劉銀柱，潘海增，溫 鵬，胡 帥，孫效玉

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

機(jī)電與自動(dòng)化

露天礦電鏟-卡車運(yùn)行過程模擬系統(tǒng)研發(fā)

劉銀柱，潘海增，溫 鵬，胡 帥，孫效玉

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

以卡車位置、狀態(tài)識(shí)別和轉(zhuǎn)換為核心，采用時(shí)間步長(zhǎng)與事件步長(zhǎng)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了電鏟-卡車工藝運(yùn)行的有效模擬，提供了良好的可視化顯示和豐富的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，為后續(xù)分析生產(chǎn)過程、挖掘生產(chǎn)潛力、選擇優(yōu)化調(diào)度方法提供了有效手段。

露天礦；電鏟；卡車；運(yùn)行模擬

0 引 言

露天礦是以采掘?yàn)橹行?、運(yùn)輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。電鏟-卡車間斷工藝具有機(jī)動(dòng)靈活、汽車爬坡能力大、轉(zhuǎn)彎半徑小、基建期短、基建投資少、掘溝速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)露天礦以電鏟采裝、卡車運(yùn)輸?shù)拈g斷工藝和半連續(xù)工藝為主。由于采裝與運(yùn)輸作業(yè)相互銜接，相互制約，鏟車匹配與組合是生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)組織、生產(chǎn)調(diào)度的重要工作內(nèi)容[2]。

礦山計(jì)算機(jī)模擬開始于20世紀(jì)50年代末期，大多數(shù)早期的模擬都是由用戶以FORTRAN語(yǔ)言在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)的，目前開發(fā)了許多的行業(yè)專用軟件。露天礦電鏟卡車運(yùn)行模擬主要用來(lái)尋找合理的設(shè)備配套、數(shù)量配合[3-4]，評(píng)價(jià)運(yùn)輸設(shè)備的調(diào)配原則[5]，研究各種開拓運(yùn)輸系統(tǒng)的功能、運(yùn)行規(guī)律、限制和使用條件，分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、選取改進(jìn)方案[5]等等。采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)露天礦電鏟-卡車卡車運(yùn)行及生產(chǎn)調(diào)度進(jìn)行模擬具有重要理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

設(shè)計(jì)編寫了一個(gè)能夠進(jìn)行鏟車運(yùn)行模擬程序，可人工設(shè)置模擬的起止時(shí)間以及卡車、電鏟、排卸點(diǎn)的相關(guān)屬性，并可實(shí)現(xiàn)與礦山實(shí)際道路與優(yōu)化調(diào)度方法的有效銜接，為教學(xué)、科研與生產(chǎn)管理提供了有效手段。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1 主體功能

將整個(gè)系統(tǒng)看成由m個(gè)裝載點(diǎn)、n個(gè)卸載點(diǎn)、k臺(tái)卡車構(gòu)成的物流運(yùn)輸系統(tǒng)，其中裝載點(diǎn)與卸載點(diǎn)之間通過道路網(wǎng)相連。主體功能主要模擬卡車位置的變化、卡車在裝卸點(diǎn)的排隊(duì)情況以及電鏟、卡車、排卸點(diǎn)的狀態(tài)變化。

其中裝載點(diǎn)（電鏟）具有以下屬性：名稱、型號(hào)、裝載物料類型、礦質(zhì)、裝載速度、產(chǎn)量要求。

卡車具有以下屬性：名稱、型號(hào)、車廂裝載容積、空車運(yùn)行速度、重車運(yùn)行速度。

排卸點(diǎn)具有以下屬性：名稱、卸載物料類型、礦質(zhì)要求、卸載速度、產(chǎn)量要求。

1.2 道路網(wǎng)接口

道路網(wǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)與礦山實(shí)際道路的有效銜接，包括CAD、ArcGis、3DMine等多種格式。

1.3 實(shí)時(shí)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

分時(shí)間、里程、產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中：

1）卡車時(shí)間計(jì)算：

待裝時(shí)間=開始裝車時(shí)刻-到達(dá)電鏟時(shí)刻

裝車時(shí)間=裝完車時(shí)刻-開始裝車時(shí)刻

待卸時(shí)間=開始卸車時(shí)刻-到達(dá)排卸點(diǎn)時(shí)刻

卸車時(shí)間=卸完車時(shí)刻-開始卸車時(shí)刻

重運(yùn)時(shí)間=到達(dá)卸點(diǎn)時(shí)刻-裝完車時(shí)刻

空運(yùn)時(shí)間=到達(dá)電鏟時(shí)刻-卸完車時(shí)刻

2）里程計(jì)算：

重運(yùn)里程=∑重運(yùn)路段長(zhǎng)度

空運(yùn)里程=∑空運(yùn)路段長(zhǎng)度

3）產(chǎn)量計(jì)算：

卡車產(chǎn)量=∑車廂裝載容積×已完成車數(shù)

電鏟產(chǎn)量=∑車廂裝載容積×裝載車數(shù)

排卸點(diǎn)產(chǎn)量=∑車廂裝載容積×卸載車數(shù)

1.4 調(diào)度功能

每次裝載完畢或卸載完畢，采用不同的調(diào)度方法對(duì)卡車進(jìn)行調(diào)度，確定卡車運(yùn)行裝卸目標(biāo)與行駛路線。主要調(diào)度方法包括固定配車法、最早裝車法、最早裝完車法、最小卡車等待法、最小電鏟等待法、基于目標(biāo)產(chǎn)量完成度與配車飽和度的方法等[6]。主要介紹第1部分功能實(shí)現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

2.1 界面與操作設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面是人與機(jī)器之間傳遞和交換信息的媒介，按照外觀簡(jiǎn)單明快、操作舒適簡(jiǎn)單的原則，參照常用的計(jì)算機(jī)軟件，將界面劃分為菜單欄、信息欄、控制欄、運(yùn)行區(qū)域4個(gè)部分。

其中菜單欄實(shí)現(xiàn)主體功能；信息欄顯示當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備信息；控制欄用來(lái)控制運(yùn)行模擬的速度和當(dāng)前采用的調(diào)度方法；運(yùn)行區(qū)域顯示設(shè)備運(yùn)行的位置、狀態(tài)、物料等綜合情況。在圖形區(qū)單擊右鍵，可彈出菜單，添加卡車、電鏟等設(shè)備。

菜單欄分系統(tǒng)、窗口、顯示控制、參數(shù)控制、查詢統(tǒng)計(jì)、調(diào)度方法、幫助等幾部分。其中系統(tǒng)：?jiǎn)?dòng)、暫停/繼續(xù)、結(jié)束、退出。窗口：放大、縮小、平移。顯示控制：顯示道路、顯示臺(tái)階、狀態(tài)選擇、顯示速度。參數(shù)控制：模擬起止時(shí)間、模擬時(shí)間步長(zhǎng)、電鏟計(jì)劃、排卸點(diǎn)計(jì)劃、卡車計(jì)劃、道路網(wǎng)選擇。調(diào)度方法：固定配車法、最早裝車法、最早裝完車法、最小卡車等待法、最小電鏟等待法、基于目標(biāo)產(chǎn)量完成度與配車飽和度的方法。查詢統(tǒng)計(jì)：產(chǎn)量、時(shí)間、里程。

2.2 模塊劃分

整個(gè)系統(tǒng)主要分為模擬主程序模塊、路網(wǎng)及其接口模塊、電鏟模塊、卡車模塊、排卸點(diǎn)模塊、調(diào)度模塊、統(tǒng)計(jì)模塊，對(duì)設(shè)備的位置、狀態(tài)進(jìn)行模擬。各模塊主要功能分述如下：

1）模擬主程序模塊：通過遍歷函數(shù)進(jìn)行卡車的遍歷，并在遍歷函數(shù)中對(duì)卡車相關(guān)狀態(tài)函數(shù)和路網(wǎng)重繪函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

2）路網(wǎng)模塊：讀取路網(wǎng)文件，實(shí)現(xiàn)實(shí)際坐標(biāo)和屏幕坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用GDI技術(shù)將道路網(wǎng)繪制到窗口中，完成任意兩點(diǎn)間的最短路計(jì)算。

3）電鏟模塊：集成電鏟相關(guān)的狀態(tài)改變函數(shù)，實(shí)現(xiàn)電鏟相關(guān)統(tǒng)計(jì)。

4）卡車模塊：集成卡車相關(guān)的狀態(tài)改變函數(shù)（定義為Truck控件）

5）排卸點(diǎn)模塊：集成卸點(diǎn)相關(guān)的狀態(tài)改變函數(shù)，完成排卸點(diǎn)相關(guān)統(tǒng)計(jì)。

6）調(diào)度模塊：實(shí)現(xiàn)不同調(diào)度方法的計(jì)算。

為了有效定義卡車的各種屬性，構(gòu)建了一個(gè)名稱為CTruck的類。該類定義了模型中的各類屬性。除此之外，定義了一系列方法作為設(shè)備運(yùn)行的“引擎”。這些方法根據(jù)時(shí)間或位置等信息判斷當(dāng)前狀態(tài)（待裝、裝車、重運(yùn)、待卸、卸車、空運(yùn)等）。并依據(jù)位置狀態(tài)變化調(diào)用Truck控件實(shí)現(xiàn)卡車的可視化。挖掘機(jī)模塊與卡車模塊類似，都是通過自定義類和控件的方式實(shí)現(xiàn)。

2.3 設(shè)備狀態(tài)處理

卡車是連接裝載點(diǎn)與卸載點(diǎn)的橋梁與紐帶，卡車位置與狀態(tài)的確定，直接影響著其他設(shè)備狀態(tài)的確定，卡車周期運(yùn)行順序?yàn)檠b車→重運(yùn)→待卸→卸車→空運(yùn)→待裝→裝車。首先將電鏟、卡車狀態(tài)劃分如下：

1）卡車狀態(tài)。自身狀態(tài)：包括裝載、卸載、重運(yùn)、空運(yùn)、待裝、待卸6種，

2）電鏟狀態(tài)。自身狀態(tài)：裝車、待車2種，其中裝車與卡車裝車相對(duì)應(yīng)。

在模擬運(yùn)行過程中，采用時(shí)間步長(zhǎng)法與事件步長(zhǎng)法相結(jié)合的方法進(jìn)行位置、狀態(tài)判斷。處理順序?yàn)椋籂顟B(tài)判斷→狀態(tài)處理（位置判斷/等待/參數(shù)改變→狀態(tài)改變。狀態(tài)判斷。采用事件步長(zhǎng)法，按裝車→重運(yùn)→待卸→卸車→空運(yùn)→待裝→裝車的周期循環(huán)邏輯進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)處理。采用時(shí)間步長(zhǎng)法，卡車在初始化時(shí)獲得初始位置。模擬程序時(shí)鐘步進(jìn)一個(gè)步長(zhǎng)，總控模塊掃描系統(tǒng)中的每臺(tái)卡車時(shí)，調(diào)用卡車的move（）方法，該方法定義在卡車模塊的Truck控件中，作用是根據(jù)當(dāng)前時(shí)間與初始時(shí)間計(jì)算當(dāng)前位置與狀態(tài)。狀態(tài)處理主要實(shí)現(xiàn)位置判斷、等待、參數(shù)改變3部分功能。①位置判斷：采用時(shí)間步長(zhǎng)法，按以下公式計(jì)算卡車位置：運(yùn)行距離=遍歷次數(shù)×設(shè)置的每次遍歷卡車移動(dòng)距離，其實(shí)質(zhì)就是卡車運(yùn)行速度乘上時(shí)間。當(dāng)時(shí)間超過狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間時(shí)，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。②等待：設(shè)置等待循環(huán)參數(shù)，等待過程中該參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的自增運(yùn)算（等待遍歷次數(shù)可以設(shè)定）達(dá)到設(shè)定值后跳出等待狀態(tài)。③參數(shù)改變：在相應(yīng)控件中定義狀態(tài)改變函數(shù)，比如在由等待轉(zhuǎn)入重運(yùn)時(shí)即調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)將卡車的相關(guān)參數(shù)改為重運(yùn)參數(shù)。

3）狀態(tài)改變。在狀態(tài)處理完成后，就可以進(jìn)行狀態(tài)改變了，比如在等待結(jié)束后就可以進(jìn)入空運(yùn)/重運(yùn)狀態(tài)。

2.4 道路網(wǎng)及裝卸點(diǎn)處理

2.4.1 路網(wǎng)文件的繪制

程序所使用的道路網(wǎng)文件來(lái)源于礦山的真實(shí)道路，提供CAD、GIS、3Dmine等多種接口方式，它反映了礦山真實(shí)的道路網(wǎng)形態(tài)，各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為真實(shí)的礦區(qū)坐標(biāo)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)依次相連構(gòu)成了路段，各條路段構(gòu)成了露天礦的道路網(wǎng)。

礦區(qū)坐標(biāo)是礦山生產(chǎn)中經(jīng)常用到的坐標(biāo)系。不同于礦區(qū)坐標(biāo)的是，顯示坐標(biāo)則是以像素點(diǎn)的位置確定的坐標(biāo)，其單位為一個(gè)像素。另外顯示坐標(biāo)的坐標(biāo)原點(diǎn)在計(jì)算機(jī)屏幕的左上角，以豎直向下為y軸，水平向右為x軸。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)首先要獲取礦區(qū)坐標(biāo)的邊界點(diǎn)。以距離最遠(yuǎn)的那對(duì)對(duì)角點(diǎn)作四邊形，就是礦區(qū)邊界，還應(yīng)找到屏幕上繪圖區(qū)域的邊界坐標(biāo)，通過計(jì)算比例系數(shù)即可將實(shí)際道路網(wǎng)轉(zhuǎn)化為可以在屏幕上顯示的道路網(wǎng)。

2.4.2 裝卸點(diǎn)設(shè)置

在模擬設(shè)備運(yùn)行的過程中，每個(gè)裝卸點(diǎn)都需要與道路網(wǎng)一個(gè)結(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，為了簡(jiǎn)化操作，方便用戶使用，界面程序提供了一個(gè)PTChosen（）方法，可以讓用戶利用鼠標(biāo)，在界面繪制出的道路網(wǎng)上右鍵單擊鼠標(biāo)時(shí)選擇一個(gè)路段的起始結(jié)點(diǎn)。進(jìn)而通過多級(jí)菜單可以選擇裝卸點(diǎn)類型、名稱、物料等屬性，裝卸點(diǎn)設(shè)置結(jié)果可以保存到相應(yīng)的文件中。

2.5 模擬流程

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)模擬流程控制邏輯如圖1所示。

圖1模擬主程序處理邏輯圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)從2016年7月開始，采用Visual Studio.net 2013平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，至2017年2月開發(fā)完成模擬的主體功能，目前一方面采用多個(gè)礦山道路網(wǎng)對(duì)模擬主體功能進(jìn)行測(cè)試，另一方面繼續(xù)開發(fā)調(diào)度和統(tǒng)計(jì)部分功能。測(cè)試表明，主體部分達(dá)到了設(shè)計(jì)功能要求，撫順西露天礦道路網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試畫面如圖2。

測(cè)試表明，本系統(tǒng)主要具有以下2大特點(diǎn)：

圖2 系統(tǒng)界面

1）具有較強(qiáng)的通用性和擴(kuò)展性：程序以實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)為基礎(chǔ)，該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)一方面提供了最短路計(jì)算等通用標(biāo)準(zhǔn)接口，具有較強(qiáng)的通用性；另一方面采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較好的封裝、繼承功能，并預(yù)留了相應(yīng)的擴(kuò)展接口。如調(diào)度方法接口，可以保證無(wú)論后期研究出什么樣的調(diào)度方法，只要按照本系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口即可嵌入進(jìn)來(lái)，極大地提高了程序的可擴(kuò)展性。

2）具有較高的實(shí)用性：系統(tǒng)提供CAD、GIS、3Dmine多種接口方式，可以實(shí)現(xiàn)與礦山道路的有效接口。只要提供某個(gè)礦山的道路網(wǎng)文件接口形式，就可以輕松讀入并顯示該礦道路網(wǎng)，進(jìn)而可設(shè)置電鏟、排卸點(diǎn)、卡車、物料等不同實(shí)體的屬性，實(shí)現(xiàn)對(duì)該礦山的模擬。

當(dāng)然，由于時(shí)間短，本系統(tǒng)還有許多擴(kuò)展完善的地方，如沒有考慮故障的影響、裝卸車時(shí)間采用固定值等。而系統(tǒng)的擴(kuò)展性也為進(jìn)一步完善提供了有利條件。

4 結(jié)論

1）將整個(gè)模擬系統(tǒng)簡(jiǎn)化為s輛卡車在固定路網(wǎng)上的n各裝卸點(diǎn)、m個(gè)卸載點(diǎn)之間運(yùn)行的運(yùn)輸服務(wù)排隊(duì)系統(tǒng)，簡(jiǎn)單而不失真，降低了開發(fā)難度。

2）以卡車狀態(tài)識(shí)別為核心，采用時(shí)間步長(zhǎng)和事件步長(zhǎng)相結(jié)合的方法，將模擬系統(tǒng)劃分為路網(wǎng)模塊、電鏟模塊、卡車模塊、卸點(diǎn)模塊，通過主控模塊對(duì)各模塊進(jìn)行總體協(xié)調(diào)和控制，具有良好的通用性和擴(kuò)展性。

3）系統(tǒng)提供CAD、GIS、3Dmine等多種接口方式，可以實(shí)現(xiàn)與礦山道路的有效接口，具有較高的實(shí)用性。

4）系統(tǒng)目前沒有考慮故障的影響，裝卸車時(shí)間采用固定值，這些需要后續(xù)進(jìn)一步完善。

［1］ 王青，任鳳玉.采礦學(xué)［M］.第2版．北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

［2］ 白潤(rùn)才．露天礦卡車實(shí)時(shí)調(diào)度優(yōu)化決策系統(tǒng)及應(yīng)用效果預(yù)測(cè)研究［D］．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2004．

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［7］ 邢軍，孫效玉.基于產(chǎn)量完成度和車流飽和度的露天礦卡車調(diào)度方法［J］. 煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（5）：477-480.

【責(zé)任編輯：解連江】

Research on simulation system of shovel-truck operating process in the open-pit mine

LIU Yinzhu,PAN Haizeng,WEN Peng,HU Shuai,SUN Xiaoyu
(School of Resources&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

The article takes the truck location,state identification and transformation as focus,uses the method of combining time step with event step,achieves the effective simulation of shovel-truck process operation and provides good visual display and rich statistical calculation,which provide the effective means of the subsequent analysis production process,mining production potential and the selection of optimal scheduling methods.

open-pit mine;shovel;truck;operating simulation

TD422

B

1671－9816（2017）07－0035－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.010

劉銀柱，潘海增，溫鵬，等.露天礦電鏟-卡車運(yùn)行過程模擬系統(tǒng)研發(fā)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（7）：35-38.

2017-03-25

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51674063）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助（2016YFC0801608）；東北大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（201610145028）

劉銀柱（1994—），男，安徽碭山人，本科，東北大學(xué)采礦工程專業(yè)。