略談國(guó)內(nèi)外地下裝載機(jī)自動(dòng)化現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

張方澤， 趙金元

(1.廣西華錫集團(tuán)股份有限公司， 廣西 大廠 547207； 2.中鋼集團(tuán)衡陽(yáng)機(jī)械有限公司， 湖南 衡陽(yáng) 421002)

0 引言

隨著采礦行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)非煤地下礦山無(wú)軌采礦設(shè)備地下裝載機(jī)每年以約15%的速度增加，目前國(guó)內(nèi)地下礦山擁有的各種地下裝載機(jī)幾千臺(tái)基本都是人工操作。隨著各級(jí)政府對(duì)職業(yè)健康與安全的重視，地下采礦已由原始的人工挖掘，經(jīng)過(guò)機(jī)械化，發(fā)展衍變到了自動(dòng)化、智能化。正是這些發(fā)展，使得這個(gè)在過(guò)去屬于勞動(dòng)密集型、高風(fēng)險(xiǎn)型的行業(yè)，變得輕松而且安全，地下裝載機(jī)的自動(dòng)化、智能化發(fā)展將使 “無(wú)人礦山”成為現(xiàn)實(shí)。地下裝載機(jī)自動(dòng)化的發(fā)展至今已經(jīng)第四代，下文將從發(fā)展過(guò)程和今后發(fā)展趨勢(shì)等方面對(duì)其進(jìn)行介紹。

1 地下裝載機(jī)自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，人們對(duì)健康、對(duì)環(huán)境越來(lái)越重視，安全問(wèn)題成了機(jī)械設(shè)備的重中之重。為了保護(hù)操作人員人身和設(shè)備安全、降低采礦成本、提高生產(chǎn)效率，采礦設(shè)備由機(jī)械化向自動(dòng)化階段過(guò)渡，國(guó)外一些礦山已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了或部分實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的目標(biāo)。它的發(fā)展經(jīng)過(guò)了人工控制、遙控控制、遠(yuǎn)距離控制、半自主控制、自主控制，如表1所示[2-4]。

1.1 人工控制

目前地下采礦設(shè)備基本上采用人工控制(如圖1所示)，一機(jī)一人，其操作簡(jiǎn)單、成本低。由于這些設(shè)備是人工操作，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，特別是巖石的崩落、車(chē)輛的振動(dòng)、灰塵與柴油機(jī)排放的有害氣體等惡劣的作業(yè)條件對(duì)司機(jī)的安全和職業(yè)健康造成直接威脅和危害。為了解決這個(gè)問(wèn)題，人們開(kāi)發(fā)了地下裝載機(jī)遙控技術(shù)。

圖1 人工控制地下裝載機(jī)

1.2 遙控控制

1.2.1 視距控制(Line of sight control)

視距控制(如圖2所示)是操作員位于作業(yè)區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)范圍外，直接觀察和控制設(shè)備。視距范圍一般在5 m至250 m范圍內(nèi)。操作員可以看到車(chē)輛,并可以通過(guò)無(wú)線電裝置(RRC)遙控車(chē)輛。視距遙控用得比較廣泛。

圖2 視距控制和無(wú)線電遙控裝置

自從20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出視距遙控地下裝載機(jī)以來(lái)，視距遙控地下裝載機(jī)得到迅速發(fā)展和應(yīng)用。

1983年，長(zhǎng)沙礦山研究院先后研制成功YK- 1、YK- 2、YKCY- 1.5和WJD- 1.5遙控地下裝載機(jī)。20世紀(jì)80年代末，安慶銅礦引進(jìn)美國(guó)Wagner公司ST- 5C型視距遙控地下裝載機(jī)。特別是近幾年，中鋼集團(tuán)衡陽(yáng)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的地下裝載機(jī)基本上都可以配置各種遙控系統(tǒng)，目前在WJ- 0.4、WJ- 1.5、WJD- 2、WJD- 3機(jī)型上采用視距遙控技術(shù)，在WJ- 1.5、WJD- 2、WJ- 4機(jī)型上采用視頻遙控技術(shù)，在這方面做了大量工作。總的說(shuō)來(lái)，視距遙控地下裝載機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)還在不斷完善、不斷發(fā)展，新的遙控地下裝載機(jī)也在不斷出現(xiàn)，應(yīng)用范圍也在不斷

擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)遙控技術(shù)同國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家比還有很大差距，仍需努力，積極趕上。

1.2.2 視頻遙控(Remote control with Video)

當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行距離更遠(yuǎn)或車(chē)輛拐彎時(shí)，視距遙控就顯得無(wú)能為力，需采用視頻遙控。視頻遙控類(lèi)似于視距遙控系統(tǒng)(如圖3所示)，只不過(guò)增加了一個(gè)視頻監(jiān)視器(如圖4所示)，它適用于500 m范圍內(nèi)。

圖3 視頻遙控

圖4 視頻遙控器

1.3 遠(yuǎn)程遙控操作(Tele-remote operation)

遠(yuǎn)程遙控操作是指駕駛員在地面或地下的一個(gè)中央控制站遠(yuǎn)程控制地下裝載機(jī)(如圖5、圖6所示)，距離在2 000 m范圍內(nèi)，遠(yuǎn)程遙控操作(Tele-remote operation)是向自動(dòng)化車(chē)輛又邁進(jìn)了一步。

圖5 地面遠(yuǎn)程遙控地下裝載機(jī)示意圖

圖6 地面遠(yuǎn)程遙控地下裝載機(jī)

1.4 半自主(semi-autonomous)與自主(Autonomous)控制

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，近幾年發(fā)展起來(lái)的最新技術(shù)半自主和自主地下裝載機(jī)，是今后若干年地下裝載機(jī)技術(shù)發(fā)展方向。其與遠(yuǎn)程遙控控制最大區(qū)別是一個(gè)司機(jī)可同時(shí)控制幾臺(tái)機(jī)器，而遠(yuǎn)程遙控控制是一個(gè)司機(jī)只能控制一臺(tái)機(jī)器。半自主與自主控制在整個(gè)操作過(guò)程中是半自動(dòng)或全自動(dòng)的，而遠(yuǎn)程遙控控制在整個(gè)操作過(guò)程中都是人工控制。半自主與自主控制車(chē)輛，其運(yùn)行速度也遠(yuǎn)比遠(yuǎn)程遙控控制快，生產(chǎn)效率也更高，安全性也更好。半自主與自主控制之間不同之處在于半自主控制在整個(gè)作業(yè)循環(huán)中，大部分作業(yè)時(shí)間是自動(dòng)的，小部分作業(yè)時(shí)間靠人來(lái)完成。在生產(chǎn)循環(huán)中，鏟裝作業(yè)是在操作人員遙控操作下進(jìn)行，運(yùn)輸、卸礦和返回是在機(jī)載計(jì)算機(jī)的自動(dòng)控制下完成。自主控制在裝載、運(yùn)輸、卸礦、返回整個(gè)作業(yè)循環(huán)都是自動(dòng)的，操縱員只是起監(jiān)視作用，是當(dāng)前采礦設(shè)備中最先進(jìn)最復(fù)雜的技術(shù)。

2 發(fā)展趨勢(shì)

目前地下裝載機(jī)自動(dòng)化已發(fā)展到第四代，地下裝載機(jī)下一步的發(fā)展趨勢(shì)就是數(shù)字化與智能化。數(shù)字化與智能化礦山(無(wú)人采礦)總體來(lái)講，就是礦山地面和井下的、人類(lèi)從事礦產(chǎn)資源開(kāi)采的各種動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的信息都能夠數(shù)字化，而且用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)管理，同時(shí)利用空間技術(shù)、自動(dòng)定位和導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦。礦山數(shù)字化是礦山智能化的基礎(chǔ)，礦山智能化主要指的是智能采礦，即采礦決策過(guò)程高度可靠、準(zhǔn)確。智能化采礦設(shè)備(機(jī)器人)與現(xiàn)代化采礦調(diào)度系統(tǒng)的集成，就是無(wú)人采礦。我國(guó)大約再過(guò)25～30年，或許更短時(shí)間就會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化采礦。能夠滿(mǎn)足這些要求的是車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)[5]。

導(dǎo)航是確定一臺(tái)車(chē)輛的位置、走向和路線，隨后引導(dǎo)車(chē)輛以合乎邏輯的方式運(yùn)動(dòng)到使設(shè)備能夠履行其特定任務(wù)的一門(mén)科學(xué)。地下裝載機(jī)導(dǎo)航主要用于引導(dǎo)自動(dòng)化地下裝載機(jī)從采場(chǎng)或礦堆沿著規(guī)定路線運(yùn)輸?shù)V石到卸礦點(diǎn)，卸完料之后又沿原路自動(dòng)返回原出發(fā)地。由此可見(jiàn)導(dǎo)航技術(shù)在地下裝載機(jī)自動(dòng)化中起著很關(guān)鍵作用，可以說(shuō)地下裝載機(jī)自動(dòng)化的發(fā)展是隨著導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。

3 結(jié)束語(yǔ)

地下裝載機(jī)發(fā)展經(jīng)過(guò)人工控制、遙控控制、遠(yuǎn)距離控制到第四代的半自主控制、自主控制。自主或半自主控制的自動(dòng)化雖有許多優(yōu)點(diǎn)[1]，但也是一門(mén)十分復(fù)雜的技術(shù)，只是局部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，采礦全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的礦山仍不多，而且集中在幾個(gè)大型礦山，地下裝載機(jī)自主或半自主控制的自動(dòng)化需要大量投資，技術(shù)要求高，需要一定量的高素質(zhì)專(zhuān)門(mén)技術(shù)人才，這是一般礦山難以辦到的，因此要推廣普及更困難。但是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人們對(duì)地下裝載機(jī)自動(dòng)化需求也愈來(lái)愈迫切，采礦自動(dòng)化將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。