康慶微,何玉東
(1.新疆天池能源有限責(zé)任公司,新疆 昌吉 831799;2.北京易控智駕科技有限公司,北京 100083)
露天煤礦是我國(guó)煤炭工業(yè)的重要組成部分,截至目前,我國(guó)共有露天煤礦376 處,產(chǎn)能9.5 億t/a,占全國(guó)煤炭總產(chǎn)能的17.8%[1-2]。近20 年來(lái),我國(guó)露天煤礦在開(kāi)采工藝及設(shè)備方面取得了一定進(jìn)步,以黑岱溝、元寶山、伊敏、霍林河南露天煤礦等為代表的國(guó)有大型露天煤礦引進(jìn)了連續(xù)、半連續(xù)、吊斗鏟倒堆工藝,單斗挖掘機(jī)斗容最大已達(dá)75 m3,自卸卡車(chē)載重最大已達(dá)400 t,破碎機(jī)(站)能力最大可達(dá)12 000 t/h[3]。在露天礦設(shè)計(jì)與實(shí)踐中,單斗-卡車(chē)間斷工藝由于機(jī)動(dòng)靈活,建設(shè)速度快,適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)外露天礦山得到廣泛應(yīng)用[4]。
合理的車(chē)鏟選型和鏟車(chē)數(shù)量匹配是露天礦采用單斗-卡車(chē)工藝需要研究的主要問(wèn)題。從提高挖掘機(jī)效率角度考慮,采用大車(chē)型有利;從卡車(chē)有效運(yùn)行時(shí)間角度考慮,采用較小的車(chē)型可以減少裝車(chē)時(shí)間在礦卡循環(huán)時(shí)間中的比重,有利于礦卡利用效率的提高[5-6]。但是選用小型車(chē)會(huì)導(dǎo)致礦卡的工作面入換次數(shù)增加,入換時(shí)間占挖掘機(jī)工作時(shí)間比例增大,影響挖掘機(jī)效率(當(dāng)采用雙側(cè)裝車(chē)時(shí)影響會(huì)小得多);而且選用小車(chē)型還會(huì)導(dǎo)致露天礦采場(chǎng)內(nèi)車(chē)流密度增大,礦卡數(shù)量增加,從而增加所需的司機(jī)數(shù)量[7-8]。
特變電工南露天礦采用單斗-卡車(chē)間斷開(kāi)采工藝進(jìn)行土方剝離與煤礦采掘,且同時(shí)有大車(chē)型和小車(chē)型、大挖機(jī)和小挖機(jī)等多種組合;因此,考慮在這種工藝條件下,同時(shí)存在不同的挖機(jī)類(lèi)型(斗容不同)以及不同的卡車(chē)類(lèi)型(滿載方量不同)時(shí),如何進(jìn)行車(chē)輛的動(dòng)態(tài)調(diào)度,以提升整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)的效率。
在考慮動(dòng)態(tài)調(diào)度策略之前,需要保證車(chē)鏟的產(chǎn)能是匹配的,即:
式中:Pt為所有卡車(chē)的運(yùn)能,m3/h;Pti為編號(hào)為i的卡車(chē)的運(yùn)能,m3/h;n 為卡車(chē)數(shù);Pe為所有挖機(jī)的產(chǎn)能,m3/h;Pei為編號(hào)為i 的挖機(jī)產(chǎn)能,m3/h;m 為挖機(jī)數(shù)。
由此可見(jiàn),車(chē)鏟的產(chǎn)能匹配是以挖機(jī)的產(chǎn)能為基礎(chǔ),所有車(chē)輛的運(yùn)能必須不小于挖機(jī)的產(chǎn)能,才能發(fā)揮出挖機(jī)的效率。當(dāng)考慮多挖機(jī)類(lèi)型與多卡車(chē)類(lèi)型時(shí),產(chǎn)能的匹配公式如下:
式中:k 為卡車(chē)的型號(hào)編號(hào);Nk為型號(hào)k 的卡車(chē)的數(shù)量,Ptk為型號(hào)為k 的卡車(chē)的單車(chē)運(yùn)能,m3/h;l 為挖機(jī)的型號(hào)編號(hào);Ml為型號(hào)l 的挖機(jī)的數(shù)量;Pel為型號(hào)為l 的挖機(jī)的單挖機(jī)產(chǎn)能,m3/h。
當(dāng)挖機(jī)確定后,整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)輸效率可定義為對(duì)挖機(jī)效率的發(fā)揮程度,即:
式中:Ptc為卡車(chē)的實(shí)際總運(yùn)能,m3/h;Ptic為卡車(chē)i 的實(shí)際運(yùn)能,m3/h。
實(shí)際上,由于挖機(jī)的總運(yùn)能是理論上挖機(jī)的最大運(yùn)能,因此效率始終小于1。
不同的挖機(jī)在對(duì)不同卡車(chē)進(jìn)行裝載時(shí),裝載時(shí)間是不同的。為了分析在多挖機(jī)、多卡車(chē)情況下的效率最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)度,需要分析不同型號(hào)挖機(jī)對(duì)不同型號(hào)卡車(chē)的裝載時(shí)間分布。通過(guò)實(shí)證研究的方法,利用現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)裝載時(shí)間進(jìn)行建模。
以測(cè)試使用的挖機(jī)與卡車(chē)型號(hào)為基礎(chǔ),采集了不同挖機(jī)對(duì)不同開(kāi)車(chē)的裝載時(shí)間數(shù)據(jù),其中,挖機(jī)型號(hào)包括:卡特395、卡特390、卡特349;卡車(chē)型號(hào)包括:臨工96 L、同力65。
采集數(shù)據(jù)前,首先對(duì)裝載區(qū)的作業(yè)面進(jìn)行了修整,并且所有數(shù)據(jù)的采集均在1 個(gè)裝載點(diǎn)位進(jìn)行,防止由于物料不同帶來(lái)的數(shù)據(jù)誤差。對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到每個(gè)挖機(jī)與卡車(chē)的配對(duì)的均值和方差。為分析裝車(chē)時(shí)間的概率分布特點(diǎn),以卡特395 為臨工96 L 裝車(chē)的時(shí)間數(shù)據(jù)為例,繪制其概率分布圖,卡特395+臨工96L 裝車(chē)時(shí)間概率分布如圖1。
圖1 卡特395+臨工96L 裝車(chē)時(shí)間概率分布圖
由圖1 可見(jiàn)概率分布與高斯分布的概率密度曲線類(lèi)似,因此可以認(rèn)為裝車(chē)時(shí)間呈現(xiàn)高斯分布的特點(diǎn)。同理,對(duì)其他挖機(jī)和卡車(chē)的裝車(chē)時(shí)間也進(jìn)行類(lèi)似的分析,得到的結(jié)論與上述結(jié)論一致。
為分析挖機(jī)的平均裝車(chē)時(shí)間與型號(hào)之間的關(guān)系,將挖機(jī)的方量數(shù)據(jù)、卡車(chē)的斗容數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以得到每次挖機(jī)為卡車(chē)裝車(chē)的平均裝車(chē)斗數(shù),不同挖機(jī)為卡車(chē)裝車(chē)的平均斗數(shù)見(jiàn)表1。為分析將平均裝車(chē)時(shí)間與平均斗數(shù)的關(guān)系,將其繪制在1 個(gè)圖中,挖機(jī)平均裝車(chē)時(shí)間與平均斗數(shù)關(guān)系如圖2。
表1 不同挖機(jī)為卡車(chē)裝車(chē)的平均斗數(shù)
圖2 挖機(jī)平均裝車(chē)時(shí)間與平均斗數(shù)關(guān)系
根據(jù)圖2 可見(jiàn),平均裝車(chē)時(shí)間與平均斗數(shù)基本呈現(xiàn)線性關(guān)系;通過(guò)直線擬合,得到平均裝車(chē)時(shí)間與平均斗數(shù)之間的關(guān)系如下:
式中:TLa為平均裝車(chē)時(shí)間,s;Nla為平均斗數(shù)。
當(dāng)不同挖機(jī)給不同卡車(chē)進(jìn)行裝車(chē)時(shí),裝車(chē)時(shí)間與挖機(jī)的斗容呈反比,與卡車(chē)的容量呈正比。挖機(jī)斗容越大裝得越快,卡車(chē)的容量越大則裝得越慢。需要注意的是,上述分析是基于挖機(jī)手舒適作業(yè)的基礎(chǔ)上,實(shí)際上當(dāng)小挖機(jī)給大車(chē)裝載時(shí),需要裝的斗數(shù)線性增大,而對(duì)于每次裝車(chē)而言,挖機(jī)手的操作復(fù)雜度是一致的,因此如果裝車(chē)斗數(shù)越多,則挖機(jī)手將越容易疲勞,從而導(dǎo)致線性關(guān)系在平均斗數(shù)變大時(shí)誤差將增大,實(shí)際的裝車(chē)時(shí)間可能增加。
動(dòng)態(tài)調(diào)度考慮裝載區(qū)內(nèi)挖機(jī)的動(dòng)態(tài)調(diào)度,為進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度策略的選擇,分別針對(duì)小裝載區(qū)和大裝載區(qū)2 種模型進(jìn)行了分類(lèi)討論。
小裝載區(qū)模型是對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的小裝載區(qū)進(jìn)行的抽象,主要考慮裝載區(qū)內(nèi)沒(méi)有待裝的空間,車(chē)輛直接從路口進(jìn)入裝載位進(jìn)行裝載。針對(duì)小裝載區(qū)模型,擬分析對(duì)比的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略如下:
1)策略1:隨機(jī)挖機(jī)選擇策略??ㄜ?chē)在進(jìn)入裝載區(qū)入口時(shí),隨機(jī)選擇1 個(gè)可用挖機(jī)。
2)策略2:選擇裝車(chē)時(shí)間最快的挖機(jī)??ㄜ?chē)在進(jìn)入裝載區(qū)入口時(shí),選擇可用(當(dāng)前空閑)挖機(jī)中,裝車(chē)時(shí)間最快(較大的挖機(jī))的挖機(jī)。
3)策略3:選擇與卡車(chē)產(chǎn)能最匹配的挖機(jī)??ㄜ?chē)在進(jìn)入裝載區(qū)入口時(shí),選擇可用(當(dāng)前空閑)挖機(jī)中,與當(dāng)前卡車(chē)產(chǎn)能最匹配的挖機(jī)。具體的產(chǎn)能匹配方式為:對(duì)于大車(chē),優(yōu)先選擇可用的大挖機(jī),無(wú)大挖機(jī)可用時(shí)優(yōu)先選擇中挖機(jī),無(wú)中挖機(jī)可用時(shí),等待;對(duì)于小車(chē),優(yōu)先選擇可用的小挖機(jī),無(wú)小挖機(jī)可用時(shí),選擇可用的中挖機(jī),無(wú)中挖機(jī)可用時(shí),等待。
大裝載區(qū)模型是對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的大裝載區(qū)進(jìn)行的抽象,主要考慮裝載區(qū)比較大,可以容納所有的待裝車(chē)輛。針對(duì)大裝載區(qū)模型,擬分析對(duì)比的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略如下:
1)策略1:選擇等待車(chē)輛最少的挖機(jī)??ㄜ?chē)在進(jìn)入裝載區(qū)入口時(shí),隨機(jī)待裝車(chē)輛最少的挖機(jī)。
2)策略2:選擇當(dāng)前所有排隊(duì)車(chē)輛最早完成裝載的挖機(jī)??ㄜ?chē)在進(jìn)入裝載區(qū)入口時(shí),根據(jù)車(chē)型與挖機(jī)的匹配關(guān)系,計(jì)算所有排隊(duì)車(chē)輛的裝完時(shí)間,選擇裝完時(shí)間最小的挖機(jī)。
3)策略3:隨機(jī)選擇挖機(jī)??ㄜ?chē)在進(jìn)入裝載區(qū)入口時(shí),隨機(jī)選擇1 個(gè)挖機(jī)。
以考慮的3 種挖機(jī),2 種礦卡為例,3 種類(lèi)型的挖機(jī)各1 個(gè),為了保證產(chǎn)能匹配,結(jié)合產(chǎn)能匹配公式以及現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)距情況,車(chē)輛配置表見(jiàn)表2。
表2 車(chē)輛配置表
為了分析裝載時(shí)間,將車(chē)輛在裝載區(qū)內(nèi)的行駛時(shí)間濾除,考慮裝載總時(shí)間,分別采集了小裝載區(qū)模型和大裝載區(qū)模型的10 組數(shù)據(jù)。
在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí),為了讓數(shù)據(jù)分析更符合實(shí)際運(yùn)行情況,每組數(shù)據(jù)均采用隨機(jī)的方式將2 種車(chē)輛排隊(duì)??坑谘b載區(qū)入口,統(tǒng)計(jì)所有車(chē)裝完的總裝載時(shí)間。小裝載區(qū)模型不同策略的裝完時(shí)間如圖3,大裝載區(qū)模型不同策略的裝完時(shí)間如圖4。
圖3 小裝載區(qū)模型不同策略的裝完時(shí)間
圖4 大裝載區(qū)模型不同策略的裝完時(shí)間
根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果:對(duì)于小裝載區(qū)模型,最優(yōu)策略是策略3,即選擇與卡車(chē)產(chǎn)能最匹配的挖機(jī);對(duì)于大裝載區(qū)模型,最優(yōu)策略是策略2,即選擇當(dāng)前所有排隊(duì)車(chē)輛最早完成裝載的挖機(jī)。根據(jù)結(jié)果,分析主要原因如下:
1)小裝載區(qū)模型策略。車(chē)輛均在路口等待,每個(gè)挖機(jī)只允許有1 個(gè)裝載車(chē)輛,且各挖機(jī)為不同類(lèi)型車(chē)輛裝載的時(shí)間不一致,當(dāng)采用隨機(jī)選擇時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致大車(chē)去小挖機(jī),導(dǎo)致裝載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。同理,選擇等待車(chē)輛最少的挖機(jī)也沒(méi)有考慮挖機(jī)與卡車(chē)的匹配關(guān)系,導(dǎo)致某個(gè) 挖機(jī)的裝載時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
2)大裝載區(qū)模型策略。由于車(chē)輛均可以進(jìn)入裝載區(qū)等待,而車(chē)輛一旦進(jìn)入裝載區(qū)內(nèi)選擇挖機(jī)之后,挖機(jī)的裝完時(shí)間就確定了,因此選擇多個(gè)挖機(jī)中裝完時(shí)間最快的挖機(jī),肯定會(huì)帶來(lái)裝完時(shí)間的最小化。
實(shí)際上,現(xiàn)場(chǎng)的情況較為多變,往往實(shí)際情況是鑒于小裝載區(qū)模型和大裝載區(qū)模型之間的,比如裝載區(qū)內(nèi)可以有1 個(gè)待裝車(chē)輛,其他車(chē)輛只能在路網(wǎng)上等待。針對(duì)這種更為復(fù)雜的情況,需要更精細(xì)的模型才能進(jìn)行最優(yōu)的策略選擇,但是從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看到,相同情況下,小裝載區(qū)模型的最優(yōu)策略比大裝載區(qū)模型的最優(yōu)策略總耗時(shí)更優(yōu)(小裝載區(qū)模型最優(yōu)策略時(shí)間為平均923 s,大裝載區(qū)模型最優(yōu)策略時(shí)間為平均1 730 s),由此可見(jiàn),當(dāng)無(wú)法確定是小裝載區(qū)還是大裝載區(qū)模型更適用時(shí),考慮挖機(jī)與卡車(chē)匹配關(guān)系的小裝載區(qū)模型一般可以得到更好的效率。如果可以通過(guò)改造現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整裝載區(qū)的大小,則效率更優(yōu)的方式是始終保持裝載區(qū)處于較小的狀態(tài),并采用挖機(jī)與卡車(chē)匹配關(guān)系的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。
基于車(chē)鏟匹配與挖機(jī)裝車(chē)時(shí)間分析,分別針對(duì)小裝載區(qū)和大裝載區(qū)2 種挖機(jī)動(dòng)態(tài)選擇調(diào)度模型,設(shè)計(jì)了不同的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,得到小裝載區(qū)模型下的最優(yōu)調(diào)度策略為選擇與卡車(chē)產(chǎn)能最匹配的挖機(jī),大裝載區(qū)模型下的最優(yōu)策略為選擇當(dāng)前所有排隊(duì)車(chē)輛最早完成裝載的挖機(jī)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,如果無(wú)法明確區(qū)分小裝載區(qū)或是大裝載區(qū)模型,建議采用小裝載區(qū)模型進(jìn)行應(yīng)用。如果現(xiàn)場(chǎng)可改造,則效率更優(yōu)的方式是始終保持裝載區(qū)處于較小的狀態(tài),并采用挖機(jī)與卡車(chē)匹配關(guān)系的動(dòng)態(tài)調(diào)度策略。