王勇澎

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030024）

1 大型電鏟存在的技術(shù)問題

大型露天礦用電鏟在露天礦山開采系統(tǒng)中承擔(dān)礦巖的“挖掘”和“裝載”兩大重要職能，是露天礦山間斷和半連續(xù)開采工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其綜合性能直接決定著整個礦山開采的生產(chǎn)效率。大型電鏟工作對象和載荷復(fù)雜多變（重載、強沖擊、強振動），服役環(huán)境極其惡劣（極寒、高溫、高海拔、高粉塵等），目前大型電鏟主要依靠人工經(jīng)驗操作去挖掘，存在以下問題:

1）作業(yè)：效率低、滿斗率低、自動化和智能化程度低，受作業(yè)環(huán)境的限制；

2）人機交互：工人作業(yè)環(huán)境惡劣、操作難度大、工作強度大；

3）節(jié)能環(huán)保：能耗高、能源利用率較低；

4）成本：綜合成本高。

2 國內(nèi)外智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

智慧礦山的建設(shè)，源于世界能源科技的發(fā)展趨勢和我國能源結(jié)構(gòu)升級調(diào)整的需要。

2.1 國外智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，瑞典、芬蘭、澳大利亞、加拿大等國先后制定了“智能化礦山”和“無人化礦山”發(fā)展規(guī)劃。礦業(yè)巨頭力拓集團2008年啟動在澳大利亞建全球首個“智能礦山”項目，由機器人、無人駕駛礦車、無人鉆機、無人推土機和無人運貨火車的智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組成。小松的無人運輸系統(tǒng)已經(jīng)在澳大利亞、南美、北美的6座礦山應(yīng)用，車輛總數(shù)超過100臺。

2.2 國內(nèi)智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

2016年，我國發(fā)布了《全國礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020）》，明確提出要大力推進礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，加快建設(shè)自動化、信息化、數(shù)字化、智能化礦山，大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”[1]。我國第一部以“智慧礦山”命名的技術(shù)規(guī)范《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 34679—2017）于2018年5月1日起開始實施，標(biāo)志著智慧礦山的建設(shè)開始落地推廣。

目前，國家能源集團、中煤集團、華能集團、鞍鋼礦業(yè)，江西銅業(yè)等數(shù)十家礦業(yè)公司先后提出了建設(shè)“智慧礦山”的發(fā)展戰(zhàn)略，其中鞍鋼礦業(yè)智慧礦山建設(shè)規(guī)劃如圖1所示，積極部署5G+無人駕駛的應(yīng)用，多個露天礦山正在開始無人建設(shè)礦車測試。

圖1 鞍鋼礦業(yè)智慧礦山建設(shè)規(guī)劃

因此急需提高與礦車配套使用的電鏟的自動化、信息化和智能化水平，以滿足國內(nèi)外各大礦山建設(shè)智慧礦山的需求[2]。目前全世界生產(chǎn)大型電鏟的制造商成三足鼎立之勢，分別是小松（收購P&H）、卡特彼勒和我國太原重工，其中太重研制的大型電鏟如下頁圖2所示。

圖2 太重研制的WK-55電鏟作業(yè)現(xiàn)場

3 國外電鏟智能化發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的用戶反饋及優(yōu)化改進，電鏟各部件結(jié)構(gòu)已基本成熟和固定，為進一步提高產(chǎn)品競爭力和滿足用戶更高需求，近年來國外小松（收購P&H）和卡特彼勒都加大了電鏟的智能化研究，以不斷提升電鏟綜合性能和市場競爭力。

3.1 自適應(yīng)控制系統(tǒng)

通過優(yōu)化挖掘周期不同階段的電鏟各機構(gòu)力矩和速度，改進電鏟控制系統(tǒng)。在挖掘過程中通過靈活控制推壓和收回斗桿，從而減小挖掘阻力，減少了平均57%的沖擊和頂起起重臂情況，提高電鏟挖掘效率，同時減輕操作對機器的不良影響[3]。

3.2 遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)

給用戶及時、高效的提供設(shè)備的主電源、電機軸承溫度、制動器等關(guān)鍵狀態(tài)信息，同時統(tǒng)計設(shè)備的生產(chǎn)力、利用率、停機時間、設(shè)備警告等信息，方便用戶優(yōu)化生產(chǎn)和可靠性維護策略，提高產(chǎn)品可靠性、生產(chǎn)效率和盈利能力[4]。

3.3 通用電鏟接口

可以與礦山管理系統(tǒng)中發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，包括給礦方提供電鏟GPS位置信息、挖掘產(chǎn)量、電鏟行走啟停、故障信息等。礦山管理系統(tǒng)給電鏟合理分配礦車，方便礦山進行信息化管理，提高礦山各個設(shè)備利用率，從而提高開采效率。

3.4 挖掘過程智能化研究

小松和卡特彼勒都在開展大型電鏟挖掘過程智能化研究。小松正在開展的研究內(nèi)容包括地貌掃描（如圖3所示）、鏟車對位和自動裝載；卡特彼勒采用1∶7電鏟實驗樣機開展入鏟點、滿斗率檢測以及料堆形狀的變化等研究。

圖3 小松使用激光雷達進行地貌掃描研究

4 國內(nèi)電鏟信息化和智能化發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 自適應(yīng)智能輔助挖掘

針對料堆內(nèi)部礦巖形態(tài)復(fù)雜多變，為提高挖掘效率，減少挖掘過程突變重載對電鏟自身機構(gòu)的損壞，自主研制出了適應(yīng)多變載荷的自適應(yīng)智能輔助挖掘系統(tǒng)，自主決策調(diào)整推壓及提升機構(gòu)力矩，形成與料堆內(nèi)暗藏礦巖形狀相符合的自適應(yīng)挖掘軌跡，實現(xiàn)連貫、平穩(wěn)、高效挖掘。

4.2 運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

不斷開發(fā)并完善了各機構(gòu)減速機在線振動監(jiān)測、制動器狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵部位的軸承和銅套溫度監(jiān)測、關(guān)鍵零部件磨損監(jiān)測、關(guān)鍵點潤滑監(jiān)控、空壓機狀態(tài)監(jiān)測等功能，實現(xiàn)了對設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，確保故障發(fā)生之前可以進行預(yù)判。

4.3 設(shè)備健康管理系統(tǒng)

通過挖掘機運行狀態(tài)實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)積累構(gòu)建專家知識庫和故障模式庫，形成設(shè)備自主健康管理診斷系統(tǒng)，包括本地健康診斷（故障自診斷）和遠(yuǎn)程健康監(jiān)測（故障預(yù)判）兩大部分。實現(xiàn)設(shè)備的故障自診斷和預(yù)警、預(yù)防性維護、主動推薦保養(yǎng)管理、運維管理等功能。

4.4 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

開發(fā)了鏟斗中物料在線稱量系統(tǒng)，可獲取挖掘機每斗挖掘重量，最終實現(xiàn)挖掘機產(chǎn)量統(tǒng)計。同時實現(xiàn)挖掘機各機構(gòu)的運行時間、電能消耗管理和潤滑油量消耗，傳輸給礦山管理中心，方便用戶統(tǒng)計產(chǎn)量和計算運維成本。

4.5 安全防護系統(tǒng)

為了保障設(shè)備的安全運行，針對電鏟結(jié)構(gòu)和工藝特點，開發(fā)了工作面傾角預(yù)緊、斗桿—起重臂防碰撞、鏟斗—履帶板防碰撞、預(yù)防起重臂頂起和軟著陸等安全防護系統(tǒng)，確保電鏟及工作裝置在最優(yōu)安全區(qū)域內(nèi)運行，實現(xiàn)了設(shè)備安全運行控制，極大程度上減小了設(shè)備的損壞，提高使用壽命。

4.6 監(jiān)控系統(tǒng)

包括盲區(qū)監(jiān)控，智能斗齒識別和司機操作行為監(jiān)控等系統(tǒng)。為了防止在回轉(zhuǎn)作業(yè)和行走過程中和礦山其他設(shè)備發(fā)生碰撞，特開發(fā)盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，可幫助司機觀察到電鏟左右兩側(cè)、后側(cè)及機棚內(nèi)部的狀況。智能斗齒識別系統(tǒng)可以監(jiān)測到鏟斗斗齒的磨損程度和是否掉落[5]。司機操作行為監(jiān)控系統(tǒng)可幫助礦山管理層更好地評價司機操作是否規(guī)范，減少因操作導(dǎo)致的安全事故。

4.7 開發(fā)了電鏟服務(wù)云平臺、車載終端云平臺和手機APP

服務(wù)云平臺包括電鏟各機構(gòu)實時數(shù)據(jù)顯示、運行數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計、故障報警和備件管理等信息，針對用戶、廠家及售后服務(wù)人員用不同查看權(quán)限，結(jié)合車載終端和手機APP可以更方便地對設(shè)備進行管理和維護[6]。

5 電鏟信息化和智能化發(fā)展趨勢

結(jié)合新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)在大型電鏟上應(yīng)用，未來大型電鏟智能化方面會有如下發(fā)展趨勢：

1）電鏟信息化和智能化水平進一步提高。隨著各項新技術(shù)和傳感器的應(yīng)用日趨成熟，開發(fā)出更加全面的電鏟智能化控制和管理系統(tǒng)，提高產(chǎn)品綜合性能，方便用戶對電鏟進行更好的信息化管理。

2）實現(xiàn)電鏟遠(yuǎn)程操作，基于目前電鏟已實現(xiàn)的智能化功能，采用5G通訊技術(shù)，開發(fā)一套遠(yuǎn)程操作平臺，將實現(xiàn)電鏟遠(yuǎn)程操作，大大改善司機的作業(yè)環(huán)境，同時可解決礦山招工難等問題。

3）實現(xiàn)電鏟無人操作是智能化發(fā)展的最終目標(biāo)。目前該技術(shù)還處于剛剛起步的研究階段，國家煤礦安監(jiān)局發(fā)布的《煤礦機器人重點研發(fā)目錄》（2019年1號文件）中明確提出：最終要實現(xiàn)露天電鏟作業(yè)智能化和無人化[7]。攻克電鏟定位/定姿、環(huán)境感知、自主分析和決策、多機構(gòu)協(xié)同控制和自動裝載等系統(tǒng)，最終通過機器深度學(xué)習(xí)，周圍環(huán)境自適應(yīng)和多機構(gòu)精中控制，實現(xiàn)電鏟無人化作業(yè)。

6 結(jié)語

智慧礦山高效、智能開采的需求和人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及多傳感技術(shù)在礦山裝備領(lǐng)域的集成應(yīng)用，必將提高電鏟全方位狀態(tài)監(jiān)測、較好的自主檢測修復(fù)能力、高效的開采能力和極佳的無人化作業(yè)水平，引領(lǐng)世界露天采礦裝備的發(fā)展，推動露天礦山安全、高效、綠色、智能開采。