基于露天煤礦高精三維地圖的智能調度技術

王 星，武 講，張 陽，談娌娜

（1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054）

目前卡車調度系統包括生產控制、二維顯示、地圖編輯、實時報警、實時故障、操作日志、登陸權限、產量計算、檔案管理、常用錄入、報表圖表等模塊，雖然可以保證正常卡車的調度功能，但人工參與的工作較多，缺少智能化技術、人工智能的協同。

露天礦使用的卡車調度系統遵循的是一個電鏟配若干礦卡的模式，這種臺套模式，增加了礦卡的排隊等待時間，降低工作效率，閑置礦卡數量上升，造成嚴重的資源浪費[1]。傳統的調度路網更新方式一般采用車輛軌跡的方式，當有路面情況發生變化時，需要指派攜帶傳感器的車輛重新在更新路面行駛，形成新的軌跡，用于網路的更新，并且路面的屬性不能及時的感知更新，需要人工參與更新內容。調度系統對于車輛的狀態的監控也是單一軌跡跟蹤，缺少多維度的車輛監控，并且不能同時監測多輛礦卡的狀態，不能監控路口匯車時的實時情況，不能及時發現超車、超速等違規情況。

綜上所述，針對上述傳統卡車調度的問題，想要從根本上實現調度系統的智能化協同，需要搭建全礦區的高精三維地圖系統，可實時掌握露天煤礦礦坑內的實際生產情況，具體包括主路的路面情況、采區情況、卡車行駛情況、鏟車工作情況以及排土場情況。當高精三維地圖可實時反饋上述情況后，露天煤礦的生產調度系統才具備智能化協同的基礎[2]。

1 智能調度系統原理

傳統的露天煤礦生產工藝，包含了從生產計劃到排土、破碎等一系列的生產過程。基于高精三維地圖的露天煤礦智能調度系統分別從生產計劃、鉆爆作業、采剝作業、運輸作業和排土作業5 個工藝系統進行調度指揮。露天煤礦智能調度系統原理如圖1。

圖1 露天煤礦智能調度系統原理

基于高精三維地圖的露天煤礦智能調度系統由2 個部分組成：①高精三維地圖系統:為智能調度系統提供實時數據，是一個可實時獲取整個露天礦地質和地面一體的高精三維地圖，相當于礦山資源及生產過程時空信息為基礎的數字孿生體系，并且可以和地圖進行各種數據的交互，來實現智能化煤礦資源數字化的目標；②智能調度系統：通過高精三維地圖系統，從資源開采計劃到生產任務執行，對露天礦開采過程進行智能調度與管控，實現采場協同化、安全生產可視化，提高露天礦開采智能管控與調度水平。

智能調度系統就可以根據三維地圖提供的數字化資源，以計劃為驅動，分別調度鉆機、鏟車、運輸車輛和排土車輛，同時還可實時反饋現場的生產調度情況，同時為了快速的實現調度指令，還需要設立邊緣端，在鉆機、電鏟、礦卡、排土機上分別安裝移動終端及相應的APP，對于一些實時性要求高的數據，在邊緣端進行及時計算，保證調度的瞬時性。這樣以計劃驅動的智能調度，打破了傳統的臺套概念，真正的實現了生產組織智能化。在此過程中，還需要對各類設備進行智能化配套改造以實現智能調度，具體包括鉆機、電鏟、礦卡和排土車。

1）鉆爆作業基于三維高精地圖進行生產計劃，智能調度系統將計劃轉換為指令，發送到鉆機的移動終端，鉆機通過遠程遙控完成鉆孔作業，并將鉆孔信息返回給地圖，進行鉆孔比對和調整。

2）電鏟接收到調度指令后，會到規定位置進行作業，同時電鏟會加裝激光雷達和其他傳感器，用來獲取電鏟周圍實時的環境信息，并返回給地圖進行局部地圖更新。

3）礦卡收到指令后，會根據規劃的路線進行行駛，到達電鏟附近后，智能調度系統會依據電鏟周圍的環境信息給車輛1 個最佳的停靠位置，讓車鏟進行協同作業。

4）當礦卡行駛到排土場時，排土機通過加裝傳感器，獲取周圍的環境信息，再配合遠程操作系統為礦卡提供最佳排土位置信息。

2 高精三維地圖關鍵技術

高精三維地圖在可視化智慧露天礦生產過程中，可實現整個礦山作業區域的三維地形以及實時變化的維護過程，并能夠為其他相關系統提供需要的地圖關鍵信息。高精三維地圖可實時反饋采場及排土場變化信息，擁有精確的人員、車輛位置信息和豐富的道路參數等基礎矢量數據，在為礦山短期和中長期生產采掘計劃編制的同時，可同時為礦山生產調度、無人駕駛、三維地質建模、爆破設計、礦山工程驗收等提供基礎支撐[2-3]。

1）綜合利用車載視頻攝像頭、激光雷達（LiDAR）設備及全球導航衛星系統（GNSS），實時獲取礦區的影像和點云數據，構建露天煤礦高精度三維地圖，再配合動態攝像頭、LiDAR 以及多GNSS 聯合定標，實現對礦區局部變化區域（如采剝工作面、排土場等）的實時高精度重建。

2）露天礦高精度三維地質模型融合構建與高性能可視化技術，實現礦區地上下全空間一體化、采礦過程的增強現實表達與預演仿真。

3）提取露天礦場路網信息，并集成車輛、人員等動目標的位置移動信息和邊坡變化監測信息。

4）建立信息化、智能化的露天礦高精度三維地圖系統，為露天礦開采的監控、調度、安全生產提供決策支持。

3 露天煤礦智能調度關鍵技術

3.1 三維可視化動態排產及執行技術

為提高資源的利用率和計劃的可執行性，在一定程度上科學延長礦山服務時間，從長遠角度實現計劃內合理配煤及剝采比，結合煤層數字化模型和礦區高精三維地圖進行精準排產計劃研究。精準排產以礦山精細化模型為基礎、以礦山生產目標為導向，綜合考慮礦山資源儲量分布情況與資源價值分布，通過構建混合整數規劃數學模型和目標規劃數學模型，設置煤質、產量、剝采比目標以及排產出礦量約束、排產各臺階出礦量約束、上下臺階時空關系約束、臺階平面內的時空關系約束等一系列約束條件，求解得到結果后，可以在三維環境下交互式調整計劃范圍，同時能夠自動統計圈定的量和煤質信息，最終，通過動畫模擬計劃開采過程[4]。

3.2 高精路網及生產場景動態構建技術

通過露天礦動態三維場景中道路參數的實時更新技術，實現基于三維模型的語義分割，自動識別并分離出道路、爆堆、排土場、破碎站及作業面邊界，實現道路矢量及相關坡度、平整度、寬度等道路指標以及各生產場景空間邊界的實時更新，并標注到路網數據參與路網及生產場景動態構建。同時結合高精三維地圖技術，實時提取作業面、排土場及破碎站等作業區域的生產場景要素屬性與信息，動態更新包括爆堆幾何邊界、鏟裝作業面實時生產邊界、排土場及破碎站作業邊界及相關作業位置的屬性信息，根據路網數據，維護各生產場景與路網的關聯信息，實現高精度路網與生產場景的動態更新與維護，并發布到調度系統中參與調度運行與路徑規劃，用于指導有人及無人裝備的智能化生產作業。

3.3 車鏟協同作業技術

基于地圖高精模型和高精路網模型構建與更新技術，使用鏟裝生產裝備實時采集作業面及平臺信息，解算有效鏟裝作業范圍，動態生成裝載區域作業邊界，自動更新路網及生產場景信息。通過對車-鏟裝備安裝精準位姿定位裝置，使用電鏟高精度定位及朝向確認，自動輔助下發卡車入換位姿。輔助無人卡車在裝礦區域自主規劃最佳入換與駛出路線，引導卡車完成精準裝礦作業流程。

在排土場作業區域，使用推土機采集并動態生成排土場作業邊界，通過自動或人工輔助方式標定卡車卸礦位姿。輔助無人卡車在排土場卸礦區域自主規劃最佳入換與駛出路線，引導無人卡車完成卸礦作業流程。

3.4 智能調度技術

對接礦山生產計劃及配煤指標，基于礦山高精三維地圖路網及生產場景動態更新信息，在考慮生產裝備與設施生產能力、優先級、道路通行規則等約束條件下，利用運籌學、機器學習等優化算法，動態解算最優或次優車鏟分配與調度策略，打破“臺套”調度模式，實現卡車根據生產計劃及實時變化的采場情況靈活、自動派車，以滿足礦山動態變化的實際生產需求，實現系統運行效率最優及調度控制最佳目標[5-6]。

核心算法輸入靜態數據和動態信息，輸出實時調度指令。系統輸入條件包括靜態數據（如生產計劃、排班計劃、地質狀況、司機水平）、動態信息（如路網路況、場景狀況、裝備工況、燃油變化、邊坡異常等）；利用歷史數據和實時數據（實時記錄車輛行駛的速度和路況），通過特征查找，應用深度學習做最優路徑規劃和生產時間預估。考慮等待時間最短和卡車司機就近、運力最大等原則，求解最優車鏟匹配、最優路線流量，并高效生成動態調度指令；結果輸出核心功能包括生產運輸全局監測與動態調度指令、實時動態產量監測、采裝日計劃執行監測、裝備工況故障監測管理等[7-8]。

基于高精三維地圖的露天煤礦智能調度系統，通過構建以礦山資源及生產過程時空信息為基礎的數字孿生體系，從資源開采計劃到生產任務執行，對露天礦開采過程進行智能調度與管控，實現采場協同化、安全生產可視化，提高露天礦開采智能管控與調度水平，從而提高礦山生產效益。

4 高精三維地圖系統與智能調度系統的協同作業

高精三維地圖系統針對當前露天礦區航測三維地圖無法滿足局部區域動態更新、難以有效服務露天礦智能化的問題，聯合車載攝像頭、LiDAR 設備及多GNSS 提取工作面高精度三維模型并實時更新。充分利用地質規則、地上場景等語義約束等，智能構建露天礦地上/下全空間三維地圖。綜合高精度三維模型、平路機GNSS 軌跡等信息提取礦區路網信息，集成車輛設備、人員、道路、邊坡形變等典型要素的位置、參數變化和位置信息。

露天煤礦智能調度系統結合高精三維地圖系統，實現對作業設備及其生產場景的高精度模型動態更新，向運輸裝備終端下發調度任務指令，實時生成適用于動態鏟裝場景的受礦位姿及動態卸礦場景的卸礦位姿，引導智能裝備自主規劃最佳入換及駛出路線，完成精準裝礦及卸礦作業流程，閉合車-鏟協同作業循環自動化流程。同時，結合動態更新的爆堆或作業面場景模型，對鏟裝設備進行精準作業標高控制以及高精度鏟裝作業軌跡可視化跟蹤與引導，實現更加高效的無人化車-鏟協同作業與更加精準的鏟裝生產。

5 結語

基于高精三維地圖的露天煤礦智能調度系統不僅構建了全礦區的實時高精三維地圖，而且露天煤礦針對鉆機、電鏟、鉆機和排土機智能調度與協同生產。通過對高精三維地圖關鍵技術與露天煤礦智能調度關鍵技術的研究，結合電鏟和排土車的智能化改造，可實現露天礦采掘、排土作業無人化，為露天礦主要生產環節的無人化夯實了技術基礎。