何 帥，吳 晶，趙 力

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.撫順市技術創(chuàng)新研究院，遼寧 撫順 113006）

露天煤礦智能化[1－2]的發(fā)展從2020 年開始，進入了快速發(fā)展的時期，到目前為止，國內(nèi)各大露天礦山以專業(yè)化的管理模式開展并不斷完善礦山的智能化建設，從基礎網(wǎng)絡建設到各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全管控綜合信息化系統(tǒng)建設，均取得了長足的進步，這些智能化系統(tǒng)的建設也在企業(yè)集團化運作、集約化經(jīng)營、精細化管理方面發(fā)揮了重要的作用。露天煤礦智能化從建設架構上一般由基礎信息設施建設、礦山設計智能化、智能穿爆、礦山工藝智能化、智能輔助、智能管理與決策和智能化園區(qū)組成[3－4]。其中智能穿爆主要是針對生產(chǎn)過程中的穿鑿和爆破環(huán)節(jié)進行智能化建設，主要涉及的設備有鉆機和裝藥車，對鉆機能夠進行實時監(jiān)測控制[5－6]，實現(xiàn)智能定位和穿孔，對裝藥車實現(xiàn)自主尋孔和自主裝藥等。

目前我國露天礦山爆破一般采用牙輪鉆機，傳統(tǒng)的布孔方式是技術人員利用全站儀或者GPS 進行孔位的人工放樣，對鉆孔點位利用石塊、油漆等標記物進行標記，由于現(xiàn)場條件的限制，作業(yè)范圍有限，對鉆孔點位的精度誤差也會有傳導，布孔效率低下。鉆機在作業(yè)過程中由主副鉆機駕駛員通過孔位標記物配合鉆機引導至目標孔位，遇到雨雪天氣會破壞標記物的位置，對布孔精度造成影響，鉆機駕駛員的作業(yè)效率也不高。傳統(tǒng)布孔方式定位精度影響穿區(qū)孔位間的行距和孔距，距離過大容易產(chǎn)生大塊，距離過小容易產(chǎn)生飛石，從而影響爆破的質(zhì)量和效果，給采裝環(huán)節(jié)帶來麻煩。

隨著定位和通訊技術的發(fā)展，通過實時差分定位獲得厘米級別的定位精度，能夠滿足鉆機實時尋孔的需要[7]。BDS 是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)[8]，也是繼GPS、GLONASS 之后的第3 個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。利用BDS 進行鉆機定位與導航系統(tǒng)的研究，既能實時監(jiān)控鉆機的位置、指導鉆機駕駛員操作從而提升穿孔效率和爆破效果，又符合系統(tǒng)國產(chǎn)化的要求，避免運用國外定位技術造成的困擾。

1 系統(tǒng)架構及組成

露天礦鉆機定位與導航系統(tǒng)通過對鉆機的位置、狀態(tài)、孔位、孔深等信息的采集，實現(xiàn)對鉆機運行、打孔過程的實時跟蹤與顯示，及時準確地查詢統(tǒng)計生產(chǎn)情況，由此能夠快速根據(jù)布孔參數(shù)形成作業(yè)計劃，達到提高穿爆作業(yè)效率目的。系統(tǒng)的整體架構如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構

系統(tǒng)的整體架構由感知層、傳輸層、平臺層和應用層組成。感知層對鉆機參數(shù)、狀態(tài)、孔深等數(shù)據(jù)進行采集，形成數(shù)據(jù)基礎；傳輸層是數(shù)據(jù)傳遞的橋梁，實時將鉆機的采集信息進行通信傳輸并能夠融入礦區(qū)基礎網(wǎng)絡；平臺層是系統(tǒng)軟件應用的基礎，利用平臺服務為應用層提供基礎；應用層主要是對智能穿爆在信息化管理需求上的呈現(xiàn)。而平臺層2 可分為3 個部分：①網(wǎng)絡平臺負責鉆機設備的接入工作；②計算平臺負責數(shù)據(jù)的存儲、分析、計算和基礎服務；③技術平臺負責技術支撐，包括GIS 平臺、實時數(shù)據(jù)綜合服務平臺、后端即服務平臺、BI 及報表工具、礦山大數(shù)據(jù)分析平臺。

系統(tǒng)一般由車載定位終端、高精度差分基站、無線網(wǎng)絡傳輸、監(jiān)控中心4 部分組成。車載定位終端負責接收BDS 信息實時解算坐標位置進行自動導航，并將位置、狀態(tài)、打孔過程等相關信息發(fā)回監(jiān)控中心。高精度差分基站負責提供差分數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡傳輸是數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，終端與監(jiān)控中心的交互、差分信息的傳輸均是在無線網(wǎng)絡環(huán)境下完成的。監(jiān)控中心是系統(tǒng)的大腦，負責布孔計劃的生成和下發(fā)，實時監(jiān)控鉆機作業(yè)過程，掌握鉆機駕駛員的作業(yè)效率及對數(shù)據(jù)進行存儲和分析。

2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)功能包括定位導航、顯示、基礎信息管理、查詢統(tǒng)計，系統(tǒng)功能結構如圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結構圖

1）定位與導航功能。定位功能是根據(jù)實時獲取的BDS 原始數(shù)據(jù)進行解析和差分處理，得到高精度的平面坐標和高程坐標。導航功能結合穿區(qū)的布孔計劃，根據(jù)坐標實時計算當前位置與目標孔位的距離和方向，通過文字和語音提示鉆機駕駛員正確的操作鉆機行駛到目標孔位。同時導航的功能也包括按設計孔深指導鉆機駕駛員在實時鉆進。

2）顯示功能。該功能分為終端顯示和監(jiān)控中心顯示。終端顯示以穿區(qū)布孔計劃為底圖，孔位按未完成、已完成、棄孔等方式用不同的顏色進行區(qū)分，將鉆機以示意圖的形式顯示在底圖上，通過BDS 高精度定位天線實時計算鉆桿的位置、鉆機的方向等，示意圖按坐標和方向數(shù)據(jù)進行實時更新顯示。監(jiān)控中心顯示以礦區(qū)地形圖為底圖，以圖標的方式顯示鉆機所處的實際位置，通過圖標顏色區(qū)分鉆機的狀態(tài)。

3）基礎信息管理功能?；A信息包括流水信息、檔案信息、計劃信息。流水信息是指鉆機按班次存儲的車載終端實時上傳的狀態(tài)信息。檔案信息包括鉆機號、型號、生產(chǎn)廠家、能力、孔徑、鉆機駕駛員、崗位等信息。計劃信息是指鉆機的年度、月度的作業(yè)量計劃。這一功能對應的每一個分支均具有增刪改查的基本操作。

4）查詢與統(tǒng)計功能。主要是對作業(yè)結果的展示：①鉆機運行：即每個班次鉆機的作業(yè)時間、作業(yè)量、作業(yè)效率；②生產(chǎn)回放：即每個班次鉆機的運行軌跡查看；③進米查詢：即鉆機不同時間的進米情況，按物料種類統(tǒng)計的煤進米和巖進米；④臺時查詢：即以表格和曲線的方式查詢鉆機不同時間段的作業(yè)效率；⑤生產(chǎn)日報：即以表格的形式顯示鉆機的日完成進米，并對月度完成情況、年度完成情況進行統(tǒng)計，同時對每個鉆機的作業(yè)效率進行匯總。

3 關鍵技術

3.1 BDS 基本觀測模型

獲取高精度定位數(shù)據(jù)的主要方法是使用差分定位技術。載波相位差分[9-10]是使用最多的差分技術，可實現(xiàn)厘米級定位，載波相位差分通過將衛(wèi)星載波相位與分站震蕩產(chǎn)生的相位差與載波波長相乘，結合多個衛(wèi)星的觀測值，構建方程組，求解位置坐標，可以減少一定的誤差。BDS 的載波相位觀測方程：

在系統(tǒng)的研究中，需要利用載波相位差分模型獲取車載終端的高精度定位數(shù)據(jù)，一般分2 個步驟：①差分數(shù)據(jù)的獲取，可以通過無線傳輸網(wǎng)絡獲得基準站廣播的信息，也可以通過訪問CORS 站服務器獲得；②差分數(shù)據(jù)獲取后與車載終端定位模塊的原始載波觀測信息結合進行解算，來獲得鉆機的實際位置和高程信息，通過串口通訊協(xié)議，按固定的BDS通訊協(xié)議對差分后的數(shù)據(jù)進行解析。

3.2 鉆桿坐標的計算模型

由于鉆桿位置無法直接安放高精度定位天線，需要通過前方交會的方式計算出鉆桿坐標，將2 個高精度定位天線置于鉆機的駕駛室頂部?？紤]計算精度，盡量使天線間距大一些。鉆機天線示意圖如圖3。

圖3 鉆機天線示意圖

點A、B 為2 個定位天線的位置，三邊邊長分別為a、b、c，AB 與BC 的夾角為θ，αAC為AC方向的方位角，αAB為AB方向的方位角。通過差分計算能實時獲取A、B 這2 點的坐標數(shù)據(jù)，則C 點的位置可以由式（2）得：

式中：xc、yc為C 點的坐標；xA、yA為A 點的坐標；b 為A、C 2 點間的距離；αAC為AC方向的方位角；αAB為AB方向的方位角；θ 為AB 與BC 的夾角。

4 現(xiàn)場試驗及精度分析

系統(tǒng)通過內(nèi)部測試后，結合現(xiàn)場實際應用對定位與導航精度進行了驗證，系統(tǒng)試驗地點位于國內(nèi)某露天礦山，鉆機型號為YZ－35C 牙輪鉆機，布孔計劃采用位于1120 穿區(qū)的完整計劃，要求鉆機駕駛員完全依照布孔計劃按系統(tǒng)導航和定位進行尋孔和打孔作業(yè)，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s，經(jīng)過1 d 的作業(yè)，鉆機完成31 個鉆孔的尋孔和打孔工作。

通過對31 個鉆孔坐標位置及孔深數(shù)據(jù)的分析，平面誤差小于±0.1 m，孔深誤差小于±0.1 m，符合爆破設計要求。x方向誤差分析如圖4，y方向誤差分析如圖5，z方向誤差分析如圖6。

圖4 x方向誤差分析

圖5 y方向誤差分析

圖6 z方向誤差分析

5 結語

露天礦鉆機定位與導航系統(tǒng)能夠用BDS 定位技術實現(xiàn)平面和孔深的高精度數(shù)據(jù)獲取，定位精度滿足現(xiàn)場實際需要，無論是平面還是高程精度均能達到厘米級。系統(tǒng)提高了鉆機駕駛員的作業(yè)效率10%以上。孔深可視化有助于鉆機駕駛員實時掌握鉆機的作業(yè)量，快速完成尋孔工作，減少了不合格孔數(shù)量。提高了鉆機駕駛員的安全駕駛意識，可防止鉆機駛出預設的邊界線，保障了生產(chǎn)安全。豐富的數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計手段，使礦山穿孔作業(yè)管理信息化，降低了統(tǒng)計人員的工作強度，提升了數(shù)據(jù)分析效率。