基于多源數據融合的露天礦山智能卡車調度系統研究

王文達，史普東，錢海兵，辛偉，劉光偉

(1.國家能源投資集團神華北電勝利能源有限公司， 內蒙古自治區 錫林浩特市 026000；2.遼寧工程技術大學 礦業學院， 遼寧 阜新市 123000)

0 引言

目前，我國大型露天礦山主要采用單斗—卡車間斷開采工藝和單斗—卡車—破碎站半連續開采工藝。大量采運排設備運行在露天采場內易發生車輛碰撞事故，給露天礦山安全持續生產帶來影響。與此同時，露天礦山生產效率直接與設備效率成正相關。通過采集露天礦場三維地圖、設備工況數據及礦山開采數據，挖掘數據背后關聯關系，對實現露天礦山采運排設備的智能調度、智能管控具有重要的意義。露天礦山卡車調度系統涉及計算機技術、露天開采理論與技術、數據采集傳輸技術、設備精準定位技術以及大數據挖掘等內容，該系統的建設有助于提升露天礦山的管理水平和生產效能，降低事故及生產成本。

目前，國內大型露天礦基本已部署卡車調度系統，用于監測露天礦場內卡車的位置信息、運行狀態信息。由于各礦卡車調度系統建設時間不同，各礦卡車調度系統所實現的功能有所差異，但目前國內卡車調度系統僅僅實現對車輛的實時定位，并未實現對采集的數據進行融合分析，系統整體調度、數據分析能力較弱。神華北電勝利能源有限公司勝利露天煤礦設計年產原煤 2000萬 t，2021年對其“卡車智能調度管理系統”（Intelligent Dispatch System，簡稱IDS系統）進行升級改造，升級改造后的系統可實現對卡車、電鏟、鉆機等設備位置及工作狀態的實時跟蹤、判斷、顯示，優化調度卡車運行，及時準確地掌握礦山的生產運行情況，實現礦山路網智能優化、生產設備效率實時分析、違章行為智能識別以及車鏟的智能匹配，達到優化管理礦山生產過程、提高產量、提高管理水平、節省費用的目的。本文主要介紹基于多源數據融合的智能卡車調度分析系統及相關功能，旨在為其他露天礦山進行卡車調度系統升級、數據分析以及礦山智能化系統功能建設等方面提供指導性建議。

1 車載采集設備

為實現露天礦山設備的實時定位及數據采集傳輸，本系統在工程設備中安裝了定位天線、通信天線、CPE設備、智能視頻攝像頭以及車載智能終端。

（1）車載終端長30 cm，寬25 cm，部署在工程設備的駕駛室司機的右前方擋風玻璃處，具備展示當前車量的實時信息，位置、速度等終端具備定位測速、通訊功能、調度功能、設備狀態申請、語音播報、計算功能、路況狀態上報及工程設備申請、班前點檢、產量查詢、在終端可查詢匯總產量及明細產量的功能。

（2）通信模塊CPE長24 cm，寬20 cm，厚6 cm，內置天線，主要實現工程設備與露天礦固定基站網絡的接入，外殼防雷、防塵、防水，適用于-40℃～60℃，主要安裝在駕駛司機座椅靠背的右后方。

（3）定位天線和通信天線安裝在工程車輛的前方護欄處。車載采集設備如圖1所示。

圖1 車載采集設備

（4）智能視頻攝像頭。在工程車輛內部安裝具備智能識別功能的行為識別攝像頭、車輛行駛攝像頭和輔助智能攝像頭。采集后的視頻流信息經過車載主機處理之后，由CPE無線通信模塊通過露天礦山自建的4G網絡傳輸給中心平臺，實現對駕駛員違章行為的智能分析。行為識別攝像頭安裝在駕駛司機正前方的擋風玻璃處，其視角可將駕駛員顯示在全部視頻中。車輛行駛攝像頭安裝在駕駛室的左上角處，輔助攝像頭安裝在駕駛司機左上方，用于實現對駕駛司機安全帶視角的采集，行為攝像頭如圖2所示。

圖2 視頻識別攝像頭

2 系統架構

2.1 總體架構

通過在露天礦部署多個網絡基站，車輛安裝相應CPE接入網絡設備，車輛進入相應基站后，工況數據上傳至露天礦調度中心，實現對車輛的總體調度、實時位置跟蹤以及數據的融合展示及分析。系統總體架構如圖3所示。平臺軟件和服務器完全本地化部署在礦方的私有局域網中；車載終端設備通過CPE網絡接入設備實現與礦方自建的4G LTE網絡的融合，可與礦方的私有局域網內部署的平臺軟件和服務器通信。因此整個系統與公網完全斷開，保證了系統的網絡安全。

圖3 系統總體架構

2.2 技術架構

IDS系統采用5層兩體系的技術架構，5層從下自上分別為：源數據層、數據接入層、數據支撐層、支撐層、服務層。兩體系分別為：標準規范體系和安全運維體系，如圖4所示。

圖4 系統技術架構

（1）源數據層。IDS系統主要實現數據的采集工作，接入露天煤礦的基礎數據、管理數據以及感知數據，其中，基礎數據包括：基本信息、圖紙信息、設備信息以及工藝信息；管理數據包括：生產計劃、產量信息、隱患信息以及管理信息；感知數據包括：車輛等實時流數據、結構化和視頻等非結構化數據。

（2）數據接入層。數據接入層包括數據處理計算和數據接入管理兩部分。部署在露天礦設備上的前置設備通過4G或者5G網絡將數據傳輸到露天礦數據中心。數據中心的流式計算系統和質量核查系統對采集數據依據標準化規則進行質量檢查、清洗、入庫。數據接入系統：提供設備與云端的雙向連接的云服務和各類數據源的接入接口，同時提供設備認證與權限管理功能，保證數據安全傳輸。設備管理系統：提供覆蓋設備全生命周期的、一站式的設備管理服務，包括設備的云端接入、層級管理、監測、遙控、固件升級和維護保養等各種場景。質量核查系統：依據統一數據標準采集數據進行篩選、變形、轉發，根據場景轉發至關系型數據倉庫、時序數據庫。流式計算：針對流式處理數據的實時分析進行計算。

（3）數據支撐層。數據支撐層包括大數據存儲平臺和數據服務兩大部分。關系型數據倉庫和時序數據庫分別存儲結構化、半結構化和非結構化數據。空間數據庫用來保存地理空間信息。數據服務管理平臺對露天礦大數據平臺的運行狀態、數據資產、數據質量等情況進行監控和管理。

（4）支撐層。支撐層是 IDS系統的核心業務應用，由用戶及權限關聯、日志管理、報表引擎、表單引擎、數據共享交換系統、地理信息系統等組成。通過構建一個應用支撐平臺，可以提供協同工作、數據分析、應用開發、系統應用等支撐服務，可以為IDS系統提供一個可信、高效的運行承載支撐平臺，為系統相關業務分析提供支撐。

（5）應用層。應用層有智能調度、路網優化、效率分析、二維、三維展示、報警聯動以及仿真回溯等功能。可通過大屏、顯示終端、平板和手機等方式進行展示。具備統一訪問入口、統一身份管理、統一權限管理、個性化展現定制等功能，為企業從業人員提供隨時、隨地、按需訪問的渠道。

3 IDS系統功能設計

整個系統基于WebGL技術開發，通過Web發布進行系統的部署，主要融合露天礦車輛實時數據、車輛基礎數據、人員數據、礦山三維地圖數據、非結構化視頻數據以及剝離、采煤量數據。基于上述多維數據，實現對露天礦山內的設備進行智能調度與預警分析，用戶通過局域網使用瀏覽器的方式遠程加載系統，實現三維可視化管控功能。系統主要功能包括：設備GIS一張圖、車鏟智能匹配、生產仿真回放、智能識別報警、多維數據報表、路網編輯以及多維數據查詢等功能。

3.1 設備GIS一張圖

系統支持傾斜攝影航拍地圖的集成和導入同時可實現與 CAD礦圖底圖信息數據的綜合疊加展示，可通過GIS一張圖的方式綜合展現露天礦場內的所有設備分布信息、狀態、報警以及各類統計信息。具備距離、面積、高差量測、地理標注、視點等便捷小工具。可通過圖層控制的方式進行一張圖數據的動態顯示。根據采集頻率，實時刷新系統頁面，展示接入設備的實時位置狀態。系統可以設置采礦礦權邊界為圍欄區，通過實時監控采掘設備位置，實現采準設備到礦權邊界時自動報警功能。

3.2 車鏟智能匹配

為保證露天礦車鏟的高效能匹配，防止發生欠車、欠鏟的現象發生，分析卡車一個完整的運輸流程中包括空運、待裝、裝載、重運、待卸和卸載 6大狀態，生產過程中6大狀態循環往復工作，如圖5所示。根據電鏟與卡車的協同作業流程，制定電鏟與卡車的智能分組約束條件。

圖5 卡車運輸流程

條件 1，設備出動約束：電鏟、卡車和卸點的出動情況。

條件2，電鏟裝載約束：35 m3鏟裝載220 t卡車需要3～5 min；10 m3鏟和鉤機裝載TR100時需要3～5 min；裝載機裝載TR100需要2～3 min。

條件 3，破碎站約束：根據破碎的速度決定，卸載時間為2～8 min之間，最快1 min左右；排土場卸車時間約10 s。

條件 4，當班運距：根據運距的長度和車輛速度（要求35 km/h以內，平均20左右km/h）決定分配卡車數量。

條件 5，工作面和道路條件約束：主要為定性指標，來影響裝載時間和車輛的運行時間。

條件 6，配車的優先級：根據實際情況對不同電鏟或卸點行優先配車或固定配車。通過上述6點約束，得到分組為電鏟配的車數，根據司機的歷史運距情況進一步確定卡車的名稱。

條件 7，電鏟或卸點存在禁用：電鏟或卸點存在禁用時，該電鏟或卸點不參與智能分組。

條件8，固定配車：電鏟存在固定配車的情況，即設置時智能分組時卡車的數量與固定配車數相同。

3.3 生產仿真回放

系統支持一段時間內的生產仿真數據回放，選定一個月周期內數據，系統可真實反應該月的生產變化信息，自動展示車鏟運行數據、剝采比實時變化數據，產量數據、效率數據以及各類報警實時，車鏟以軌跡形式動態展示，各類報表數據實時動態更新展示。

3.4 智能識別報警

通過部署在車輛前端的智能視頻攝像頭，實現多類算法模型的集成，對駕駛司機違章行為進行智能識別。系統報警后，截取駕駛司機違章行為的前后10 s視頻數據，通過4G網絡傳輸至系統中心，并針對報警事件進行處置，形成報警閉環，實現了對駕駛司機違章行為的智能干預，降低了事故隱患風險。

3.5 多維數據報表

系統根據自動采集的相關生產數據生成礦山所需數據格式報表，報表系統可實現基礎檔案的管理、調度日志的管理、生產事件的管理、分類檢索、數據匯總、設備效率分析、輪胎燃油消耗管理等。支持各類報表的導出，以及相應數據曲線的自動生成。

3.6 路網地圖編輯

GPS智能調度系統之所以能夠自動調配礦車與電鏟，使其達到最佳效率，依賴于許多的基礎數據，地圖路網數據是其中最重要的數據之一。而礦山采場的實際情況使路網的變化十分頻繁，道路和鏟裝的位置經常發生變化。因此經常編輯路網，使其保持最新狀態，對智能調度系統正確派車是最基本的條件。本系統支持路網的地圖編輯功能，操作流程為：先加載軌跡，待軌跡加載完成后根據軌跡所顯示的路跡進行新建路網，在地圖路網編輯完后點擊保存即可。路網編輯功能涵蓋：新建路段、新建圍欄、新建節點、新建地標、新建區域、下發地圖等功能。

4 實例應用

神華北電勝利能源有限公司勝利露天礦煤田于 2021年對其“卡車智能調度管理系統”進行升級改造，系統投入使用以來，實現對駕駛司機違章行為智能識別36次，智能調配卡車運行27次，減少電鏟欠車現象，提升WK35電鏟效能12%。同時，系統自動生成月度產量報表，時間由原人工手動統計3 d減少至1 d。系統的應用大大提升了礦山生產系統效能。隨著新系統的投入使用，將在車輛運行工況、燃油及輪胎成本分析等方面進行多維統計，提升露天礦山生產環節效率，降低生產成本。

5 結論和展望

本文對基于多源數據融合的露天礦山智能卡車調度系統進行了介紹，通過部署在車輛前端的數據采集、網絡設備實現對數據的智能采集，通過融合無人機影像圖、產量信息、車輛工況信息，實現設備GIS一張圖、車鏟智能匹配、生產仿真回放、智能識別報警、多維數據報表以及路網編輯等功能，實現了露天礦多維數據的集中展示、車鏟的智能調度及違章行為的早期干預，提升了露天礦的生產效能，降低了事故風險。

隨著露天礦多維數據的融合匯聚，今后將逐步深度挖掘數據的關聯關系，研究內容主要有：建立露天礦知識圖譜及構建深度學習模型，對露天礦設備進行故障診斷，實現故障超前預警；通過實時采集路網標高信息，構建錄完下沉量、通過量、油耗、車輛運行速度之間的關系，構建道路維護成本與運行成本的關系曲線，分析露天礦路網對生產成本及效率的影響關系。