智能調(diào)度系統(tǒng)在緬甸萊比塘銅礦項目的應(yīng)用與研究

李 健，侯 彥 君，劉 卓

(中國水利水電第十工程局有限公司 國際公司，四川 成都 610072)

1 概 述

萊比塘銅礦位于緬甸實皆省(Sagaing)南部，距蒙育瓦(Monywa)直線距離約5 km，公路里程約26 km；礦區(qū)地理坐標為：北緯22°07'，東經(jīng)95°02'，礦坑面積約6 km2。

萊比塘銅礦礦體位于兩山及中間溝谷下，為隱狀礦床，礦體整體呈一個頂面平整的金元寶形，南北走向長約2 200 m，寬約1 400 m，產(chǎn)狀基本水平，礦體平均厚度約140 m，平均品位為0.38%。萊比塘銅礦為特大型露天礦山，采用分區(qū)分期開采的技術(shù)方式，生產(chǎn)期設(shè)計年采剝總量為6 900萬t，其中廢石剝離量為3 865萬t，采礦量3 035萬t，破碎、堆浸日處理礦量為92 kt/d，濕法煉銅生產(chǎn)能力為100 kt/a陰極銅，為亞洲第一大銅礦。該項目生產(chǎn)期為33 a，其中投產(chǎn)1 a，達產(chǎn)30 a，減產(chǎn)2 a。

露天礦山生產(chǎn)過程中一般具有采剝周期較長、采剝工程量大、設(shè)備種類和數(shù)量繁多的特點。如何合理地調(diào)度設(shè)備、了解設(shè)備每時每刻的運行狀態(tài)、提高生產(chǎn)效益、降低生產(chǎn)消耗、提升露天礦山的管理水平成為采剝生產(chǎn)管理的一大難題。因此，有必要采用新的科學技術(shù)對露天礦山生產(chǎn)過程及運行狀態(tài)進行監(jiān)控管理。

2017年前，緬甸萊比塘銅礦項目的現(xiàn)場管理主要是通過手持對講機、由有經(jīng)驗的管理人員現(xiàn)場協(xié)調(diào)溝通的方式進行設(shè)備調(diào)度，這種方式雖然有效，但其具有很多不足與缺陷：

對車輛設(shè)備等的狀況、空間位置不了解，調(diào)度過程中存在車鏟不匹配；

調(diào)度工作量大，耗費的人力、物力較大；

調(diào)度指令誤差導(dǎo)致生產(chǎn)消耗及運營成本的增加；

調(diào)度時間及周期較長，大型設(shè)備聯(lián)合作業(yè)的效率不能實現(xiàn)最大化；

調(diào)度車輛及人員頻繁出入礦坑增加了安全風險；

對設(shè)備運行狀態(tài)無法實時監(jiān)控；

數(shù)據(jù)統(tǒng)計存在誤差和漏洞，不能準確地為生產(chǎn)管理和決策提供可靠的依據(jù)。

從2017年開始，萊比塘銅礦項目的工作已進入生產(chǎn)期，采剝生產(chǎn)規(guī)模即將達到6 900萬t/a，目前項目部共有鏟裝及輔助設(shè)備100多臺(套),其中有53臺TR100/91 t、10臺NTE260/236 t和11臺挖掘機(2臺6.5 m3、3臺11 m3、4臺12 m3及2臺22 m3)及6臺φ250牙輪鉆，如此多的設(shè)備勢必導(dǎo)致生產(chǎn)管理及調(diào)度更加復(fù)雜和困難。為解決上述問題，提高生產(chǎn)效益，降低生產(chǎn)消耗，提升露天礦山的管理水平，項目部于2016年12月引進了遼寧丹東東方測控GPS卡車調(diào)度系統(tǒng)，目前已建成科學智能的計算機智能調(diào)度系統(tǒng)并用于統(tǒng)籌管理現(xiàn)場生產(chǎn)，確保了大規(guī)模生產(chǎn)的全局統(tǒng)籌管理、生產(chǎn)實時監(jiān)控和動態(tài)優(yōu)化調(diào)度，以滿足礦山的發(fā)展需求。

2 卡車調(diào)度系統(tǒng)的基本情況

卡車調(diào)度系統(tǒng)通過采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS、北斗等)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線數(shù)字通訊技術(shù)、礦山系統(tǒng)工程及優(yōu)化理論、地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)、電子技術(shù)等高新技術(shù)，對傳統(tǒng)的人工調(diào)度系統(tǒng)及管理體制進行了改造，通過采集生成設(shè)備動態(tài)信息，實時動態(tài)監(jiān)控和優(yōu)化調(diào)度卡車、鏟及主要輔助設(shè)備的運行，集成信息化、智能化、社會化的新型現(xiàn)代化智能調(diào)度控制系統(tǒng)和全方位的采礦生產(chǎn)管理控制智能化決策平臺。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對礦山數(shù)字化、智能化和可視化的管理，為露天礦山的生產(chǎn)管理帶來全新的變革。

該卡車調(diào)度系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成，其硬件包括車載智能終端、中控計算機系統(tǒng)、LTE無線通訊系統(tǒng)和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)；軟件是由丹東東方測控公司研發(fā)、用于調(diào)度人員進行監(jiān)控和管理的操作平臺。

2.1 車載智能終端系統(tǒng)

該系統(tǒng)的車載終端主要由電腦主機、LTE通訊單元、定位天線、通信天線、車載電源組成，分為挖掘機高精度終端和卡車低精度終端兩種。主要負責采集和上傳實際生產(chǎn)過程中設(shè)備的車速、油量等重要信息。

2.2 服務(wù)器系統(tǒng)

卡車調(diào)度系統(tǒng)的服務(wù)器系統(tǒng)按照主服務(wù)器、備用服務(wù)器、共享存儲的方式設(shè)計，該方式被稱為“Active-Standby”。這種方式既能滿足服務(wù)器有物理性冗余的要求，又滿足同時在線的要求。

萊比塘銅礦卡車調(diào)度系統(tǒng)采用的是由微軟公司提供的Windows Server故障轉(zhuǎn)移群集(Failover Cluster)和SQL Server方案。當Active Server出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將在2 min內(nèi)自動切換到standby Server，以滿足系統(tǒng)的不間斷運行需求。

2.3 LTE無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是卡車調(diào)度系統(tǒng)的信息傳送通道，無論對穩(wěn)定性還是帶寬都有著嚴格的要求。萊比塘銅礦卡車調(diào)度系統(tǒng)首次引進了目前較為先進的LTE無線通信網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送通道。

LTE網(wǎng)絡(luò)相對于以往使用較多的MESH無線網(wǎng)絡(luò)具有突出的優(yōu)點：

(1)高帶寬：具有寬頻、用戶開發(fā)數(shù)量大的特點，其頻寬可達20 MHz，能達到下行80 Mbps，上行30 Mbps的傳輸速率，有利于無線語音系統(tǒng)的拓展。

(2)可單站組網(wǎng)：單基站設(shè)備即可實現(xiàn)組網(wǎng)，All in One無線接入系統(tǒng)(含基帶、射頻以及核心網(wǎng)功能)架構(gòu)簡單，可操作性強。

(3)高覆蓋范圍：相對于MESH，萊比塘銅礦400 m頻段的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離可達20 km以上。

(4)高可靠性：基站取消了電路域，取消了無線網(wǎng)絡(luò)控制器,結(jié)構(gòu)一體化，可靠性高。

2.4 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

定位是卡車調(diào)度系統(tǒng)中尤為重要的一部分。萊比塘銅礦采用了目前最為流行的北斗+GPS雙星定位模式，使其定位高效、準確，北斗與GPS之間任何一部分出現(xiàn)問題均能迅速切換，從而不影響系統(tǒng)的正常使用。

3 卡車調(diào)度系統(tǒng)的工作原理

3.1 調(diào)度理論

卡車調(diào)度系統(tǒng)是綜合運用計算機技術(shù)、 現(xiàn)代通訊技術(shù)、全球衛(wèi)星定位(GPS)技術(shù)、系統(tǒng)工程理論和最優(yōu)化技術(shù)等先進手段建立的生產(chǎn)監(jiān)控、智能調(diào)度、生產(chǎn)指揮管理系統(tǒng),對生產(chǎn)采裝設(shè)備、移動運輸設(shè)備、卸載點及生產(chǎn)現(xiàn)場進行實時監(jiān)控和優(yōu)化管理，優(yōu)化了卡車運輸,降低了總運距和采裝與運輸設(shè)備的等待時間,節(jié)能降耗,有效提高了采裝與運輸效率；實現(xiàn)了液壓鏟、卡車、鉆機調(diào)度,優(yōu)化了生產(chǎn),合理配礦,提高了資源利用率；能夠及時應(yīng)對生產(chǎn)中出現(xiàn)的突發(fā)事件,以實現(xiàn)及時響應(yīng)生產(chǎn)、及時調(diào)整生產(chǎn)和安全生產(chǎn)的目的。卡車調(diào)度系統(tǒng)通過采用現(xiàn)代高新技術(shù)和符合露天礦山生產(chǎn)實際的最優(yōu)化模型,徹底改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理模式,是露天礦山生產(chǎn)管理模式的一場革命。

3.2 系統(tǒng)工作過程

該系統(tǒng)通過自動采集設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備位置、自動統(tǒng)計液壓鏟裝車能力、卸點卸載能力、路徑運行時間，得到系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，再結(jié)合人工設(shè)定的現(xiàn)場規(guī)劃和生產(chǎn)計劃完成優(yōu)化計算，在優(yōu)化計算后給出當前條件下的最優(yōu)調(diào)度方案；若不滿意，還可進行人工干預(yù)。

4 自動調(diào)度系統(tǒng)的算法設(shè)計與實施

4.1 概 述

萊比塘銅礦卡車調(diào)度系統(tǒng)的主要思路是動態(tài)規(guī)劃。所謂動態(tài)規(guī)劃，就是一種用于處理多階段決策問題的數(shù)學方法，它可以將復(fù)雜的多階段決策問題轉(zhuǎn)化為一系列比較簡單的最優(yōu)化問題，特點是優(yōu)化過程中具有多階段性。其解決問題的步驟是先把一個比較復(fù)雜的問題分成彼此相互聯(lián)系的若干階段，所形成的每個階段定為一個子問題，待規(guī)劃好問題后逐個解決問題，待每個問題解決后，整個問題的決策也就確定下來。每個階段都用時間表示，因此將其定義為“動態(tài)”過程。

4.2 調(diào)度原則

萊比塘銅礦項目優(yōu)化調(diào)度的準則主要是以提高車鏟運轉(zhuǎn)效率、達到提高整個礦山產(chǎn)量為主要目標。其遵循以下幾個原則：

(1)最早裝車法(Earliest Loading)。

將當前需要調(diào)度的卡車派去能夠最早裝車的液壓鏟。

(1)

式中i*為當前卡車將被派往的液壓鏟號；N為該調(diào)度點所屬的液壓鏟總數(shù)量；Tti為預(yù)計待調(diào)度卡車到達i號液壓鏟的時刻；Tsi為i號液壓鏟裝完所有配給它的卡車后的時刻。

(2)最大卡車法(Max Truck)。

將當前需要調(diào)度的卡車派去等待裝車時間最少的那臺液壓鏟。

i*=i|{max(Tsi-Tti,0)}|

(2)

(3)最大液壓鏟法(Max Shovel)。

將當前需要調(diào)度的卡車派去預(yù)計等車最久的那臺液壓鏟。

i*=i|{max(Tti-Tsi,0)}|

(3)

(4)最小飽和度法(MSD)。

將卡車派去飽和度最小的那臺液壓鏟。

i*=i|{DS(i)}|

(4)

其中：

DS(i)={TS(i)+NC+ATL(i))/(TA(i)}

(5)

式中TS(i)為預(yù)計卡車剩余裝載時間；NC為道路中的卡車數(shù)量(除去正在裝的卡車)；ATL(i)為i號液壓鏟的平均裝車時間；TA(i)為卡車從調(diào)度點到i號液壓鏟的運行時間；DS(i)為調(diào)度地點到液壓鏟i的卡車飽和度。

(5)最小飽和程度及兼顧卡車運行周期法(MSDTC)。

它是在卡車最小飽和度的基礎(chǔ)上考慮卡車的運行周期。

i*=i|{DS(i)}|

(6)

4.3 調(diào)度算法工作過程

該系統(tǒng)采用的智能調(diào)度算法拋棄了簡單的算法和試湊法，將若干個精確算法結(jié)合在一起分步求解。智能調(diào)度包括3個子系統(tǒng)：最佳路徑子系統(tǒng) (BP)；車流規(guī)劃子系統(tǒng)(LP)和實時動態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)(DP)。派車原理見圖1。

(1)BP：最佳路徑子系統(tǒng)主要生成道路網(wǎng)絡(luò)中的最佳路徑。通常利用 Dijkstra、Floyd 算法等方法計算道路網(wǎng)中任意點到其他各點的最短路長。

(2)LP：車流規(guī)劃子系統(tǒng)通常以產(chǎn)量最大、出動設(shè)備數(shù)量最少、運營成本最低等為目標，根據(jù)最佳路徑，綜合考慮液壓鏟的能力、卸點能力、汽車的數(shù)量、各個運輸環(huán)節(jié)的統(tǒng)計時間、配礦要求、液壓鏟優(yōu)先級以及其它生產(chǎn)約束，通過線性規(guī)劃，求取各裝、卸點之間的卡車運量分配。

(3)DP：實時動態(tài)調(diào)度子系統(tǒng)以車流規(guī)劃結(jié)果為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌所有液壓鏟、卸點、重車和空車的實時運行狀態(tài)，在滿足生產(chǎn)中各種約束條件的情況下，為每臺空車指派最合適的目標液壓鏟，為每臺重車指派最合適的目標卸點。

5 卡車智能調(diào)度系統(tǒng)取得的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景

卡車智能調(diào)度系統(tǒng)可以徹底改變定鏟定車的配車模式，其目的主要是通過減少礦山卡車、液壓挖掘機的非生產(chǎn)性的怠滯時間，利用計算機軟件合理地調(diào)配車輛,充分利用已有的車鏟去提高生產(chǎn)能力，盡量做到車不等鏟，鏟不壓車和欠車，實現(xiàn)車鏟匹配，最大程度地發(fā)揮鏟、車的生產(chǎn)能力，從而達到降低生產(chǎn)成本或節(jié)省投資費用的目的。一般來講，運用卡車智能調(diào)度系統(tǒng)(圖2)，可以使礦山生產(chǎn)能力提高5%左右。

卡車智能調(diào)度系統(tǒng)可以運算出為滿足生產(chǎn)量(能力)所需要增加的最小卡車臺數(shù)，或推薦所需要的最少卡車臺數(shù)，其節(jié)省的設(shè)備費用是智能調(diào)度系統(tǒng)費用的許多倍；另一方面，為滿足確定的生產(chǎn)能力減少所需要的車鏟臺數(shù)，即可以降低投資費用。其主要效益點如下：

(1)智能調(diào)度系統(tǒng)能有效地和最大化地減少車等鏟或者鏟等車現(xiàn)象，既能增加產(chǎn)量(圖3)和提高車鏟的有效利用率(圖 4，5 和6)，同時節(jié)省了車排隊待裝和鏟等車過程中消耗的燃油；并能結(jié)合鏟運設(shè)備狀況自動安排車輛去加油，以減少排隊等候加油的現(xiàn)象或等候加油的時間最短，最終實現(xiàn)降低單位生產(chǎn)成本的目的。

圖1 派車原理圖

圖2 卡車智能調(diào)度系統(tǒng)圖

圖3 同期采剝量類比柱狀圖

圖4 挖掘機完好率、利用率柱狀圖

圖5 TR100完好率、利用率柱狀圖

(2)在整個礦山作業(yè)范圍內(nèi)，智能調(diào)度系統(tǒng)可以縱觀全局，可以實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)控，即每一臺設(shè)備所在位置、狀態(tài)、運行軌跡及速度等在卡車調(diào)度中心顯示屏上都一目了然，清清楚楚。礦山主管人員和調(diào)度員緊密配合，共同工作，可以及時發(fā)現(xiàn)錯誤行為并立即糾正，避免了既成事實后造成的損失。一旦卡車運動軌跡出錯或偏離路徑，系統(tǒng)就會提示：如果物料是礦石運往了排土場或廢石運往了堆浸場(半移動破碎站)，系統(tǒng)會馬上通知或在卡車終端顯示屏幕上提示司機，并由卡車調(diào)度內(nèi)業(yè)人員立刻告知現(xiàn)場(排土場或者堆浸場)管理人員及時監(jiān)控或者糾正，防止卡車在錯誤的地點卸料，從而有效控制物料的損失或貧化。據(jù)統(tǒng)計，一次卸料錯誤造成的直接經(jīng)濟損失達1 000美元。

圖6 NTE260完好率、利用率柱狀圖

(3)該系統(tǒng)還可以監(jiān)督操作人員的活動，操作手在排土場(堆浸場)卸料后停留的時間如果超過2 min，卡車調(diào)度內(nèi)業(yè)人員就會電話詢問該操作手，或系統(tǒng)在卡車調(diào)度車載終端顯示屏上發(fā)布提示或警告語言，從而有效監(jiān)督操作手的操作狀態(tài)。

(4)該系統(tǒng)會隨時監(jiān)控車輛的運行速度(特別是交班前30 min)?？ㄜ囌{(diào)度系統(tǒng)未引進之前，大部分操作手為少拉一車料而在路上低速運行。安裝卡車調(diào)系統(tǒng)后，該現(xiàn)象得到了很大程度地改觀，若重載低于10 km/h及高于35 km/h和空載低于20 km/h及高于40 km/h，系統(tǒng)都會對操作手發(fā)出警告通知,并對經(jīng)常性違規(guī)的操作手進行教育和再培訓(xùn)。此項功能為項目增加了280萬t的年采剝產(chǎn)量，也節(jié)省了油料費用。

(5)萊比塘銅礦屬于粘土礦，礦石中的粘土在堆浸場進行噴淋后易產(chǎn)生板結(jié)，導(dǎo)致浸出率降低，因此，配礦就顯得非常重要。該系統(tǒng)既能保證礦石品位得到控制，同時使中低粘土礦也能在交叉運往破碎站進行破碎后通過皮帶機、布料機運入堆浸場進行合理配比,從而有效提高了礦石的浸出率。

(6)卡車調(diào)度系統(tǒng)采用LTE通訊傳輸和存儲各種信息資源，對車鏟故障(機械、液壓、電氣等類型)進行分門別類，設(shè)備故障在卡車調(diào)度終端顯示屏上的狀態(tài)信息直觀明了，卡車調(diào)度內(nèi)業(yè)人員在第一時間將設(shè)備故障信息傳達到綜合修理廠以方便維修人員及時到場進行故障的排查與處理，同時也便于維修人員通過分類統(tǒng)計分析設(shè)備故障頻率，重點監(jiān)控和采取應(yīng)對策略、措施和手段，有針對性地進行防范和控制，避免造成重大或災(zāi)難性損失。

(7)卡車調(diào)度系統(tǒng)未運行之前均采用人工方法統(tǒng)計數(shù)據(jù)，但因人為因素產(chǎn)生的失誤或遺漏難以保證報表數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，操作手運載車數(shù)記錄統(tǒng)計的方量與現(xiàn)場實際測量統(tǒng)計的方量之間存在差別。設(shè)備停運、延誤、備用等記錄統(tǒng)計存在的偏差導(dǎo)致設(shè)備的完好率和利用率不準確。安裝卡車調(diào)度系統(tǒng)后，該系統(tǒng)能及時、準確地生成各種數(shù)據(jù)報表，有利于管理者分析數(shù)據(jù)后采取正確的措施提高生產(chǎn)效率。例如，根據(jù)數(shù)據(jù)分析得知某段道路(含裝、卸點)狀況不好、裝載面平整及爆破質(zhì)量是否滿足鏟裝要求和液壓挖掘機操作技能水平等問題，現(xiàn)場調(diào)度和管理人員就會及時針對這些問題進行整改，以提高產(chǎn)量并保證礦車安全、平穩(wěn)運行。

(8)卡車調(diào)度系統(tǒng)能在油料余量為10%～30%范圍內(nèi)提示操作手去加油，同時也能適時反映各種狀態(tài)下的油料消耗指標，通過類比，可以對單位方量或單位距離油耗高的車輛進行分析，通過維修、改善道路、提高裝載及卸料點地面的平整度等措施以達到正?；蚪档拖乃?，從而有效控制或降低生產(chǎn)成本。

(9)礦車防碰撞系統(tǒng)：利用GPS、GIS、短距離點對點無線通信和語音智能預(yù)警等技術(shù)，實現(xiàn)行車防碰撞預(yù)警功能，該功能基于提高車輛的主動安全性來實現(xiàn)在行車過程中給操作手提供必要的提醒技術(shù)設(shè)施，當行駛過程中遇同向或相向的車輛超過安全警戒距離時，智能終端進行報警并提交預(yù)警車輛的車號、時速及方向等相關(guān)信息，從而使操作手有時間提前采取相關(guān)措施避免事故的發(fā)生。

(10)鉆機高精度的定位和智能布孔系統(tǒng)徹底減輕了測量人員、操作手的體力和腦力勞動強度，能夠直接發(fā)送包含鉆孔底部高程、鉆孔范圍線及初始定位坐標與孔網(wǎng)參數(shù)等相關(guān)信息給安裝在牙輪鉆機上的智能終端系統(tǒng)，操作手按提示操作鉆機即能完成穿孔作業(yè)。該功能每年可以節(jié)省5萬美元的勞動力成本。

6 該卡車調(diào)度系統(tǒng)的運用前景

目前國內(nèi)采用的是電鏟配卡車進行露天礦山開采作業(yè)，許多大型項目都安裝了卡車調(diào)度系統(tǒng)。但緬甸由于經(jīng)濟不發(fā)達，雖然有很多礦產(chǎn)資源項目，但這些礦山開采的調(diào)度方式都比較落后，主要采用固定鏟車方式，其交接班時間長，工作過程中基本上是固定車的行駛線路，不能充分發(fā)揮大型露天礦采剝設(shè)備的優(yōu)勢、體現(xiàn)最佳經(jīng)濟效益。通過萊比塘銅礦項目引進卡車智能調(diào)度系統(tǒng)及其成功的應(yīng)用，給項目帶來了一定的經(jīng)濟和社會效益，勢必影響和改善緬甸礦業(yè)發(fā)展的格局，并將使卡車調(diào)度系統(tǒng)在緬甸及周邊區(qū)域得到進一步的推廣和運用。

通過實踐應(yīng)用得知：卡車智能調(diào)度系統(tǒng)可以通過行之有效的技術(shù)手段，充分提高大型露天礦山采剝設(shè)備的利用率。隨著中國政府“一帶一路”的發(fā)展政策和中資企業(yè)在全球布局的內(nèi)生動力雙重作用下，可以相信：在不久的將來,卡車智能調(diào)度系統(tǒng)能夠在緬甸等東南亞國家的露天礦山項目中得到不斷的推廣應(yīng)用和完善。