馬連成，史曉東，陸占國，劉洪臻，楊興悅，孫效玉，王仁炎

（1.鞍鋼礦業(yè)集團 齊大山鐵礦,遼寧 鞍山114000，2.東北大學 智慧礦山研究中心，遼寧 沈陽 110819）

露天礦山的生產(chǎn)過程就是將礦巖從裝載點運到卸載點的過程，其生產(chǎn)任務主要是由采運設備完成的，隨著設備機械化、大型化、自動化程度的不斷提高，對設備進行自動計量、科學考核、高效管理越來越重要[1-3]。

國內(nèi)外絕大多數(shù)露天礦采用電鏟、卡車為主的間斷工藝或半連續(xù)工藝，卡車自動化調(diào)度系統(tǒng)是這2 種工藝露天礦達到世界先進水平的關鍵技術。如何準確獲取卡車的裝卸車狀態(tài)，精確計算電鏟的裝車時間與卡車的卸車時間，對卡車運行周期精準掌控、裝卸車精準計量以及優(yōu)化調(diào)度具有十分重要的意義[1-2]。

目前對車－鏟工藝進行礦量監(jiān)控的方法可以分為以下2 種：①監(jiān)控卡車運輸?shù)牡V量，使用各類傳感器綜合解算卡車運輸?shù)牡V巖重量或體積[4-6]；②監(jiān)控電鏟鏟裝的礦量，利用力學理論分析電鏟性質(zhì)，結合傳感器獲得的實時數(shù)據(jù)估計電鏟鏟裝的礦量[7-8]。

電鏟裝車時，電鏟與卡車的相對位置、裝載角度基本固定，電鏟具有一定的旋轉速度與角度，且旋轉為非勻角速率旋轉。將電鏟GPS 天線安裝在偏離電鏟旋轉中心一定距離的位置，通過對電鏟旋轉角度、速度、GPS 位置及與卡車位置關系的綜合分析與處理，可有效獲取電鏟裝載卡車的精確狀態(tài)，如是否開始裝車、裝車勺斗數(shù)、裝載時間、電鏟鏟斗裝載平均循環(huán)時間等。

而卡車卸車狀態(tài)主要通過準確識別卡車廂斗舉升狀態(tài)獲取。目前，露天礦卡車智能監(jiān)控系統(tǒng)獲取卡車廂斗舉升狀態(tài)的途徑主要有2 種：①與廠家協(xié)商獲取卡車廂斗舉落信號；②通過機械式、紅外線式、磁感應式[9]等多種傳感器方式獲取。前者需要獲得廠家授權，但不同廠家的廂斗舉落信號機理、接口方式差異較大，且廠家一般不提供對外接口協(xié)議，通用性較差；后者受卡車顛簸震動影響較大，機械式容易損壞，紅外線式受灰塵影響較大，磁感應式在冶金礦山容易沾染金屬粉末，出現(xiàn)誤報或錯報問題。

為此，提出了基于雙定位天線的電鏟裝車精確識別法[10]與基于水平傾斜儀的卡車廂斗舉升狀態(tài)識別法。

1 基于雙定位天線的電鏟裝車精確識別法

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由安裝在卡車上的GNSS、安裝在電鏟上的GNSS 與處理軟件3 部分組成。其中卡車部分在車體前部兩側各安裝1 個定位模塊，電鏟部分在行進方向前后各安裝1 個定位模塊。T1 與T2、S1 與S2 分別代表卡車車體前部左右方向與電鏟頂部前后方向的定位模塊?？ㄜ嚩ㄎ恍畔⑴c電鏟定位信息上傳給相應的處理軟件，由處理軟件完成電鏟裝車狀態(tài)識別、裝車鏟斗數(shù)與循環(huán)時間計算。卡車電鏟衛(wèi)星定位模塊安裝位置示意圖如圖1。

圖1 卡車電鏟衛(wèi)星定位模塊安裝位置示意圖

1.2 識別原理

基于卡車大小及2 個定位安裝模塊距離、電鏟與鏟斗大小及2 個定位安裝模塊距離均為常數(shù)的事實，可以校正卡車位置信息T1、T2 與電鏟位置信息S1、S2，進而可以推斷卡車的位置與空間范圍、鏟斗的位置與空間范圍。

利用推斷的電鏟鏟斗與卡車的位置關系，可判斷電鏟與卡車是否滿足裝車條件：當鏟斗與卡車空間重合時，則認為滿足裝車條件；利用電鏟首尾的位置信息，可判斷電鏟的旋轉方向，當電鏟在1 個時間段內(nèi)來回旋轉時，則認為電鏟回轉滿足裝載條件。

當電鏟與卡車既滿足裝車條件、又滿足電鏟裝載條件時，則認為電鏟裝載行為有效，即電鏟給卡車裝載1 鏟斗物料，據(jù)此可計算鏟斗裝載卡車次數(shù)及每次裝載的循環(huán)時間。

1.3 識別模型

電鏟裝車狀態(tài)識別與計數(shù)流程圖如圖2。

圖2 電鏟裝車狀態(tài)識別與計數(shù)流程圖

1）車鏟位置矯正。利用2 個定位模塊進行卡車位置校正與電鏟位置校正。

2）鏟斗位置估計。鏟斗位于兩模塊尾－首延長線一側一定距離內(nèi)，該距離可以在安裝定位模塊時得到；此外鏟斗位置最遠不會超過電鏟最大裝車距離，最近不會超過裝車最小安全距離，故可得到鏟斗位置的范圍。

3）旋轉方向識別。利用電鏟兩定位模塊獲得的位置可以獲得1 條直線，電鏟前后2 個時刻的旋轉角度就是這條直線的旋轉角度；當直線逆時針旋轉時記為“＋1”，當直線順時針旋轉時記為“－1”，當直線不變時記為“0”。

4）滿足裝載條件。當電鏟在一段時間內(nèi)連續(xù)向1 個方向旋轉，就判斷電鏟滿足裝載條件。

5）滿足裝車條件。電鏟正在給卡車裝車時，卡車應位于電鏟附近，且鏟斗位置應大致位于卡車車廂內(nèi)，且停留一定時間（該時間通過統(tǒng)計獲得）；否則視為不滿足裝車條件。

6）鏟斗裝車行為識別。當卡車與電鏟滿足裝車條件與裝載條件后，識別電鏟的裝載行為：1 個完整的裝載行為包括鏟裝、回轉、裝載、回轉，最后回到裝載，電鏟完成上述流程需要首先順時針（逆時針）旋轉，停止一段時間后（該時間通過統(tǒng)計獲得），馬上逆時針（順時針）旋轉；在旋轉方向識別的基礎上，判斷電鏟是否完成1 個裝載循環(huán)；當電鏟完成1 個循環(huán)時，鏟斗裝車次數(shù)＋1，并計算鏟斗循環(huán)時間。

7）如此循環(huán)，直到卡車離開裝車區(qū)域，不再滿足裝載車條件時為止。

2 基于水平傾斜儀卡車卸車識別法

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成包括安裝在卡車廂斗上的水平傾斜儀Ⅰ、安裝在卡車車體上的車體傾斜儀Ⅱ、安裝在卡車車體上接收水平傾斜儀信息的車載控制終端Ⅲ；水平傾斜儀Ⅰ和車體傾斜儀Ⅱ的安裝方向保持一致，且2 個水平測斜儀分別通過有線方式與車載控制終端Ⅲ相連?；谒絻A斜儀的卡車廂斗舉落識別示意圖如圖3。

圖3 基于水平傾斜儀的卡車廂斗舉落識別示意圖

其中水平傾斜儀Ⅰ安裝在車廂底后部，車體傾斜儀Ⅱ安裝在駕駛室內(nèi)部或外部，車載控制終端Ⅲ安裝在駕駛室內(nèi)部或駕駛室外部。

2.2 識別原理

在卡車廂斗未舉升時，無論卡車在平地還是斜坡，也不管其是運行還是靜止。2 個水平傾斜儀之間的夾角是一定的（安裝時盡量使二者平行，夾角接近于0）；當卡車廂斗舉升時，兩者之間的夾角遠大于未舉升時的夾角。據(jù)此可以識別卡車廂斗是否舉落，而廂斗舉落時間就是廂斗開始舉升到舉升后又回到落下狀態(tài)的時間差；廂斗舉升前如果處于重車狀態(tài)，則舉升狀態(tài)也就是卸車狀態(tài)，相應的舉升時間也就是卸車時間。

2.3 識別模型

卡車卸車識別狀態(tài)及卸車時間計算流程圖如圖4。

圖4 卡車卸車識別狀態(tài)及卸車時間計算流程圖

1）水平傾斜儀數(shù)據(jù)獲取。車載終端實時獲取2個水平傾斜儀的數(shù)據(jù)，設位于廂斗與車體的2 個水平傾斜儀的傾斜角分別為a1、a2，兩者差值a＝a1－a2，在正常未舉升的情況下，a 應為1 個定值A，偏差為±α。

2）卡車廂斗舉落狀態(tài)識別與舉升時間計算。為避免震動引起的廂斗舉落誤判，設置采樣頻率為每秒n 次、廂斗舉落穩(wěn)定識別時間閾值為m 秒；當車載終端連續(xù)n × m 次獲取水平傾斜儀數(shù)據(jù)計算的a由a≤｜A±α｜變?yōu)閍＞｜A±α｜，則判定卡車廂斗舉升開始，記錄舉升開始時刻t1；當車載終端連續(xù)n × m 次獲取水平傾斜儀數(shù)據(jù)計算的a 由a＞｜A±α｜變?yōu)閍≤｜A±α｜，則判定卡車廂斗落下，記錄落下時刻t2。則廂斗舉升時間為t＝t2－t1。

3）卸車狀態(tài)識別與卸車時間計算?？ㄜ囆盾嚤仨殱M足重載和廂斗舉升2 個條件，即卡車在重載情況下舉升廂斗為卸車。因此卡車在重載條件下，發(fā)生的廂斗舉升狀態(tài)即為卸車狀態(tài)，其廂斗舉升時間即為卸車時間。

3 系統(tǒng)試驗

齊大山鐵礦已經(jīng)實施了卡車調(diào)度系統(tǒng)，前期裝卸車狀態(tài)主要通過2 種途徑獲?。孩亳{駛員輸入：存在既增加鏟車駕駛員工作負擔、又容易造成漏輸或錯輸?shù)葐栴}；②依據(jù)卡車停車位置進行智能判斷：存在裝卸狀態(tài)及時間識別有誤或不準確問題。項目研究成果在齊大山鐵礦進行了初步試驗，研究成果與卡車智能調(diào)度系統(tǒng)進行了數(shù)據(jù)銜接。

試驗證明，系統(tǒng)可以有效識別電鏟裝車狀態(tài)與卡車卸車狀態(tài)，鏟斗裝車次數(shù)與裝車時間、卸車時間識別與統(tǒng)計精確，證明本研究成果可有效解決裝卸車狀態(tài)識別與時間計算問題，為卡車裝卸運行精細化管理、優(yōu)化調(diào)度、卡車廂斗舉升行車安全預警等提供實時精準可靠的基礎信息。具有較好的通用性、實用性。

4 結語

1）基于雙定位模塊的露天礦電鏟裝車自動計數(shù)方法，可以精準識別電鏟裝車狀態(tài)、鏟斗裝車次數(shù)與循環(huán)時間，實現(xiàn)了銜接鏟裝與運輸流程的有效監(jiān)控。

2）利用2 個固定水平傾斜儀的夾角獲取廂斗舉落信號，進而有效識別卡車卸車狀態(tài)，精確計算卡車卸時間，通用性強，適合各個廠家的卡車。

3）電鏟裝車自動計數(shù)系統(tǒng)與卡車卸車識別系統(tǒng)安裝簡單，維護方便，不受粉塵、金屬、天氣等影響。與卡車自動化調(diào)度系統(tǒng)緊密結合，提高卡車智能化識別水平，為卡車裝卸運行精細化管理、優(yōu)化調(diào)度、卡車廂斗舉升行車安全預警等提供實時精準可靠的基礎信息。