露天礦電鏟-卡車運行過程模擬系統(tǒng)研發(fā)

劉銀柱，潘海增，溫 鵬，胡 帥，孫效玉

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

機電與自動化

露天礦電鏟-卡車運行過程模擬系統(tǒng)研發(fā)

劉銀柱，潘海增，溫 鵬，胡 帥，孫效玉

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

以卡車位置、狀態(tài)識別和轉換為核心，采用時間步長與事件步長相結合的方法，實現(xiàn)了電鏟-卡車工藝運行的有效模擬，提供了良好的可視化顯示和豐富的統(tǒng)計計算，為后續(xù)分析生產(chǎn)過程、挖掘生產(chǎn)潛力、選擇優(yōu)化調度方法提供了有效手段。

露天礦；電鏟；卡車；運行模擬

0 引 言

露天礦是以采掘為中心、運輸為紐帶的大型生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。電鏟-卡車間斷工藝具有機動靈活、汽車爬坡能力大、轉彎半徑小、基建期短、基建投資少、掘溝速度快等優(yōu)點，目前，國內外絕大多數(shù)露天礦以電鏟采裝、卡車運輸?shù)拈g斷工藝和半連續(xù)工藝為主。由于采裝與運輸作業(yè)相互銜接，相互制約，鏟車匹配與組合是生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)組織、生產(chǎn)調度的重要工作內容[2]。

礦山計算機模擬開始于20世紀50年代末期，大多數(shù)早期的模擬都是由用戶以FORTRAN語言在主機上實現(xiàn)的，目前開發(fā)了許多的行業(yè)專用軟件。露天礦電鏟卡車運行模擬主要用來尋找合理的設備配套、數(shù)量配合[3-4]，評價運輸設備的調配原則[5]，研究各種開拓運輸系統(tǒng)的功能、運行規(guī)律、限制和使用條件，分析系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)、選取改進方案[5]等等。采用計算機模擬技術對露天礦電鏟-卡車卡車運行及生產(chǎn)調度進行模擬具有重要理論意義與應用價值。

設計編寫了一個能夠進行鏟車運行模擬程序，可人工設置模擬的起止時間以及卡車、電鏟、排卸點的相關屬性，并可實現(xiàn)與礦山實際道路與優(yōu)化調度方法的有效銜接，為教學、科研與生產(chǎn)管理提供了有效手段。

1 系統(tǒng)功能設計

1.1 主體功能

將整個系統(tǒng)看成由m個裝載點、n個卸載點、k臺卡車構成的物流運輸系統(tǒng)，其中裝載點與卸載點之間通過道路網(wǎng)相連。主體功能主要模擬卡車位置的變化、卡車在裝卸點的排隊情況以及電鏟、卡車、排卸點的狀態(tài)變化。

其中裝載點（電鏟）具有以下屬性：名稱、型號、裝載物料類型、礦質、裝載速度、產(chǎn)量要求。

卡車具有以下屬性：名稱、型號、車廂裝載容積、空車運行速度、重車運行速度。

排卸點具有以下屬性：名稱、卸載物料類型、礦質要求、卸載速度、產(chǎn)量要求。

1.2 道路網(wǎng)接口

道路網(wǎng)采用標準接口，實現(xiàn)與礦山實際道路的有效銜接，包括CAD、ArcGis、3DMine等多種格式。

1.3 實時運行統(tǒng)計

分時間、里程、產(chǎn)量進行統(tǒng)計，其中：

1）卡車時間計算：

待裝時間=開始裝車時刻-到達電鏟時刻

裝車時間=裝完車時刻-開始裝車時刻

待卸時間=開始卸車時刻-到達排卸點時刻

卸車時間=卸完車時刻-開始卸車時刻

重運時間=到達卸點時刻-裝完車時刻

空運時間=到達電鏟時刻-卸完車時刻

2）里程計算：

重運里程=∑重運路段長度

空運里程=∑空運路段長度

3）產(chǎn)量計算：

卡車產(chǎn)量=∑車廂裝載容積×已完成車數(shù)

電鏟產(chǎn)量=∑車廂裝載容積×裝載車數(shù)

排卸點產(chǎn)量=∑車廂裝載容積×卸載車數(shù)

1.4 調度功能

每次裝載完畢或卸載完畢，采用不同的調度方法對卡車進行調度，確定卡車運行裝卸目標與行駛路線。主要調度方法包括固定配車法、最早裝車法、最早裝完車法、最小卡車等待法、最小電鏟等待法、基于目標產(chǎn)量完成度與配車飽和度的方法等[6]。主要介紹第1部分功能實現(xiàn)方法。

2 系統(tǒng)開發(fā)設計

2.1 界面與操作設計

系統(tǒng)界面是人與機器之間傳遞和交換信息的媒介，按照外觀簡單明快、操作舒適簡單的原則，參照常用的計算機軟件，將界面劃分為菜單欄、信息欄、控制欄、運行區(qū)域4個部分。

其中菜單欄實現(xiàn)主體功能；信息欄顯示當前運行設備信息；控制欄用來控制運行模擬的速度和當前采用的調度方法；運行區(qū)域顯示設備運行的位置、狀態(tài)、物料等綜合情況。在圖形區(qū)單擊右鍵，可彈出菜單，添加卡車、電鏟等設備。

菜單欄分系統(tǒng)、窗口、顯示控制、參數(shù)控制、查詢統(tǒng)計、調度方法、幫助等幾部分。其中系統(tǒng)：啟動、暫停/繼續(xù)、結束、退出。窗口：放大、縮小、平移。顯示控制：顯示道路、顯示臺階、狀態(tài)選擇、顯示速度。參數(shù)控制：模擬起止時間、模擬時間步長、電鏟計劃、排卸點計劃、卡車計劃、道路網(wǎng)選擇。調度方法：固定配車法、最早裝車法、最早裝完車法、最小卡車等待法、最小電鏟等待法、基于目標產(chǎn)量完成度與配車飽和度的方法。查詢統(tǒng)計：產(chǎn)量、時間、里程。

2.2 模塊劃分

整個系統(tǒng)主要分為模擬主程序模塊、路網(wǎng)及其接口模塊、電鏟模塊、卡車模塊、排卸點模塊、調度模塊、統(tǒng)計模塊，對設備的位置、狀態(tài)進行模擬。各模塊主要功能分述如下：

1）模擬主程序模塊：通過遍歷函數(shù)進行卡車的遍歷，并在遍歷函數(shù)中對卡車相關狀態(tài)函數(shù)和路網(wǎng)重繪函數(shù)進行調用。

2）路網(wǎng)模塊：讀取路網(wǎng)文件，實現(xiàn)實際坐標和屏幕坐標轉換，利用GDI技術將道路網(wǎng)繪制到窗口中，完成任意兩點間的最短路計算。

3）電鏟模塊：集成電鏟相關的狀態(tài)改變函數(shù)，實現(xiàn)電鏟相關統(tǒng)計。

4）卡車模塊：集成卡車相關的狀態(tài)改變函數(shù)（定義為Truck控件）

5）排卸點模塊：集成卸點相關的狀態(tài)改變函數(shù)，完成排卸點相關統(tǒng)計。

6）調度模塊：實現(xiàn)不同調度方法的計算。

為了有效定義卡車的各種屬性，構建了一個名稱為CTruck的類。該類定義了模型中的各類屬性。除此之外，定義了一系列方法作為設備運行的“引擎”。這些方法根據(jù)時間或位置等信息判斷當前狀態(tài)（待裝、裝車、重運、待卸、卸車、空運等）。并依據(jù)位置狀態(tài)變化調用Truck控件實現(xiàn)卡車的可視化。挖掘機模塊與卡車模塊類似，都是通過自定義類和控件的方式實現(xiàn)。

2.3 設備狀態(tài)處理

卡車是連接裝載點與卸載點的橋梁與紐帶，卡車位置與狀態(tài)的確定，直接影響著其他設備狀態(tài)的確定，卡車周期運行順序為裝車→重運→待卸→卸車→空運→待裝→裝車。首先將電鏟、卡車狀態(tài)劃分如下：

1）卡車狀態(tài)。自身狀態(tài)：包括裝載、卸載、重運、空運、待裝、待卸6種，

2）電鏟狀態(tài)。自身狀態(tài)：裝車、待車2種，其中裝車與卡車裝車相對應。

在模擬運行過程中，采用時間步長法與事件步長法相結合的方法進行位置、狀態(tài)判斷。處理順序為：狀態(tài)判斷→狀態(tài)處理（位置判斷/等待/參數(shù)改變→狀態(tài)改變。狀態(tài)判斷。采用事件步長法，按裝車→重運→待卸→卸車→空運→待裝→裝車的周期循環(huán)邏輯進行狀態(tài)轉換。狀態(tài)處理。采用時間步長法，卡車在初始化時獲得初始位置。模擬程序時鐘步進一個步長，總控模塊掃描系統(tǒng)中的每臺卡車時，調用卡車的move（）方法，該方法定義在卡車模塊的Truck控件中，作用是根據(jù)當前時間與初始時間計算當前位置與狀態(tài)。狀態(tài)處理主要實現(xiàn)位置判斷、等待、參數(shù)改變3部分功能。①位置判斷：采用時間步長法，按以下公式計算卡車位置：運行距離=遍歷次數(shù)×設置的每次遍歷卡車移動距離，其實質就是卡車運行速度乘上時間。當時間超過狀態(tài)轉換時間時，進行狀態(tài)轉換。②等待：設置等待循環(huán)參數(shù)，等待過程中該參數(shù)進行相應的自增運算（等待遍歷次數(shù)可以設定）達到設定值后跳出等待狀態(tài)。③參數(shù)改變：在相應控件中定義狀態(tài)改變函數(shù)，比如在由等待轉入重運時即調用相應的函數(shù)將卡車的相關參數(shù)改為重運參數(shù)。

3）狀態(tài)改變。在狀態(tài)處理完成后，就可以進行狀態(tài)改變了，比如在等待結束后就可以進入空運/重運狀態(tài)。

2.4 道路網(wǎng)及裝卸點處理

2.4.1 路網(wǎng)文件的繪制

程序所使用的道路網(wǎng)文件來源于礦山的真實道路，提供CAD、GIS、3Dmine等多種接口方式，它反映了礦山真實的道路網(wǎng)形態(tài)，各節(jié)點坐標為真實的礦區(qū)坐標。各個節(jié)點依次相連構成了路段，各條路段構成了露天礦的道路網(wǎng)。

礦區(qū)坐標是礦山生產(chǎn)中經(jīng)常用到的坐標系。不同于礦區(qū)坐標的是，顯示坐標則是以像素點的位置確定的坐標，其單位為一個像素。另外顯示坐標的坐標原點在計算機屏幕的左上角，以豎直向下為y軸，水平向右為x軸。在進行坐標轉換時首先要獲取礦區(qū)坐標的邊界點。以距離最遠的那對對角點作四邊形，就是礦區(qū)邊界，還應找到屏幕上繪圖區(qū)域的邊界坐標，通過計算比例系數(shù)即可將實際道路網(wǎng)轉化為可以在屏幕上顯示的道路網(wǎng)。

2.4.2 裝卸點設置

在模擬設備運行的過程中，每個裝卸點都需要與道路網(wǎng)一個結點相對應，為了簡化操作，方便用戶使用，界面程序提供了一個PTChosen（）方法，可以讓用戶利用鼠標，在界面繪制出的道路網(wǎng)上右鍵單擊鼠標時選擇一個路段的起始結點。進而通過多級菜單可以選擇裝卸點類型、名稱、物料等屬性，裝卸點設置結果可以保存到相應的文件中。

2.5 模擬流程

設備運行狀態(tài)模擬流程控制邏輯如圖1所示。

圖1模擬主程序處理邏輯圖

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)從2016年7月開始，采用Visual Studio.net 2013平臺進行開發(fā)，至2017年2月開發(fā)完成模擬的主體功能，目前一方面采用多個礦山道路網(wǎng)對模擬主體功能進行測試，另一方面繼續(xù)開發(fā)調度和統(tǒng)計部分功能。測試表明，主體部分達到了設計功能要求，撫順西露天礦道路網(wǎng)進行測試畫面如圖2。

測試表明，本系統(tǒng)主要具有以下2大特點：

圖2 系統(tǒng)界面

1）具有較強的通用性和擴展性：程序以實驗室動態(tài)鏈接庫為基礎，該動態(tài)鏈接庫一方面提供了最短路計算等通用標準接口，具有較強的通用性；另一方面采用面向對象設計，實現(xiàn)了較好的封裝、繼承功能，并預留了相應的擴展接口。如調度方法接口，可以保證無論后期研究出什么樣的調度方法，只要按照本系統(tǒng)的標準接口即可嵌入進來，極大地提高了程序的可擴展性。

2）具有較高的實用性：系統(tǒng)提供CAD、GIS、3Dmine多種接口方式，可以實現(xiàn)與礦山道路的有效接口。只要提供某個礦山的道路網(wǎng)文件接口形式，就可以輕松讀入并顯示該礦道路網(wǎng)，進而可設置電鏟、排卸點、卡車、物料等不同實體的屬性，實現(xiàn)對該礦山的模擬。

當然，由于時間短，本系統(tǒng)還有許多擴展完善的地方，如沒有考慮故障的影響、裝卸車時間采用固定值等。而系統(tǒng)的擴展性也為進一步完善提供了有利條件。

4 結論

1）將整個模擬系統(tǒng)簡化為s輛卡車在固定路網(wǎng)上的n各裝卸點、m個卸載點之間運行的運輸服務排隊系統(tǒng)，簡單而不失真，降低了開發(fā)難度。

2）以卡車狀態(tài)識別為核心，采用時間步長和事件步長相結合的方法，將模擬系統(tǒng)劃分為路網(wǎng)模塊、電鏟模塊、卡車模塊、卸點模塊，通過主控模塊對各模塊進行總體協(xié)調和控制，具有良好的通用性和擴展性。

3）系統(tǒng)提供CAD、GIS、3Dmine等多種接口方式，可以實現(xiàn)與礦山道路的有效接口，具有較高的實用性。

4）系統(tǒng)目前沒有考慮故障的影響，裝卸車時間采用固定值，這些需要后續(xù)進一步完善。

［1］ 王青，任鳳玉.采礦學［M］.第2版．北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

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【責任編輯：解連江】

Research on simulation system of shovel-truck operating process in the open-pit mine

LIU Yinzhu,PAN Haizeng,WEN Peng,HU Shuai,SUN Xiaoyu
(School of Resources&Civil Engineering,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

The article takes the truck location,state identification and transformation as focus,uses the method of combining time step with event step,achieves the effective simulation of shovel-truck process operation and provides good visual display and rich statistical calculation,which provide the effective means of the subsequent analysis production process,mining production potential and the selection of optimal scheduling methods.

open-pit mine;shovel;truck;operating simulation

TD422

B

1671－9816（2017）07－0035－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.07.010

劉銀柱，潘海增，溫鵬，等.露天礦電鏟-卡車運行過程模擬系統(tǒng)研發(fā)［J］.露天采礦技術，2017，32（7）：35-38.

2017-03-25

國家自然科學基金項目資助（51674063）；國家重點研發(fā)計劃項目資助（2016YFC0801608）；東北大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目資助（201610145028）

劉銀柱（1994—），男，安徽碭山人，本科，東北大學采礦工程專業(yè)。