閆瑞光，呂文偉

（國家能源集團(tuán)準(zhǔn)能公司 哈爾烏素露天煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

煤炭露天開采逐步成為重要的資源開采方式，露天礦開采范圍較廣，采用大型生產(chǎn)設(shè)備，因此，設(shè)備作業(yè)位置、工程產(chǎn)量、移動(dòng)規(guī)律等信息對(duì)于礦山生產(chǎn)效率和安全管理能力提升具有重要意義。目前，露天礦應(yīng)用多種定位方法方式對(duì)卡車、電鏟、鉆機(jī)等設(shè)備進(jìn)行了實(shí)施定位監(jiān)測，國內(nèi)外多位學(xué)者專家進(jìn)行了大量的研究，張勇[1]等運(yùn)用單站差分中的的偽距差分技術(shù)的技術(shù)原理，分析差分定位基站位置和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置方式；張揚(yáng)[2]等分析了卡調(diào)系統(tǒng)中產(chǎn)量計(jì)算和鉆機(jī)導(dǎo)航模塊，以平朔集團(tuán)東露天礦為工程背景，對(duì)定位方式進(jìn)行研究，提出了準(zhǔn)確判斷車鏟之間距離及高差、產(chǎn)量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)及設(shè)備導(dǎo)航的技術(shù)優(yōu)化方法；李鑫[3]等分析了礦山卡車防碰撞需要采集的各種參數(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于衛(wèi)星定位和角運(yùn)動(dòng)測算的露天礦卡車防碰撞系統(tǒng)；吳浩[4]等采用GNSS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法，設(shè)計(jì)了支持鉆頭實(shí)時(shí)導(dǎo)航的平面定位模型和孔深定位模型，通過分析信息管理、導(dǎo)航定位核心功能需求，實(shí)現(xiàn)了爆破孔網(wǎng)參數(shù)準(zhǔn)確定位和效果分析。大型露天礦山作業(yè)設(shè)備主要采用電力供能，采場中布置大量電纜用來傳輸電力，電纜位置、使用時(shí)長、維修次數(shù)等信息的整理分析對(duì)于設(shè)備供能穩(wěn)定有一定的意義，鑒于此，提出了哈爾烏素露天煤礦電纜智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 電纜管理現(xiàn)狀及需求分析

1）電纜管理現(xiàn)狀。大型露天礦生產(chǎn)現(xiàn)場普遍存在上百根電纜分布各處，沒有專業(yè)的管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行全方面的管控，電纜鋪設(shè)位置、工作狀態(tài)、使用時(shí)長、移設(shè)信息等基本信息主要依靠作業(yè)人員紙質(zhì)記錄，容易造成維護(hù)保養(yǎng)不及時(shí)，可能導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)作業(yè)效率降低的情況。位置信息不確定，常常出現(xiàn)尋找特定電纜難度較大，調(diào)度匹配困難。電纜位置的隨意性，有時(shí)會(huì)造成電纜的遺失和損壞，可能會(huì)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)損失[5-7]。

2）需求分析。定位裝置需要滿足以下功能：①精確定位：精度要達(dá)到5～10 m；②數(shù)據(jù)傳輸：采集到的數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確、快速的傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)；③信息管理：實(shí)現(xiàn)信息的錄入、編輯、刪除、查詢等功能，實(shí)時(shí)顯示二維位置，通過聲音、彈窗等方式提示報(bào)警，建立設(shè)備信息檔案數(shù)據(jù)庫；④防護(hù)強(qiáng)度：需要保證系統(tǒng)硬件可以在惡劣氣候下穩(wěn)定運(yùn)行，需要達(dá)到防水、防塵、防砸、防摔、防電磁干擾、防雷擊、防靜電等要求；⑤待機(jī)時(shí)長：采用電池供電，系統(tǒng)需采取低功耗設(shè)計(jì)，電池能滿足系統(tǒng)長期運(yùn)行。

2 定位終端設(shè)計(jì)

2.1 定位終端安裝方案

針對(duì)裝置生產(chǎn)現(xiàn)場需求，提出以下2 種定位終端的安裝方案。

1）方案1。方案1 的定位終端結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。箭頭指的地方就是電纜接頭的喇叭嘴，設(shè)計(jì)一種類似于啞鈴形狀的結(jié)構(gòu)，分上、下兩半，扣在喇叭嘴處，可以使用對(duì)穿螺釘?shù)确绞焦潭?，電路板?nèi)嵌于該結(jié)構(gòu)的空腔內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)可以對(duì)電路板起到很好的保護(hù)作用。外殼的材質(zhì)可以使用“金屬＋塑料（或橡膠）”的方式，保證外殼的抗沖擊性、剛度、硬度以及耐候性。外殼的塑料（或橡膠）部分可以作為內(nèi)部天線的通信窗口。定位終端可安裝在電纜頭附近，也可安裝到電纜頭出線的喇叭嘴處，跟電纜頭形成一體，在電纜運(yùn)動(dòng)過程中，電纜頭也可為定位終端提供一定保護(hù)。將定位終端設(shè)計(jì)在電纜接頭內(nèi)部，可以充分利用現(xiàn)有接頭外殼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)防護(hù)功能。但此方案存在2 個(gè)問題：①接頭處為全金屬結(jié)構(gòu)，定位終端具有定位和通信天線，如果設(shè)計(jì)在電纜接頭內(nèi)部，無法解決信號(hào)被屏蔽的問題；②接頭處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是出廠時(shí)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的，難有足夠空間放置定位終端的電路板和原件，可能會(huì)由于安裝定位終端，影響原有電纜接頭的功能和性能安全。

圖1 方案1 接頭處結(jié)構(gòu)示意圖

2）方案2。方案2 是將定位終端外殼設(shè)計(jì)成1個(gè)小盒子，盒子底部設(shè)計(jì)成弧形，可更好地與電纜貼合。盒子上有設(shè)計(jì)有穿孔卡扣，使盒子固定在線纜上。

3）方案比較。方案1 防護(hù)性能好，外殼與電纜接頭形成一體，不需頻繁拆卸，不影響生產(chǎn)，但受設(shè)計(jì)難度、資金、時(shí)間、工藝等限制。方案2 每次拖動(dòng)電纜時(shí)定位終端需拆卸、安裝，增加了額外的工序，但鋼箍結(jié)構(gòu)拆卸、安裝比較方便，可適用于各種電纜線徑。鋼箍和盒子的連接處需做特殊設(shè)計(jì)，以保障強(qiáng)度要求。綜上，通過分析對(duì)比，方案2 更加經(jīng)濟(jì)適用。

2.2 電子硬件

定位終端硬件模塊設(shè)計(jì)圖如圖2。

圖2 定位終端硬件模塊設(shè)計(jì)圖

定位終端的硬件模塊包括電源管理、CPU、GPS定位模塊、GPRS 無線通信模塊、運(yùn)動(dòng)檢測模塊。其中電源管理是為其余各部分提供電源；CPU 是終端的大腦，用來控制運(yùn)動(dòng)模塊、GPS 定位模塊、GPRS 無線通信模塊，使其以合理的邏輯運(yùn)行并彼此進(jìn)行通信；GPS 定位模塊用來獲取當(dāng)前位置信息；GPRS 無線通信模塊用來同后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信；運(yùn)動(dòng)檢測模塊用來檢測電纜是否移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)低功耗。

2.3 定位方式

目前最普遍的戶外應(yīng)用定位技術(shù)有3 種：GPS、GLONASS、北斗[8-10]。其中在我國應(yīng)用較多是GPS 和北斗。GPS 的定位效果經(jīng)過長時(shí)間的應(yīng)用，已經(jīng)得到充分認(rèn)可。隨著我國北斗地面基站增強(qiáng)系統(tǒng)的建成，已經(jīng)能夠滿足為國內(nèi)提供廣域分米級(jí)、區(qū)域厘米級(jí)的精準(zhǔn)位置服務(wù)，這也為工程建設(shè)施工作業(yè)人員的安全管理及施工現(xiàn)場管理提供了新措施、新方法。結(jié)合市場調(diào)研情況，根據(jù)需求現(xiàn)場試驗(yàn)，最終選擇了“北斗＋GPS”的雙模定位模塊。

由于位置差分定位精度低，而載波相位差分定位精度雖然高，但是需要額外建設(shè)基準(zhǔn)基站，成本比較高，因此經(jīng)過權(quán)衡偽距差分定位比較適合露天礦實(shí)際需求，并且3～5 m 的定位精度已經(jīng)可以滿足系統(tǒng)的精度要求。

可供選取的無線通信技術(shù)方案有2 種：①低功耗的GPRS；②LoRa。通過多次現(xiàn)場測試，典型的LoRa 模塊的通訊距離為1～3 km。露天礦區(qū)域面積廣大，這個(gè)距離難以覆蓋全部礦區(qū)，就需要建立中繼，這樣無形中增加了設(shè)計(jì)難度和設(shè)計(jì)成本；而采用GPRS 技術(shù)，由于電纜定位的數(shù)據(jù)量很少，露天礦已建好的4G 網(wǎng)絡(luò)足以滿足通訊的距離要求和可靠性要求，故選取GPRS 無線通信技術(shù)作為本次通訊技術(shù)方案。

3 系統(tǒng)軟件

軟件系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

圖3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)備管理及二維地圖展示系統(tǒng)軟件的開發(fā)充分借鑒已有的位置服務(wù)管理基礎(chǔ)平臺(tái)的成果，采用成熟的J2EE 架構(gòu)技術(shù)，基于MVC 體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行開發(fā)。同時(shí)根據(jù)特定需求，進(jìn)行業(yè)務(wù)功能模塊及數(shù)據(jù)接口的修改。其技術(shù)結(jié)構(gòu)主要包括4 個(gè)主要部分：業(yè)務(wù)功能模塊、數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)支撐服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)。業(yè)務(wù)功能模塊是平臺(tái)的用戶接口，提供方便的位置查詢服務(wù)和相關(guān)系統(tǒng)管理功能等。數(shù)據(jù)庫是平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)位置數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)支撐服務(wù)負(fù)責(zé)位置數(shù)據(jù)處理和訪問授權(quán)等功能。網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)負(fù)責(zé)與定位終端的網(wǎng)絡(luò)通信。

4 應(yīng)用效果

設(shè)計(jì)完成的定位裝置已安裝于哈爾烏素露天煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場的電纜上。管理終端通過網(wǎng)頁登錄系統(tǒng)獲取相關(guān)信息，包含地圖顯示和報(bào)警信息的實(shí)時(shí)顯示。地圖可實(shí)時(shí)顯示電纜的位置、維修記錄、移設(shè)頻次等信息，可對(duì)地圖進(jìn)行放大、縮小、選取、移動(dòng)等基本操作。該模塊未來還可設(shè)置電子圍欄，有針對(duì)性的對(duì)電纜設(shè)定1 個(gè)保護(hù)區(qū)，假如電纜出了這個(gè)保護(hù)區(qū)，則觸發(fā)報(bào)警。對(duì)位置或者狀態(tài)異常的電纜，可通過聲音、彈窗或列表等方式將報(bào)警信息通知管理員。

從經(jīng)濟(jì)效益角度考慮，露天煤礦電纜智能管理系統(tǒng)基本可以保障露天煤礦設(shè)備高效安全運(yùn)行?？赏ㄟ^對(duì)電纜等重要設(shè)備的精準(zhǔn)定位管理，減少設(shè)備因管理不善帶來的損耗，優(yōu)化設(shè)備的調(diào)度環(huán)節(jié)，提高設(shè)備的安全使用效率，促進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)能力，防止設(shè)備丟失，可以為企業(yè)節(jié)省開支，產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益。從社會(huì)效益角度考慮，為實(shí)現(xiàn)露天礦重要設(shè)備精細(xì)化管理提供了先期技術(shù)保障。

5 結(jié)語

露天煤礦電纜定位裝置及管理系統(tǒng)利用信息化手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)重要設(shè)備電纜的位置、狀態(tài)等各類信息進(jìn)行分析判斷，為安全管理員發(fā)出報(bào)警信息。露天煤礦電纜智能管理系統(tǒng)可為露天煤礦現(xiàn)場設(shè)備、裝備“一張圖”實(shí)時(shí)展示、設(shè)備的精準(zhǔn)調(diào)度、精準(zhǔn)維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，為露天煤礦重要設(shè)備精細(xì)化管理奠定了基礎(chǔ)。