張永璽 項(xiàng)江波 周科平 游新天 傅逸靈 楊承業(yè) 徐 春 成錫良

(1.湖南斯福邁智能科技有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410083;3.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司紫金山金銅礦,福建 龍巖 316000)

地下采礦作為我國(guó)有色金屬的主要開采形式,往往伴隨著一系列較高風(fēng)險(xiǎn)的安全隱患和災(zāi)害[1-4],同時(shí)由于多數(shù)礦山淺部開采礦石逐漸消耗殆盡,地下金屬礦山越來越趨近于向深部延伸,使得礦山風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)日趨增大。 目前,國(guó)內(nèi)大部分地下金屬礦山開采系統(tǒng)仍然存在自動(dòng)化智能化水平低、井下作業(yè)人數(shù)多、工作環(huán)境危險(xiǎn)等問題,國(guó)家日益增長(zhǎng)的安全管控要求與礦山產(chǎn)能需求之間的矛盾問題日益體現(xiàn)。 因此,通過“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人、智能化無人”方式,實(shí)現(xiàn)地下礦山規(guī)模化的安全開采已成為國(guó)家及礦山行業(yè)倡導(dǎo)的主要方向[5-7]。

與傳統(tǒng)采掘技術(shù)不同的是,通過裝備實(shí)現(xiàn)地下礦山無人化/少人化作業(yè),使得作業(yè)人員可以遠(yuǎn)離采掘裝備作業(yè)的危險(xiǎn)工作面[8]。 當(dāng)作業(yè)人員不需要進(jìn)入直接作業(yè)面時(shí),其作業(yè)的安全性、舒適度將得到根本性改變,作業(yè)人員的工作狀態(tài)與工作效率也將隨之大幅提升;同時(shí),由于作業(yè)人員遠(yuǎn)離采掘工作面,直接工作面的通風(fēng)降溫要求降低,生產(chǎn)成本也將隨之大幅度下降,既實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全,又有助于提高回采工作效率以及智能化水平[9-11]。

隨著目前礦山裝備體系日漸完善,自動(dòng)控制技術(shù)與礦山企業(yè)輔助支撐配套技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn),智能開采技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)地下礦山實(shí)現(xiàn)規(guī)?；_采前景廣闊,需求迫切[12-14]。 自動(dòng)化作業(yè)的無人開采裝備是無人采礦技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),地下礦山無人開采回采工藝環(huán)節(jié)的執(zhí)行層主要包括鑿巖、裝藥、撬毛、支護(hù)、出礦、運(yùn)輸,所涉及的裝備包括鑿巖臺(tái)車、鏟運(yùn)機(jī)、裝藥車、撬毛臺(tái)車、錨桿/索臺(tái)車、運(yùn)礦卡車、電機(jī)車等。 我國(guó)無人鑿巖臺(tái)車、無人鏟運(yùn)機(jī)、無人裝藥車等智能化裝備的研究和應(yīng)用相對(duì)國(guó)外起步較晚,經(jīng)歷了技術(shù)引進(jìn)、合作制造、自主研發(fā)、創(chuàng)新發(fā)展等多個(gè)階段。 近年來,我國(guó)地下金屬礦智能開采裝備技術(shù)水平也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步,已研發(fā)設(shè)計(jì)出一批具有國(guó)際領(lǐng)先水平的智能化采礦裝備,如地下智能鏟運(yùn)機(jī)、地下智能礦用卡車、智能鑿巖臺(tái)車、智能裝藥車等,基本實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控作業(yè)及部分環(huán)節(jié)的自主作業(yè)[15]。 特別需要指出的是,現(xiàn)有研究只針對(duì)礦山單一工序特定裝備的特定功能,回采工藝全流程使用無人開采裝備作業(yè)尚未在我國(guó)金屬礦山地下開采中實(shí)現(xiàn),結(jié)合無人開采礦山回采裝備的伴行機(jī)制,研究無人開采裝備作業(yè)環(huán)境生成與配置優(yōu)化、多裝備集群協(xié)同調(diào)度管理等,具有很好的前瞻性。

從現(xiàn)有國(guó)家政策與智能礦山的實(shí)際建設(shè)情況可以看出,為了實(shí)現(xiàn)最終的少人/無人化智能礦山作業(yè)模式,勢(shì)必涉及到多個(gè)工序、裝備進(jìn)行協(xié)同作業(yè)問題,如回采工藝環(huán)節(jié)是一個(gè)龐大的多工序多裝備聯(lián)合作業(yè)系統(tǒng),涉及的回采裝備種類多,包括鑿巖、裝藥、出礦、運(yùn)輸,這些工序與對(duì)應(yīng)裝備構(gòu)成了典型的非線性復(fù)雜系統(tǒng)模型,需要考慮的因素錯(cuò)綜復(fù)雜[16-18]。 在礦石流的傳遞過程中,不僅需要各自動(dòng)化裝備的可靠控制,還需要對(duì)上下游工序進(jìn)行緊密銜接、優(yōu)化調(diào)節(jié),在保障礦山產(chǎn)能的情況下,還需保證以更高的效率、更低的成本完成作業(yè)任務(wù)。 從礦山智能化建設(shè)現(xiàn)狀來看,各個(gè)不同智能裝備作業(yè)環(huán)節(jié)仍呈現(xiàn)離散及非線性特征,實(shí)時(shí)性和可靠性較低,且各裝備系統(tǒng)傳輸冗余數(shù)據(jù)量大,鑿巖、出礦、支護(hù)等各工序所采用的智能裝備之間如何進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)共享與協(xié)同調(diào)度,智能裝備采集的數(shù)據(jù)如何指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn),以及智能化的作業(yè)排產(chǎn)及調(diào)度問題均是未來智能礦山建設(shè)亟須解決的難點(diǎn)問題[19-20]。

為此,本研究以紫金山金銅礦地下開采采場(chǎng)為例,開展了多裝備多工序智能協(xié)同作業(yè)的探索,研發(fā)了適用于該礦的多裝備協(xié)同智能化開采方法,在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了地下礦山鏟裝、運(yùn)輸、破碎多工序裝備的無人化協(xié)同作業(yè),為實(shí)現(xiàn)與推廣地下金屬礦山綠色、高效、安全作業(yè)方式提供技術(shù)儲(chǔ)備和實(shí)踐依據(jù)。

1 多裝備協(xié)同智能化系統(tǒng)架構(gòu)及裝備優(yōu)化選型

1.1 多裝備協(xié)同智能化系統(tǒng)架構(gòu)

紫金山金銅礦地下采礦所采用的是大直徑深孔階段空?qǐng)鏊煤蟪涮畈傻V法,礦房采出的礦石采用鏟運(yùn)機(jī)裝運(yùn)卡車,通過運(yùn)礦卡車運(yùn)輸至溜井,從溜井進(jìn)入245 斜坡道膠帶運(yùn)輸,運(yùn)至選礦廠進(jìn)入選礦環(huán)節(jié)。 該方法單次出礦量大、裝備應(yīng)用集中連貫,便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模機(jī)械化、智能化技術(shù)的推廣應(yīng)用。 為此,選取紫金山金銅礦深部-50 m 中段作為實(shí)踐區(qū)域,通過深度融合該礦地采-50 m 中段的生產(chǎn)工藝、裝備配置、組織管理模式,以及實(shí)際資源賦存條件、圍巖條件、開采條件等情況,開展井下智能化采礦作業(yè)裝備應(yīng)用、井下裝備集群控制、礦山管控一體化平臺(tái)等智能化系統(tǒng)建設(shè)工作,如圖1 所示。

為滿足現(xiàn)有中段出礦需求以及適應(yīng)礦房設(shè)計(jì)規(guī)格,鏟裝環(huán)節(jié)采用鏟斗容量為4 m3的遙控/無人鏟運(yùn)機(jī),鏟運(yùn)機(jī)經(jīng)過電氣化和智能化改造后,可實(shí)現(xiàn)遙控/自動(dòng)模式切換運(yùn)行。 同時(shí)為匹配該型鏟運(yùn)機(jī)和運(yùn)輸設(shè)計(jì)條件,最大限度發(fā)揮裝備效能并保障出礦效率,運(yùn)輸環(huán)節(jié)采用2 臺(tái)能力匹配的電控型柴油動(dòng)力礦卡,礦卡增加了防碰撞檢測(cè)、運(yùn)行監(jiān)控、視頻輔助駕駛等功能。 為了結(jié)合出礦調(diào)度組織工作策略,礦卡采用遙控裝礦、卸礦、穿沿脈等聯(lián)絡(luò)巷遠(yuǎn)程遙控/無人駕駛工作模式。 另外,針對(duì)溜井大塊度礦石破碎環(huán)節(jié),對(duì)1臺(tái)破碎錘進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控改造。 破碎錘保持原裝備系統(tǒng)架構(gòu)不變,在此基礎(chǔ)上增設(shè)遠(yuǎn)程控制器以及姿態(tài)傳感器,將液壓與動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行平行數(shù)字化接入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。 破碎錘還增加了本地/遠(yuǎn)程切換、車輛進(jìn)出站提醒功能。

通過部署鏟運(yùn)機(jī)、礦用運(yùn)輸卡車、破碎錘等智能化大型設(shè)備,并在-50 m 中段鋪設(shè)定位、通信等設(shè)施,在紫金山金銅礦245 硐口(地表)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和井下無人值守的智能鏟裝—無人駕駛運(yùn)輸—遠(yuǎn)程破碎的一體化應(yīng)用,打造井下智能化采礦示范采區(qū)。

1.2 鏟裝工序裝備選型升級(jí)

根據(jù)紫金山礦房及巷道礦房條件,選用Sandvik公司LH410 鏟運(yùn)機(jī),鏟運(yùn)機(jī)外觀如圖2 所示,鏟斗容量為4 m3,額定載荷達(dá)10 t,可以滿足現(xiàn)有采礦方法的運(yùn)輸效能。 鏟運(yùn)機(jī)感知傳感器包括激光掃描儀和車載攝像頭,前后車架分別裝設(shè)有激光掃描儀,另外,為獲取視頻信息,分別在前部安裝3 個(gè)、后部安裝1個(gè)車載攝像頭。 激光掃描儀和車載攝像頭通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和無線接入點(diǎn)為遠(yuǎn)程中控室傳輸巷道掃描點(diǎn)云信息和視頻信息,激光掃描儀與攝像頭分布位置和安裝實(shí)例如圖2 所示。

圖2 鏟運(yùn)機(jī)傳感器布設(shè)Fig.2 Layout of scraper sensors

1.3 運(yùn)礦工序裝備選型升級(jí)

為實(shí)現(xiàn)紫金山金銅礦地下采礦作業(yè)中現(xiàn)有生產(chǎn)工藝配套,運(yùn)礦工序選用中鴻FT-20 礦用卡車,荷載20 t,車廂容量11 m3,能夠與4 m3LH410 鏟運(yùn)機(jī)完全匹配,充分發(fā)揮鏟運(yùn)機(jī)和礦卡裝備效能,如圖3 所示。運(yùn)礦卡車與鏟運(yùn)機(jī)同樣為中央鉸接式結(jié)構(gòu),具有轉(zhuǎn)彎半徑小的優(yōu)勢(shì),外轉(zhuǎn)彎半徑7 613 mm,內(nèi)轉(zhuǎn)彎半徑4 539 mm。 為減少設(shè)備接線,降低因線路接觸不良導(dǎo)致故障率高的問題,整車控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),利用CAN-BUS 總線通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部分工作狀態(tài)自動(dòng)檢查和監(jiān)測(cè),保障車機(jī)系統(tǒng)安全運(yùn)行。 同時(shí)利用車載控制器采集各狀態(tài)參數(shù),上傳至操作臺(tái)以實(shí)時(shí)顯示礦運(yùn)卡車運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 礦卡傳感器布設(shè)Fig.3 Layout of ore truck sensors

礦卡的智能化改造包括安裝邊緣計(jì)算單元、車輛環(huán)境感知傳感器、車載通信模塊等,其中,由激光掃描儀、車載攝像頭、毫米波雷達(dá)等傳感器共同構(gòu)建礦卡環(huán)境感知模式基本單元,礦卡感知傳感器分布位置和安裝如圖3 所示。 為保障礦卡遠(yuǎn)程遙控/自動(dòng)駕駛運(yùn)行安全,通過門禁侵入感知、激光長(zhǎng)距掃描、UWB 人機(jī)防碰撞、毫米波巷道距離檢測(cè)、視頻監(jiān)控輔助駕駛多級(jí)安全監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)多級(jí)防碰撞和人車分離保護(hù)機(jī)制。

1.4 破碎工序裝備選型升級(jí)

由于運(yùn)輸?shù)牡V石中部分塊度較大,無法通過溜井口格篩因而堵住溜井篩孔,需要利用破碎錘對(duì)大塊度礦石進(jìn)行破碎,疏通篩孔,保證礦石能夠正常從溜井下溜至-150 m 中段皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)。 破碎工序采用龍工LG6150 履帶式液壓挖掘機(jī)搭配LKB100 破碎錘,在原裝備系統(tǒng)架構(gòu)不變的情況下,增設(shè)遠(yuǎn)程控制器,平行接入遠(yuǎn)程控制系統(tǒng);液壓與動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行平行數(shù)字化信號(hào)連接,如圖4 所示。

圖4 破碎錘傳控系統(tǒng)布設(shè)Fig.4 Layout of crushing hammer transmission and control system

2 無人采區(qū)多裝備協(xié)同系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 通信與定位系統(tǒng)構(gòu)建

為了減少網(wǎng)絡(luò)線路重復(fù)敷設(shè),在已建成的井下通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,最大程度利用已建成的裝備通信專網(wǎng)構(gòu)建鏟運(yùn)機(jī)、無人礦卡和破碎錘的通信定位系統(tǒng)。 選用Wi-Fi6、UWB 融合基站(圖5),利用UWB 進(jìn)行定位,通信方式采用多裝備共網(wǎng)接入方式,末端基站采用無線掛載通信,配備超強(qiáng)續(xù)航電源,續(xù)航能力10 h左右。

圖5 定位與通信基站Fig.5 Positioning and communication base stations

通過基站對(duì)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)與定位信號(hào)覆蓋,實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的人車管控、無人作業(yè)區(qū)域內(nèi)人車之間相互識(shí)別,同時(shí)有助于工序協(xié)同中裝備相互位置識(shí)別,方便工序協(xié)同過程中進(jìn)行提前動(dòng)作準(zhǔn)備,并為車輛自動(dòng)駕駛提供加減速區(qū)域識(shí)別、自動(dòng)駕駛區(qū)域與遙控區(qū)域辨識(shí)、運(yùn)輸路線識(shí)別等功能。

2.2 多裝備協(xié)同總體框架搭建

多裝備協(xié)同系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原則包括結(jié)合紫金山金銅礦現(xiàn)有工藝技術(shù)、設(shè)施建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),另外,該系統(tǒng)還具備兼容性強(qiáng)、便于操作、易于維護(hù)管理的特點(diǎn)。 多裝備協(xié)同系統(tǒng)能夠合理配置各工序生產(chǎn)能力,形成“鏟—運(yùn)—破”工序無縫銜接、多裝備編組調(diào)度,保障安全連續(xù)生產(chǎn)。 同時(shí),為保障后續(xù)新增裝備的接入延展,多裝備協(xié)同系統(tǒng)采用多對(duì)多架構(gòu),具備多端接入能力,可實(shí)現(xiàn)多終端、多裝備自由接入。 多裝備協(xié)同系統(tǒng)的主要功能是保證多工序之間有序、高效地協(xié)同作業(yè),支撐平臺(tái)裝備信息互通和協(xié)同調(diào)度。

多機(jī)編組裝備協(xié)同技術(shù)架構(gòu)如圖6 所示,由3 個(gè)主要部分構(gòu)成:

圖6 多機(jī)編組裝備協(xié)同技術(shù)架構(gòu)Fig.6 Collaborative technical framework of multi-machine equipment

(1)第1 部分包括裝備信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控,裝備的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)信息由車載控制器、車載攝像頭以及各類傳感器(如激光掃描儀、毫米波雷達(dá)、編碼器等)經(jīng)過通信系統(tǒng)傳達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。 另外,通過搭建數(shù)字孿生平臺(tái)并接入各類裝備狀態(tài)數(shù)據(jù),使操作員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)裝備調(diào)度有更加直觀的感知。

(2)第2 部分為網(wǎng)絡(luò)通信部分,由井下專用光纖網(wǎng)絡(luò)、匯聚層交換機(jī)、接入層交換機(jī)、無線AP 終端以及井下無線基站共同構(gòu)成智能化鏟運(yùn)協(xié)同專用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

(3)第3 部分為無人終端部分,包括UWB 定位終端、無人鏟運(yùn)機(jī)、礦用無人卡車和遠(yuǎn)程遙控破碎錘、紅區(qū)管控單元等,無人終端由網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)接入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),再由遠(yuǎn)程服務(wù)器完成任務(wù)調(diào)度、定位信息解算,并將控制指令下發(fā)至無人終端,形成系統(tǒng)性的裝備協(xié)同交互。

紫金山金銅礦地采-50 m 中段采區(qū)無人化鏟運(yùn)協(xié)同運(yùn)行模式可描述為:無人鏟運(yùn)機(jī)從礦房中鏟礦裝車至無人礦用卡車,礦卡從裝礦點(diǎn)出發(fā),沿重車路線駛向溜井口卸礦,完成卸礦后的礦卡沿輕車路線駛向裝礦點(diǎn),形成運(yùn)輸回環(huán)。 當(dāng)遇到大塊度礦石堵塞溜井條篩時(shí),需要遠(yuǎn)程遙控啟動(dòng)破碎錘清理。 由鏟運(yùn)機(jī)、礦卡、破碎錘3 個(gè)工序裝備的協(xié)同作業(yè),構(gòu)成“鏟—運(yùn)—破”工序智能化無人采區(qū)閉環(huán)。

2.3 多裝備工序協(xié)同安全管控措施

2.3.1 運(yùn)行區(qū)域紅區(qū)管控

為了精準(zhǔn)把握采區(qū)內(nèi)人員、裝備相對(duì)位置,實(shí)現(xiàn)人機(jī)防碰撞探測(cè)與警示,本研究通過車載UWB 終端和人員信標(biāo)實(shí)現(xiàn)人員車輛精準(zhǔn)定位。 當(dāng)人機(jī)接近時(shí)操作臺(tái)發(fā)出以聲音、振動(dòng)、界面彈窗等方式的綜合預(yù)警,必要時(shí)介入裝備控制緊急制動(dòng)。 除此之外,采區(qū)入口設(shè)置與裝備控制聯(lián)動(dòng)的行程開關(guān)柵欄門禁,并在運(yùn)輸路線設(shè)置彎道、岔路、溜井口視頻監(jiān)控設(shè)施,以實(shí)現(xiàn)在非許可進(jìn)入狀態(tài)下對(duì)操作人員進(jìn)行提醒以及聯(lián)動(dòng)停機(jī),如圖7 所示。

圖7 多區(qū)域安全監(jiān)控偵測(cè)流程Fig.7 Flow of multiple-area security monitoring and detection

2.3.2 裝備控制狀態(tài)優(yōu)先級(jí)管控

多裝備協(xié)同安全管控措施的首要問題是確立裝備控制狀態(tài)優(yōu)先級(jí),如圖8 所示。 由于在各種運(yùn)行狀況下,不同控制指令如人工干預(yù)、人工操作、視距遙控操作、遠(yuǎn)程遙控、自主操作、故障指令、避障信號(hào)等,其關(guān)系到設(shè)備能否正常運(yùn)行以及設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性,因此在不同控制信號(hào)到達(dá)車載控制終端后,首先需要對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行甄別,區(qū)分信號(hào)優(yōu)先級(jí),有先后、有重點(diǎn)地執(zhí)行,避免造成指令沖突、誤操作及各種危險(xiǎn)情況發(fā)生。 裝備本地駕駛、遙控駕駛、無人駕駛等控制狀態(tài)優(yōu)先級(jí)處理邏輯如圖8 所示。

圖8 控制狀態(tài)優(yōu)先級(jí)處理邏輯思路Fig.8 Logic approach of control state priority processing

裝備異常工況作為安全管控控制狀態(tài)的最優(yōu)先的級(jí)別,主要包含行走碰壁、通信中斷、雙車異常交匯等幾個(gè)方面,遵循自主解決—視頻監(jiān)控解決—遙控解決—機(jī)器操作解決的順序原則。 各子程序設(shè)計(jì)過程中,通過對(duì)設(shè)備硬件增加環(huán)境感知系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和泛在信息采集與傳輸處理系統(tǒng),故障診斷系統(tǒng)對(duì)異常工況和環(huán)境異常情況進(jìn)行提前判斷辨識(shí),提高設(shè)備的本質(zhì)安全水平。

2.4 遙控/自動(dòng)駕駛模塊構(gòu)建

車輛遙控/無人駕駛模塊系統(tǒng)架構(gòu)如圖9 所示。車輛遠(yuǎn)程遙控/無人駕駛控制軟件運(yùn)行于車載邊緣計(jì)算機(jī)上,軟件基于車載工況傳感器和環(huán)境感知傳感器進(jìn)行持續(xù)的迭代計(jì)算,軟件同時(shí)作為線控模塊與操作臺(tái)之間的中間服務(wù)軟件,接受上層模塊下發(fā)的調(diào)度、操作、行駛模式等指令并依據(jù)智能決策算法進(jìn)行執(zhí)行。 同時(shí),將車載端持續(xù)采集分析的工況數(shù)據(jù)和環(huán)境感知數(shù)據(jù)傳輸給上層,車輛遠(yuǎn)程遙控/無人駕駛軟件系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)車輛運(yùn)動(dòng)過程中的各種狀況,保障設(shè)備無人駕駛/遠(yuǎn)程遙控模塊安全運(yùn)行。

圖9 遙控/無人駕駛軟件系統(tǒng)架構(gòu)Fig.9 Framework of remote control/driverless software system

車輛定位及輪廓識(shí)別原理如圖10 所示。 車輛定位方式通過全域UWB 覆蓋判斷礦卡位置,在主運(yùn)輸路線原則上全自主駕駛,溜井、裝礦點(diǎn)協(xié)同遠(yuǎn)程遙控。當(dāng)裝備出現(xiàn)極限碰壁、裝備故障、會(huì)車?yán)щy、異常侵入情況時(shí),會(huì)解除主運(yùn)輸線路自主駕駛狀態(tài),切換到遠(yuǎn)程遙控狀態(tài),需要進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)甚至有人本地操作。 根據(jù)UWB 位置識(shí)別,當(dāng)進(jìn)入溜井放礦區(qū)域內(nèi)/裝礦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)后,自動(dòng)切換到遠(yuǎn)程遙控狀態(tài),并提醒值守人員執(zhí)行遠(yuǎn)程遙控協(xié)同作業(yè)模式。

圖10 車輛定位及輪廓識(shí)別Fig.10 Vehicle localization and profile recognition

同時(shí),考慮到運(yùn)礦卡車鉸接特點(diǎn)和空載/重載對(duì)運(yùn)動(dòng)模型的影響等因素,由于運(yùn)礦卡車自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其動(dòng)態(tài)控制模型為模糊模型,控制過程中存在滑移、轉(zhuǎn)向起始端與負(fù)載關(guān)聯(lián)性多變具有較大不確定性,同時(shí)對(duì)坡度/地面情況有非線性關(guān)聯(lián)等因素,直接對(duì)裝備運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行精確控制存在較大的不確定性和不可靠性。 基于礦用卡車外形尺寸和紫金山金銅礦運(yùn)輸巷轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)原則,運(yùn)礦卡車根據(jù)毫米波雷達(dá)檢測(cè)與雙側(cè)巷道壁距離,由車載邊緣計(jì)算器根據(jù)車輛輪廓進(jìn)行車輛轉(zhuǎn)向角度調(diào)整,使之滿足裝備直行/轉(zhuǎn)彎需求。 由激光掃描儀對(duì)前后雙向巷道進(jìn)行探測(cè),指導(dǎo)入彎角度姿態(tài)調(diào)整。

2.5 多裝備協(xié)同控制策略

通過TCP/CAN 數(shù)據(jù)協(xié)議,基于原生C++研發(fā)的多裝備調(diào)度服務(wù)器,通過多個(gè)操作臺(tái)控制數(shù)據(jù)的融合、判斷、轉(zhuǎn)發(fā),以及2 臺(tái)礦卡、單臺(tái)鏟運(yùn)機(jī)、單臺(tái)破碎錘的狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷、傳遞,結(jié)合UWB 定位與紅區(qū)管控?cái)?shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)多裝備的自動(dòng)/遙控駕駛模式轉(zhuǎn)換、運(yùn)行路線控制、任務(wù)調(diào)度分配等邏輯分配,如圖11 所示。多裝備兼容服務(wù)器可同時(shí)應(yīng)用于鏟裝、運(yùn)輸、破碎裝備,實(shí)現(xiàn)多臺(tái)裝備間數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)對(duì)鏟運(yùn)機(jī)、運(yùn)礦卡車、破碎錘多裝備的協(xié)同控制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)采區(qū)工作環(huán)境觀察、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)以及故障預(yù)警。

圖11 多裝備協(xié)同控制流程Fig.11 Flow of multi-equipment synergy control

3 應(yīng)用效果分析及討論

3.1 應(yīng)用效果

基于上述裝備、軟件系統(tǒng)模塊的開發(fā)及組成,在紫金山金銅礦-50 m 中段地下采場(chǎng)開展了多裝備協(xié)同智能開采系統(tǒng)的應(yīng)用研究,如圖12 所示。 通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),全流程遠(yuǎn)程遙控與有人駕駛速率相當(dāng),為14. 93 min,而采用無人駕駛多裝備協(xié)同需要20.34 min,經(jīng)過全系統(tǒng)流程的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析得出,無人駕駛效率為人工駕駛的73%。

圖12 地下采場(chǎng)多裝備協(xié)同智能開采系統(tǒng)應(yīng)用Fig.12 Application of multi-equipment cooperative intelligent mining system in underground stope

3.2 討 論

通過系統(tǒng)運(yùn)行效果的綜合分析,無人駕駛效率折損因素及地下金屬礦山多裝備協(xié)同智能化系統(tǒng)的未來研究方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)地下金屬礦山裝備與工藝的融合創(chuàng)新。 通過紫金山金銅礦系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果分析可知,鏟運(yùn)機(jī)無人駕駛效率較人工駕駛有所折損、礦卡無人駕駛效率較有人駕駛有所折損、破碎錘和裝卸礦協(xié)同環(huán)節(jié)折損明顯。 主要原因是,原有的開采工藝并未完全適應(yīng)于全流程智能裝備的開采工況,而裝備的改造升級(jí)并未有效協(xié)同提升相應(yīng)的工藝技術(shù)水平。 因此,在后續(xù)研究中,智能裝備改造應(yīng)與開采工藝進(jìn)行適配創(chuàng)新,包括從開拓方式、采準(zhǔn)系統(tǒng)、開采、運(yùn)輸、提升等多個(gè)維度進(jìn)行智能采礦工藝的總體規(guī)劃改造,避免出現(xiàn)裝備產(chǎn)能過剩、智能采場(chǎng)產(chǎn)能與提升不匹配等情況(圖13)。 圍繞智能化、連續(xù)開采、本質(zhì)安全等特點(diǎn),創(chuàng)新和集成非傳統(tǒng)采礦方法與工藝,研究配套工藝技術(shù)及參數(shù),形成多作業(yè)面協(xié)同的連續(xù)開采技術(shù),為智能裝備的推廣應(yīng)用提供條件。

圖13 采礦工藝與智能裝備創(chuàng)新融合模式Fig.13 Mode of innovative integration of mining technology and intelligent equipment

(2)地下金屬礦多裝備智能開采標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。在實(shí)際運(yùn)行過程中,由于原有巷道參照已有的金屬礦山設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),并非專為智能裝備運(yùn)行而設(shè)計(jì),因此存在多數(shù)巷道較窄、直線距離短、彎道多、邊幫超挖、管架突出等影響因素,導(dǎo)致整體多裝備運(yùn)行效率降低明顯。 參考金川二礦區(qū)井下巷道建設(shè)及管路敷設(shè)情況(圖14)可知,若在巷道頂部敷設(shè)管線,可減小巷道兩側(cè)的不規(guī)則阻擋區(qū)域,更有利于擴(kuò)大智能化設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行空間,但由于現(xiàn)有巷道的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)監(jiān)管要求不同,多數(shù)礦山無法參照金川礦區(qū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巷道布置。

圖14 智能礦山巷道標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)案例Fig.14 Case of intelligent mine roadway standardization construction

因此,實(shí)現(xiàn)地下金屬礦多裝備智能開采建設(shè)時(shí),應(yīng)對(duì)礦山智能開采標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂,不局限于傳統(tǒng)智能化的內(nèi)涵標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等,應(yīng)構(gòu)建符合地下金屬礦山特色的智能化標(biāo)準(zhǔn),如智能采場(chǎng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、智能巷道的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等,形成專為智能開采而設(shè)計(jì)的地下金屬礦山全系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn),才能更有力地推動(dòng)地下金屬礦山全系統(tǒng)的智能化改造,實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化減人、智能化無人”的目的。

(3)地下金屬礦山多裝備協(xié)同研究。 在系統(tǒng)運(yùn)行過程中,受限于操作人員熟練程度,尤其是裝卸環(huán)節(jié)效率折損造成的累加效應(yīng)突出。 此外,由于駕駛模式的改變,多裝備控制臺(tái)可支持多個(gè)同種類型的裝備操作,在現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)運(yùn)行中,2 臺(tái)卡車均由同一人員操作。 為此,未來地下金屬礦山智能開采的裝備控制必然存在多裝備的協(xié)同調(diào)度問題,亟須發(fā)展一種地下智能礦山建設(shè)中的多裝備協(xié)同調(diào)度優(yōu)化手段,促進(jìn)智能裝備與采礦工藝的優(yōu)化匹配,發(fā)揮礦山智能化建設(shè)中的裝備性能優(yōu)勢(shì)。

事實(shí)上,其他領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)這種由多個(gè)體協(xié)作完成任務(wù)的模式進(jìn)行了深入研究,并提出了多智能體系統(tǒng)(Multi-agent Systems,MASs)的概念。 地下礦山多個(gè)裝備、系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同作業(yè),其本質(zhì)是由這些裝備與系統(tǒng)構(gòu)成了典型的多智能體系統(tǒng)(Multi-agent system,MAS)。 多智能體系統(tǒng)是由多個(gè)獨(dú)立的智能體組成的分布式系統(tǒng),每個(gè)智能體均受到獨(dú)立控制,但需在同一個(gè)環(huán)境中與其他智能體交互。 多智能體系統(tǒng)的一致性是指系統(tǒng)中所有智能體都最終收斂至一個(gè)相同的狀態(tài),一致性是多智能體系統(tǒng)能否完成協(xié)同控制任務(wù)的關(guān)鍵條件之一。 在礦山惡劣條件下實(shí)現(xiàn)智能裝備協(xié)同作業(yè)的難點(diǎn)可以轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)執(zhí)行一致性問題,通過對(duì)地下礦山智能裝備數(shù)據(jù)的采集以及系統(tǒng)建模,結(jié)合非線性求解手段來尋求智能體系統(tǒng)的共同值,即可探尋地下礦山智能裝備集群的最優(yōu)調(diào)度方案。 目前,雖然智能體系統(tǒng)在地下礦山的應(yīng)用仍是空白,但是該理念可為地下礦山智能建設(shè)過程中的多智能裝備協(xié)同調(diào)度優(yōu)化提供一種有效手段。

4 結(jié) 論

(1)通過裝備的智能化改造,構(gòu)建了一種深部“鏟—運(yùn)—破”三工序多裝備協(xié)同智能開采系統(tǒng)架構(gòu)。 基于激光掃描儀以及毫米波雷達(dá)等傳感器,結(jié)合Wi-Fi 通信網(wǎng)絡(luò)以及UWB 定位,實(shí)現(xiàn)了紫金山金銅礦地下開采無人鏟運(yùn)裝備的自主環(huán)境感知與控制決策。 同時(shí),結(jié)合多裝備系統(tǒng)管控,可實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)作業(yè)“鏟—運(yùn)—破”三工序減員化和智能化管控,達(dá)到采區(qū)作業(yè)高效循環(huán)的目的。

(2)基于設(shè)計(jì)的智能化裝備架構(gòu),結(jié)合通信定位及多裝備協(xié)同技術(shù),構(gòu)建了一種地下礦山無人采區(qū)多裝備協(xié)同系統(tǒng),并在紫金山金銅礦得到了有效驗(yàn)證,運(yùn)行效率可接近實(shí)際操作效率的70%,可為推動(dòng)地下采礦作業(yè)的智能化進(jìn)程提供有益參考。

(3)由于深部采區(qū)環(huán)境復(fù)雜多變,智能化裝備運(yùn)行效率未能達(dá)到人工駕駛水平。 同時(shí),無人化管控區(qū)域內(nèi)裝備數(shù)量增多后裝備協(xié)同調(diào)度系統(tǒng)的性能會(huì)有所下降。 未來研究中,應(yīng)將地下金屬礦山裝備與工藝實(shí)現(xiàn)融合創(chuàng)新,同時(shí)開展地下金屬礦多裝備智能開采標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè),并進(jìn)一步優(yōu)化地下金屬礦山多裝備協(xié)同交互機(jī)制。