖像處理功能還可以實現(xiàn)設備的360 環(huán)影技術、行車記錄等功能。這些功能為露天礦安全生產提供重要保障、并且能夠科學有效的提高生產力。

4）邊坡預警信息。在開采過程中，邊坡的穩(wěn)定性保障生產的安全和效率，通過地基雷達和傳感器對邊坡進行監(jiān)測，融入卡車調度系統(tǒng)中進行實時監(jiān)測，防止在生產過程中發(fā)生滑坡，影響生產安全。

3 數(shù)據(jù)采集與傳輸方式

目前露天礦卡車調度系統(tǒng)下的每臺運行設備都會有1 臺獨立運行的車載終端系統(tǒng)，在車載終端的支持下得以接收來自不同傳感器發(fā)送的基礎數(shù)據(jù)，通過終端軟件對數(shù)據(jù)的采集、分類、分析、合成、計算來實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的可用數(shù)據(jù)。

由于露天礦作業(yè)環(huán)境復雜，車輛種類多，人人交互、人機交互、設備之間交互的情況非常多。傳感器所處的環(huán)境也非常復雜，數(shù)據(jù)采集的方式也必須符合現(xiàn)場作業(yè)情況。

1）防碰撞預警數(shù)據(jù)采集方式。露天礦防碰撞預警系統(tǒng)主要運用雙GPS 等距差分定位技術[6]，雙RF射頻通訊建立短距離無線網絡，通過車載終端系統(tǒng)IO 總線采集GPS 定位數(shù)據(jù)，將車輛定位數(shù)據(jù)從無線網絡中互換給周邊車輛并投放到彼此的終端顯示屏幕上，在預先設定好的危險距離發(fā)出報警信號，以此來提示司機周邊的車輛信息情況。

2）防疲勞系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式。防疲勞的數(shù)據(jù)采集主要通過RTSP 實時流協(xié)議[7]把攝像頭采集到的視頻圖像通過RS485 接口或CAN 接口等方式傳輸?shù)皆O備終端，由設備終端將視頻數(shù)據(jù)識別分類分別將報警信息以語音提醒的方式和聲光報警的方式傳遞給司機和調度中心。

3）邊坡預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式。邊坡預警系統(tǒng)則是通過網絡由TCP/IP 協(xié)議將預警信息實時傳輸?shù)秸{度中心，調度中心將預警信息分類標識，當信息超出報警閾值范圍再把疏散車里信號分別下發(fā)給坑下卡車終端。

4）卡車健康診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式。卡車上的各種健康檢測傳感器則是把所有數(shù)據(jù)通過IO 總線發(fā)送到卡車終端上，卡車終端通過數(shù)據(jù)標識將信息分類，再通過終端系統(tǒng)中的算法和露天礦無線網絡將車輛健康監(jiān)測信息轉為10 進制和文本發(fā)送到調度中心，由調度中心系統(tǒng)判別車輛健康狀態(tài)并采取對應的維護手段。

4 多數(shù)據(jù)融合的露天礦卡車調度系統(tǒng)功能

1）實時狀態(tài)。實時狀態(tài)即實時設備詳細信息列表，可以查詢具體設備類別和設備型號的在線設備數(shù)量，司機信息、位置信息、油耗信息、胎壓信息、司機疲勞度、產量信息、上線時間、設備運行狀態(tài)、設備一周內可用率、故障率等信息。從根源上提高設備可用率、降低設備故障率，從而提高生產效率、增加生產效益。

2）疲勞駕駛分析。通過在駕駛室安裝人臉動態(tài)分析識別攝像頭并構建1 套基于DSP 人臉特征識別的司機疲勞駕駛預警系統(tǒng)。該算法采用“Harr 特征值+AdaBoost”的方法進行人臉識別，然后根據(jù)人臉圖像的灰度分布定位眼睛和嘴巴的位置，利用Hough 變換，以及模板匹配技術判斷出人眼的開閉狀態(tài)，計算PERCOLS 值作為司機疲勞駕駛的一個判斷指標。該系統(tǒng)還利用嘴巴的寬高比及打哈欠的持續(xù)時間來綜合判定司機的疲勞狀態(tài)[8]。通過對AI 攝像頭采集到卡車司機駕駛狀態(tài)的信息進行匯總分析，對每個司機1 個班次和多個班次的疲勞程度劃分健康、良好、不健康3 個等級，當司機連續(xù)3 個班次低于良好狀態(tài)對司機發(fā)出警告，由調度中心與司機溝通，建議合理安排工作和休息時間，以免發(fā)生安全事故。

3）司機評分系統(tǒng)。調度中心通過接收設備防碰撞警報信息對每個班次每臺設備每個司機進行駕駛分析，收集司機觸發(fā)碰撞預警次數(shù)，對超出合理觸發(fā)次數(shù)的司機進行駕駛分析，綜合超速預警和疲勞駕駛預警對司機駕駛進行評分。規(guī)范司機駕駛習慣。

4）邊坡預警?？ㄜ囌{度系統(tǒng)通過對邊坡雷達和傳感器數(shù)據(jù)進行計算分析，當邊坡移動達到危險閾值，對調度中心和該邊坡附近所有設備發(fā)出警報，通知相關部門對現(xiàn)場勘查調研，根據(jù)實際情況對該地區(qū)的設備和人員進行疏散和轉移。

5）語音通話。調度中心可以運用此功能在緊急情況下通過通訊網絡與某臺設備互相撥打語音，可以省去調度臺現(xiàn)有的對講機模式，把調度中心一切調度功能都集中在卡車調度系統(tǒng)中，這樣更方便系統(tǒng)的維護。

6）實時報警。實時報警的目的是在司機操作不規(guī)范的情況下由車輛終端系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)分析匯總，通過網絡將報警信息傳到調度中心，再由調度中心接收保存報警信息，調度人員通過信息下發(fā)的功能提示違規(guī)操作的司機注意行駛安全。

5 結語

多數(shù)據(jù)融合的卡車調度系統(tǒng)在大力發(fā)展智慧礦山建設的大環(huán)境下必然能突破現(xiàn)有技術壁壘。而融合了計劃、生產、安全、環(huán)境數(shù)據(jù)于一體的調度系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮其在露天礦安全生產中的作用，在提高設備生產效率的同時，有效避免安全事故的發(fā)生，使資源與環(huán)境協(xié)調發(fā)展，也將成為智慧礦山建設中的重要板塊，為豐富無人駕駛理論，實現(xiàn)礦山真正的無人駕駛開闊思路。