王明釗，臧懷壯，龔　兵，李　鑫，遲洪鵬

(北京礦冶研究總院，　北京　100160)

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地下裝藥車智能化發(fā)展概況*

王明釗，臧懷壯，龔兵，李鑫，遲洪鵬

(北京礦冶研究總院，北京100160)

摘要：詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外地下裝藥車智能化的發(fā)展歷程，其中兩臺(tái)代表國內(nèi)外最先進(jìn)技術(shù)的智能裝藥車都將圖像識(shí)別技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)引入到裝藥過程中。并分析了智能裝藥車未來的發(fā)展前景，以及裝藥車今后發(fā)展的研究方向和技術(shù)瓶頸。

關(guān)鍵詞：裝藥車；智能化；圖像識(shí)別；自動(dòng)控制

0前言

隨著我國礦業(yè)的發(fā)展，礦山開采逐漸由露天開采轉(zhuǎn)為地下開采, 并且其開采深度不斷擴(kuò)大。但是我國的地下開采技術(shù)起步較晚，雖然發(fā)展迅速，但距國外先進(jìn)水平還有一定差距。在地下開采中，“鉆、爆、裝、運(yùn)”是四個(gè)主要的環(huán)節(jié)，而爆破的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他幾個(gè)環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為制約礦山開采過程中提高生產(chǎn)能力的一個(gè)瓶頸。因此，大力發(fā)展地下裝藥的機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化；降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工人作業(yè)安全；實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的減人無人化是地下裝藥智能化的發(fā)展方向，也是未來智能礦山的關(guān)鍵組成部分。

地下裝藥車是集原料運(yùn)輸、炸藥混制、炮孔裝填于一體的機(jī)電一體化高科技產(chǎn)品，具有成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化程度高、適用范圍廣、勞動(dòng)強(qiáng)度小等特點(diǎn)。因此，地下裝藥車的智能化發(fā)展，代表了地下裝藥技術(shù)的發(fā)展方向。

1地下智能裝藥車發(fā)展現(xiàn)狀

1.1國外地下智能裝藥車發(fā)展

地下裝藥技術(shù)是在露天裝藥技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。國外的地下裝藥車已經(jīng)完成機(jī)械化向自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，近些年來正在向智能化過渡。20世紀(jì)中期，在一些采礦業(yè)較為發(fā)達(dá)的國家開始采用初級(jí)的裝藥器代替最初的人工裝藥，實(shí)現(xiàn)了裝藥的初級(jí)機(jī)械化，如蘇聯(lián)的KyPama-7M、KyPama-8，3-2 型噴射式裝藥器，壓人式裝藥器，聯(lián)合式裝藥器等[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，歐美研制出功能更全面、技術(shù)含量更高的裝藥車，如蘇聯(lián)的C3y-1型、瑞典阿特拉斯的PT系列、芬蘭諾曼特NT系列等[2]。20世紀(jì)80年代，乳化炸藥地下裝藥車也相繼在國外問世，隨即被廣泛采用。圖1 為芬蘭諾曼特Chramec系列地下裝藥車。

圖1　Normet Charmec系列裝藥車

國外在20世紀(jì)末提出了“智能化礦山”的概念。加拿大制訂出一項(xiàng)擬在2050 年實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)景規(guī)劃——將加拿大北部邊遠(yuǎn)地區(qū)的礦山實(shí)現(xiàn)為無人礦井，通過衛(wèi)星操縱礦山的所有設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)破碎和自動(dòng)切割采礦；芬蘭采礦業(yè)也于1992年宣布了自己的智能采礦技術(shù)方案，涉及采礦實(shí)時(shí)過程控制、資源實(shí)時(shí)管理、礦山信息網(wǎng)建設(shè)、新機(jī)械應(yīng)用和自動(dòng)控制等28個(gè)專題；瑞典也制定了向礦山自動(dòng)化進(jìn)軍的“Grountecknik 2000”戰(zhàn)略計(jì)劃[3]。力拓集團(tuán)西澳皮爾巴拉鐵礦項(xiàng)目中應(yīng)用了大量了當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一定程度的智能化采礦。

地下裝藥智能化的發(fā)展更是由于其復(fù)雜的環(huán)境、繁瑣的操作、超高的安全性以及科學(xué)技術(shù)的限制，發(fā)展相對(duì)緩慢。

近期，澳大利亞學(xué)者提出了視覺尋孔、自動(dòng)裝藥的智能化裝藥方案[4]，在裝藥過程中首次加入視覺伺服炮孔定位、機(jī)械臂的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋孔功能。該方法使用三維激光掃描儀掃描隧道的環(huán)境，通過視覺算法，篩選出炮孔，并測(cè)算出炮孔三維坐標(biāo)；接著控制自動(dòng)化機(jī)械臂精準(zhǔn)對(duì)孔；最后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝藥過程。其中在篩選炮孔過程中，人為的刪除了錯(cuò)誤的炮孔識(shí)別結(jié)果、增加視覺算法遺漏的炮孔。視覺識(shí)別的真實(shí)炮孔如圖2所示。

圖2　視覺識(shí)別的真實(shí)炮孔

1.2國內(nèi)地下智能化裝藥車發(fā)展

國內(nèi)的裝藥技術(shù)起步較晚，發(fā)展也相對(duì)緩慢。直到20世紀(jì)80年代，長治礦山機(jī)械廠在瑞典ANOL的基礎(chǔ)上研制出BQ系列裝藥器，用于裝填銨油炸藥。在國外裝藥車的基礎(chǔ)上，國內(nèi)也研制了一些裝藥車，比如馬鞍山礦山院的DZY220型井下裝藥車，配有安裝工作平臺(tái)，人工輔助送、退管等操作。長沙礦山院研制的JFZ600型井下上向中深孔銨油粉粒狀裝藥車，克服了裝藥與返藥控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，解決了部分進(jìn)口設(shè)備在國內(nèi)運(yùn)用不成功的技術(shù)難題。2006年由北京礦冶研究總院研制的BCJ-4型地下裝藥車(見圖3)通過技術(shù)鑒定，該車上向孔裝藥無返藥，爆破效果好，被國內(nèi)礦業(yè)廣泛采用[5]。

圖3　BCJ-4型地下裝藥車

國內(nèi)裝藥技術(shù)的自動(dòng)化近幾年發(fā)展迅速。湖南金能研制出的JR1.5型乳化炸藥裝藥車[2]，使用送管機(jī)構(gòu)替代了原有的裝藥平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)送退管，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度；遙控機(jī)械臂替代人工，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔。2014年，北京礦冶研究總院研制的BCJ-41型地下乳化裝藥車(見圖4)在整車一體自動(dòng)化上實(shí)現(xiàn)了突破。該車不僅實(shí)現(xiàn)了遙控對(duì)孔，自動(dòng)送退管、而且實(shí)現(xiàn)了卷管與送退管自動(dòng)匹配、數(shù)字化可視操作、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、炸藥配方比例自動(dòng)調(diào)節(jié)等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。

圖4　BCJ-41型裝藥車

國內(nèi)的“裝藥智能化”概念是由“十二五”規(guī)劃中“863地下金屬礦智能開采技術(shù)”課題延伸而來，由北京礦冶研究總院下屬的炸藥所承擔(dān)研制智能裝藥車的任務(wù)。在車輛自主行使方面，該車借助于調(diào)度平臺(tái)和電子地圖的指引，可以完成自主路線規(guī)劃的無人化行走、車輛位置的精確定位；借助激光掃描，實(shí)現(xiàn)避障行走。在智能尋孔方面，采用了激光測(cè)距儀/單攝像頭綜合炮孔識(shí)別方案，多級(jí)精確炮孔定位。在智能裝藥方面，不但集成了BCJ-41型原有的功能，還增加了與服務(wù)器數(shù)據(jù)交互：炮孔位置、設(shè)計(jì)裝藥參數(shù)的下傳；裝藥結(jié)果、實(shí)時(shí)狀態(tài)的上傳與存儲(chǔ)。進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、無人化、智能化，為國內(nèi)智能裝藥技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

2地下智能裝藥車發(fā)展前景

地下智能化裝藥車雖然初具規(guī)模，但是發(fā)展依然緩慢。雖然國外技術(shù)依舊領(lǐng)先，但是863智能裝藥車的研制，縮短了國內(nèi)外的技術(shù)差距。盡管如此，國內(nèi)外智能裝藥車的發(fā)展，受制于技術(shù)發(fā)展和行業(yè)現(xiàn)狀的限制，相較于航天、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域，技術(shù)相對(duì)落后。因此，未來的發(fā)展前景巨大，新技術(shù)新方法也將日新月異。今后，智能裝藥車研究將主要集中在以下幾個(gè)方面。

(1) 系統(tǒng)建模和控制技術(shù)。車輛的無人化自主行使是裝藥車智能礦山乃至車輛行業(yè)的重要研究方向。自助行駛的基礎(chǔ)是控制，控制的基礎(chǔ)是建模。車輛模型的建立，能夠?yàn)楦咝е悄艿目刂品椒ㄌ峁┗A(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)智能控制、智能調(diào)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其次，機(jī)械臂的建模也是重要的研究方向。機(jī)械臂快速精確的對(duì)孔，需要精確建模以及快速穩(wěn)定控制方案的支持。所以，在智能裝藥車整個(gè)系統(tǒng)中，多個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)甚至驅(qū)動(dòng)裝置都需要精確的建模方案，在此基礎(chǔ)上采取快速穩(wěn)定的控制方法，才能為實(shí)現(xiàn)裝藥車的整體智能化提供重要支撐。

(2) 圖像識(shí)別技術(shù)。真實(shí)炮孔的圖像識(shí)別技術(shù)，是當(dāng)前智能裝藥車的主要瓶頸。澳大利亞學(xué)者的研究首次把圖像識(shí)別引入到智能裝藥技術(shù)當(dāng)中，雖然智能裝藥車能夠一定程度上識(shí)別真實(shí)炮孔，但結(jié)果仍不太準(zhǔn)確，所以需要人為的修正識(shí)別結(jié)果，而且此方案需要事先通過三維激光掃描儀掃描隧道環(huán)境。國內(nèi)的炮孔識(shí)別技術(shù)，用激光測(cè)距/單攝像頭實(shí)時(shí)識(shí)別方案替代三維激光儀，但對(duì)隧道周圍環(huán)境和炮孔特征量要求較高。圖像識(shí)別技術(shù)在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用仍處在初級(jí)階段，因此成為限制智能化礦山、智能裝藥車的主要瓶頸，這也是今后礦山發(fā)展的重點(diǎn)研究方向。

(3) 智能礦山一體化。炮孔相對(duì)位置、設(shè)計(jì)裝藥參數(shù)等數(shù)據(jù)需要裝藥的上一流程提供，而這些數(shù)據(jù)的傳遞需要服務(wù)器級(jí)別的調(diào)度平臺(tái)來處理。此外，井下車輛的定位導(dǎo)航和自主行使，也需要調(diào)度平臺(tái)來下達(dá)指令、實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此，孤立的強(qiáng)調(diào)“智能裝藥”概念是沒有意義的，只有整個(gè)采礦流程實(shí)現(xiàn)了初步數(shù)字化自動(dòng)化，才能實(shí)現(xiàn)裝藥過程的智能化。所以，礦山整體的智能化也是以后礦山發(fā)展的研究重點(diǎn)。

3總結(jié)

隨著我國勞動(dòng)力的緊缺以及安全意識(shí)的提高，少人、無人化的智能設(shè)備今后將更多的出現(xiàn)在礦業(yè)開發(fā)當(dāng)中。我國的地下裝藥車技術(shù)仍與國外存在一定差距，但是對(duì)于智能裝藥車這一新的領(lǐng)域，國內(nèi)外技術(shù)差距已經(jīng)相對(duì)縮小。因此，我們應(yīng)當(dāng)抓住這一有利契機(jī)，發(fā)展智能裝藥技術(shù)，建立一體化智能礦山系統(tǒng)，進(jìn)一步縮短國內(nèi)外礦業(yè)技術(shù)差距。

參考文獻(xiàn)：

[1]張東升，孫偉博,李治明,等.井下裝藥車及其應(yīng)用前景[J].機(jī)械管理開發(fā),2007(6):5-7.

[2]鄧聲普，吳曉夢(mèng)，顏松樺，等.乳化炸藥地下裝藥車技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[A].2010 全國采礦科學(xué)技術(shù)高峰論壇論文集[C],2010.

[3]臧懷壯，李鑫，李國仲，等.地下礦山炸藥裝藥車現(xiàn)狀與智能化發(fā)展[J].礦冶,2012,21(4):14-16.

[4]Bonchis A，Duff E, Roberts J, et al.Robotic explosive charging in mining and construction applications[J].Automation Science and Engineering, IEEE Transactions on,2014,11(1):245-250.

*基金項(xiàng)目：國家863 計(jì)劃項(xiàng)目資助項(xiàng)目( 2011AA060405).

收稿日期：[5] 趙偉.井下裝藥車裝填技術(shù)的研究[D].成都:西南交通大學(xué),2014.(2015-11-12)

作者簡介：王明釗(1989-)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣I(yè)控制、智能控制、自動(dòng)控制，Email:buaa_wangmz@163.com。