程 瑋

（國能準能集團有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

傳統(tǒng)電鏟在挖掘過程中定位精度低、受天氣情況和氣候條件制約以及過度依賴人力等因素，導致挖掘效率低，勞動強度大。為強化安全生產標準化管理工作，提高安全生產標準化管理水平，規(guī)范露天煤礦電鏟作業(yè)，實施精細化施工，保證安全生產，實現礦山智能化的發(fā)展需求，對電鏟標準化作業(yè)引導系統(tǒng)進行科技創(chuàng)新型研究[1-2]。針對礦山安全生產，構建智慧礦山模型，提供更加安全、高效、節(jié)能、綠色的安全生產提供新模式。

1 系統(tǒng)概況

露天礦電鏟智能引導系統(tǒng)采用北斗高精度定位、物聯(lián)網等技術針對電鏟數據信息和三維坐標，依靠數據綜合采集管理軟件記錄作業(yè)位置、狀態(tài)、運動軌跡等信息，將各類型數據通過網絡實時回傳至監(jiān)控中心并保存，從而實現生產采掘作業(yè)過程可追溯，完成電鏟可視高度和坡度以及幫齊底平作業(yè)的智能引導功能。解決露天礦電鏟作業(yè)實時高度監(jiān)測和引導問題，為提升作業(yè)質量、作業(yè)標準化提供有力保證。電鏟智能引導系統(tǒng)拓撲圖如圖1。

圖1 電鏟智能引導系統(tǒng)拓撲圖

2 系統(tǒng)功能

通過安裝北斗高精度接收機，搭載車規(guī)級平板電腦，利用RTK 差分技術實現電鏟的智能引導功能。系統(tǒng)整體主要包括定位管理功能、電鏟智能引導功能，監(jiān)控及人機交互功能。

2.1 衛(wèi)星定位管理功能

利用全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS），基于北斗衛(wèi)星的網絡RTK 差分實時定位技術實現電鏟的定位功能，是系統(tǒng)的核心技術[3]。RTK 實時定位原理如圖2。

圖2 RTK 實時定位原理

使用2 臺北斗衛(wèi)星接收機A、B，其中1 臺安裝在已知坐標的基站處，作業(yè)期間，基站處的接收機連續(xù)跟蹤所有北斗衛(wèi)星，將其測量數據實時的傳送給移動站。移動站通過分析基站傳輸的數據和采集的衛(wèi)星觀測數據，在系統(tǒng)內組成差分觀測值進行實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及其精度，實現厘米級的定位結果[4-5]。

2 個接收機A、B 組成1 條基線可確定載體的2個姿態(tài)角，2 個接收機沿載體主軸方向配置，此時可以確定載體的偏航角φ 和俯仰角θ[6]。2 個接收機在安裝好后，相對位置不發(fā)生變化，天線在載體坐標系中的坐標位置基本確定，天線配置原理圖如圖3。

圖3 單基線天線配置原理圖

通過求解載波相位整周模糊度求解2 天線在地心地固坐標系中的相對位置，根據地心地固坐標系到當地水平坐標系的轉換關系，即可將基線矢量轉換到當地水平坐標系下，則可以確定基線的兩維姿態(tài)角，計算公式如式（1）、式（2）。

式中：xL、yL、zL分別為在坐標系L 下接收機B 相對A 的三維坐標；φ 為偏航角；θ 為俯仰角。

系統(tǒng)支持全星系、全頻點，實現了中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS），美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GLONASS）、日本準天頂QZSS 多系統(tǒng)聯(lián)合定位定向以及單系統(tǒng)定位定向等信息采集[7]。使用RTK 定位精度最高，可達到厘米級。系統(tǒng)不僅保證了定位精度，同時方向精度在4 m基線的情況下達到0.05°，速度精度達到0.03 m/s，慣性導航精度則小于0.05 倍行駛距離。

2.2 電鏟智能引導功能

隨著對工作標準化、正規(guī)化要求的不斷提高，電鏟駕駛員傳統(tǒng)上只能憑經驗靠感覺作業(yè)，但弊端尤為突出[8]。通常采掘幫齊依靠頂板參照物，一旦參照物偏移或受其他影響采掘幫面平整度牽連，嚴重影響挖掘操作；其次駕駛員只能依靠電鏟駕駛室物理指針修正俯仰偏差，平盤采掘作業(yè)高差把握不夠精細化。為此需要對挖掘過程進行引導操作，駕駛員根據后臺設置的幫齊標識線，結合視圖中電鏟所在位置與“邊幫”差值，適時調整電鏟采掘方向。作業(yè)范圍一旦超出采掘范圍終端則語音提示，同時參照“高程引導”圖標指示，修正采掘平盤高差，從而達到采掘平盤標準化作業(yè)目標。電鏟智能引導功能中主要包括精準高程引導功能、電鏟精準位置引導功能和電鏟航向引導功能。

1）精準高程引導功能。首先通過礦山管理人員對作業(yè)標高進行遠程或者現場設定，系統(tǒng)根據設定作業(yè)標高進行高程引導。利用屏幕通過圖形與文字方式，直觀展示電鏟的作業(yè)指令，顯示提高或降低具體數值。無需測量人員輔助，采用衛(wèi)星定位技術，以控制點為基礎，建立露天礦三維施工坐標系模型（礦山測量系統(tǒng)保持一致），保證系統(tǒng)在復雜地形下實現精度在±2 cm 的高程引導。高程引導功能有效減少測量、放樣、打樁、擺放參照物等工作，即可輕松實現采掘面平整作業(yè)。

2）電鏟精準位置引導功能。根據電鏟定位信息，實現智能作業(yè)引導功能，在軟件中輸入作業(yè)區(qū)域坐標，即可實現管理人員對電鏟進行實時引導、監(jiān)控、管理等工作，保證位置引導精準。

3）電鏟航向引導功能。在電鏟車載終端界面中，實時顯示設備三維信息、設備航向、方位角，并在屏幕中指出正南正北方向，其中方向精度控制在0.05°。

2.3 監(jiān)控及人機交互功能

為了追溯數據、簡化操作，通過搭載液晶顯示觸摸屏實現終端界面顯示、電鏟位置監(jiān)控、電鏟交互、電鏟作業(yè)規(guī)劃等功能[9]。系統(tǒng)使用安卓操作系統(tǒng)，4核CPU，2G RAM，16G ROM，可配置多用戶、多管理權限，支持手機端、電腦端、平板端管理，實現隨時可知曉，隨時可管理。并且將前端回饋的監(jiān)控數據以及操作數據定制生產Excel 報表，通過格式化臺賬，形成系統(tǒng)管理文案。

1）終端界面信息顯示。以礦山CAD 為底圖的，實現對設備位置、狀態(tài)、航向的信息顯示。終端界面信息包括衛(wèi)星定位數量、RTK 差分狀態(tài)、設備名稱、設備位置坐標、設備高程、設備方位角、設備俯仰角、設備速度信息、航向信息。

2）電鏟位置監(jiān)控功能。利用礦山CAD 為底圖，將所有電鏟展示在地圖中，形成電鏟分布圖，實時顯示電鏟位置、運動狀態(tài)和工作狀態(tài)等。并且具有對電鏟進行圍欄預警，速度預警和超高預警的功能，同時可以查看電鏟所在平臺運動軌跡的作業(yè)記錄。

3）電鏟交互功能。根據實際作業(yè)要求后臺可給電鏟終端派發(fā)作業(yè)任務指令或幫齊引導規(guī)劃，駕駛員確認消息并執(zhí)行操作處理后，便可完成交互任務并且可追溯或查詢。

4）電鏟作業(yè)規(guī)劃功能。根據電鏟的工作計劃，提前規(guī)劃出電鏟的工作線路，指導電鏟行進作業(yè)。全面了解電鏟的采掘推進進度，為下一步電鏟調整及作業(yè)計劃提供可靠依據。

3 系統(tǒng)配置及調試

系統(tǒng)配置主要分為機械配置和通訊配置、機械配置是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎條件，通訊配置是保證終端軟件運行通訊正常的關鍵要素。

1）機械參數配置及調試。操作步驟如下：①使用RTK 測量儀器，在差分為“固定”狀態(tài)情況時，分別在電鏟定位天線和電鏟接地面進行點測量，計算定位天線與地面高差值，為電鏟參數修正做好基礎工作；②系統(tǒng)通過高精度定位定向數據，建立電鏟三維動態(tài)模型，利用機械參數對電鏟交叉軸和鏟尖位置進行精準定位；③記錄電鏟原地旋轉180°的坐標系數據，同時計算電鏟中心軸與定位天線之間的偏移差，輸入各項測量參數和偏移差保證電鏟中心軸坐標為中心，并保存電鏟各項參數，實現對電鏟三維動態(tài)定位和數據的上傳與保存。

2）通訊配置及調試。機械參數配置完成后，接著對系統(tǒng)進行通訊協(xié)議的配置以及系統(tǒng)坐標調試，具體操作步驟如下：①首先對終端設備的定位精度以及平面坐標系進行校準，然后選擇TCP 協(xié)議，利用露天礦已建的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)參考站作為電鏟智能引導系統(tǒng)的參考站，最后在通訊配置界面輸入IP 地址、通訊端口進行連接，連接成功后可進行差分定位；②通過TCP 協(xié)議連接露天礦自建參考站后，利用數據采集綜合管理軟件將定位信息原始數據進行解析，獲取高精度定位所需的差分源數據，如坐標信息及搜星數、RTK 狀態(tài)、俯仰角和方位角速度等有效參考數據；③測量計算不同位置參照點與人工測量的坐標偏移量，輸入坐標系轉換參數，選擇與礦區(qū)坐標系統(tǒng)一致的解算模型，確保電鏟終端三維定位與礦區(qū)測量一致。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

露天礦電鏟標準化作業(yè)引導系統(tǒng)綜合運用GNSS 實時定位技術、數據綜合采集管理軟件、無線通訊技術、優(yōu)化程序和高效算法等先進手段，具備如下技術優(yōu)勢：

1）定位精度高。傳統(tǒng)測量工作繁瑣且受制約：①必須攜帶專業(yè)設備在現場進行點對點測量；②不能遠程或自動化對位置進行標注標識；③受工作時間限制做不到24 h 實時監(jiān)測；④測量工作給現場采掘運輸生產帶來影響；⑤受天氣情況和氣候條件制約。系統(tǒng)通過電鏟平臺上安裝的GNSS 定位天線，結合駕駛室終端平板，能連接露天礦cors 站進行差分定位，即可實現電鏟高精度定位定向功能，相比之下定位范疇廣，硬件設備智能可靠，并突出24 h 實時定位、數據解析、位置上傳、信息存儲等明顯優(yōu)勢。

2）信息全采集可追溯。無論在特殊天氣或者惡劣條件下，通過GNSS 天線每臺電鏟均能實現實時高精定位，設備信息不間斷更新狀態(tài)，數據涵蓋電鏟坐標位置，高程信息，采掘方向，行進速度等全方位內容，同時通過數據綜合采集管理軟件上傳至服務器，為將來電鏟作業(yè)分析和信息回查提供有力保證。

3）標識范圍偏移少。根據生產計劃，不同平盤的砂巖或煤層進行剝離前，通常情況下需要設置幫齊參照物，一般采取插旗或者擺放錐形桶等形式，在實地設置多點一線的參照物。關鍵工作則需要人工、車輛、器材等物料和準備工作，在現場進行擺放安置作業(yè)，而在惡劣天氣情況下工作受限且安全隱患多，如遇大風或沙塵等情況更容易造成參照物移位或者丟失等情況。電鏟標準化作業(yè)引導系統(tǒng)可根據實際工作需要，管理員結合生產采剝計劃，僅測量或標繪出采掘范疇的起止點坐標，即可在后臺選擇對應的電鏟進行配置，輸入起始點位置并保存完成后，發(fā)送至電鏟終端，駕駛員即可依靠終端平板根據作業(yè)任務進行邊幫采掘作業(yè)。

5 結語

介紹了露天礦電鏟高程智能引導系統(tǒng)。系統(tǒng)主要具有可視化、數據分析、控制和、引導等功能，通過衛(wèi)星高精度定位，數據綜合采集，實現電鏟標準化作業(yè)動態(tài)引導。系統(tǒng)解決了露天礦電鏟作業(yè)實時高度監(jiān)測和智能引導問題，為規(guī)范露天煤礦電鏟作業(yè)，提升作業(yè)質量、作業(yè)標準化水平提供了有力保證。