基于露天煤礦高精三維地圖的智能調(diào)度技術(shù)

王 星，武 講，張 陽，談娌娜

（1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054）

目前卡車調(diào)度系統(tǒng)包括生產(chǎn)控制、二維顯示、地圖編輯、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)故障、操作日志、登陸權(quán)限、產(chǎn)量計(jì)算、檔案管理、常用錄入、報(bào)表圖表等模塊，雖然可以保證正常卡車的調(diào)度功能，但人工參與的工作較多，缺少智能化技術(shù)、人工智能的協(xié)同。

露天礦使用的卡車調(diào)度系統(tǒng)遵循的是一個(gè)電鏟配若干礦卡的模式，這種臺套模式，增加了礦卡的排隊(duì)等待時(shí)間，降低工作效率，閑置礦卡數(shù)量上升，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)[1]。傳統(tǒng)的調(diào)度路網(wǎng)更新方式一般采用車輛軌跡的方式，當(dāng)有路面情況發(fā)生變化時(shí)，需要指派攜帶傳感器的車輛重新在更新路面行駛，形成新的軌跡，用于網(wǎng)路的更新，并且路面的屬性不能及時(shí)的感知更新，需要人工參與更新內(nèi)容。調(diào)度系統(tǒng)對于車輛的狀態(tài)的監(jiān)控也是單一軌跡跟蹤，缺少多維度的車輛監(jiān)控，并且不能同時(shí)監(jiān)測多輛礦卡的狀態(tài)，不能監(jiān)控路口匯車時(shí)的實(shí)時(shí)情況，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)超車、超速等違規(guī)情況。

綜上所述，針對上述傳統(tǒng)卡車調(diào)度的問題，想要從根本上實(shí)現(xiàn)調(diào)度系統(tǒng)的智能化協(xié)同，需要搭建全礦區(qū)的高精三維地圖系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握露天煤礦礦坑內(nèi)的實(shí)際生產(chǎn)情況，具體包括主路的路面情況、采區(qū)情況、卡車行駛情況、鏟車工作情況以及排土場情況。當(dāng)高精三維地圖可實(shí)時(shí)反饋上述情況后，露天煤礦的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)才具備智能化協(xié)同的基礎(chǔ)[2]。

1 智能調(diào)度系統(tǒng)原理

傳統(tǒng)的露天煤礦生產(chǎn)工藝，包含了從生產(chǎn)計(jì)劃到排土、破碎等一系列的生產(chǎn)過程?；诟呔S地圖的露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)分別從生產(chǎn)計(jì)劃、鉆爆作業(yè)、采剝作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)和排土作業(yè)5 個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度指揮。露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)原理如圖1。

圖1 露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)原理

基于高精三維地圖的露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)由2 個(gè)部分組成：①高精三維地圖系統(tǒng):為智能調(diào)度系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，是一個(gè)可實(shí)時(shí)獲取整個(gè)露天礦地質(zhì)和地面一體的高精三維地圖，相當(dāng)于礦山資源及生產(chǎn)過程時(shí)空信息為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生體系，并且可以和地圖進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的交互，來實(shí)現(xiàn)智能化煤礦資源數(shù)字化的目標(biāo)；②智能調(diào)度系統(tǒng)：通過高精三維地圖系統(tǒng)，從資源開采計(jì)劃到生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行，對露天礦開采過程進(jìn)行智能調(diào)度與管控，實(shí)現(xiàn)采場協(xié)同化、安全生產(chǎn)可視化，提高露天礦開采智能管控與調(diào)度水平。

智能調(diào)度系統(tǒng)就可以根據(jù)三維地圖提供的數(shù)字化資源，以計(jì)劃為驅(qū)動，分別調(diào)度鉆機(jī)、鏟車、運(yùn)輸車輛和排土車輛，同時(shí)還可實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場的生產(chǎn)調(diào)度情況，同時(shí)為了快速的實(shí)現(xiàn)調(diào)度指令，還需要設(shè)立邊緣端，在鉆機(jī)、電鏟、礦卡、排土機(jī)上分別安裝移動終端及相應(yīng)的APP，對于一些實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)，在邊緣端進(jìn)行及時(shí)計(jì)算，保證調(diào)度的瞬時(shí)性。這樣以計(jì)劃驅(qū)動的智能調(diào)度，打破了傳統(tǒng)的臺套概念，真正的實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)組織智能化。在此過程中，還需要對各類設(shè)備進(jìn)行智能化配套改造以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度，具體包括鉆機(jī)、電鏟、礦卡和排土車。

1）鉆爆作業(yè)基于三維高精地圖進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃，智能調(diào)度系統(tǒng)將計(jì)劃轉(zhuǎn)換為指令，發(fā)送到鉆機(jī)的移動終端，鉆機(jī)通過遠(yuǎn)程遙控完成鉆孔作業(yè)，并將鉆孔信息返回給地圖，進(jìn)行鉆孔比對和調(diào)整。

2）電鏟接收到調(diào)度指令后，會到規(guī)定位置進(jìn)行作業(yè)，同時(shí)電鏟會加裝激光雷達(dá)和其他傳感器，用來獲取電鏟周圍實(shí)時(shí)的環(huán)境信息，并返回給地圖進(jìn)行局部地圖更新。

3）礦卡收到指令后，會根據(jù)規(guī)劃的路線進(jìn)行行駛，到達(dá)電鏟附近后，智能調(diào)度系統(tǒng)會依據(jù)電鏟周圍的環(huán)境信息給車輛1 個(gè)最佳的?？课恢?，讓車鏟進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。

4）當(dāng)?shù)V卡行駛到排土場時(shí)，排土機(jī)通過加裝傳感器，獲取周圍的環(huán)境信息，再配合遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)為礦卡提供最佳排土位置信息。

2 高精三維地圖關(guān)鍵技術(shù)

高精三維地圖在可視化智慧露天礦生產(chǎn)過程中，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦山作業(yè)區(qū)域的三維地形以及實(shí)時(shí)變化的維護(hù)過程，并能夠?yàn)槠渌嚓P(guān)系統(tǒng)提供需要的地圖關(guān)鍵信息。高精三維地圖可實(shí)時(shí)反饋采場及排土場變化信息，擁有精確的人員、車輛位置信息和豐富的道路參數(shù)等基礎(chǔ)矢量數(shù)據(jù)，在為礦山短期和中長期生產(chǎn)采掘計(jì)劃編制的同時(shí)，可同時(shí)為礦山生產(chǎn)調(diào)度、無人駕駛、三維地質(zhì)建模、爆破設(shè)計(jì)、礦山工程驗(yàn)收等提供基礎(chǔ)支撐[2-3]。

1）綜合利用車載視頻攝像頭、激光雷達(dá)（LiDAR）設(shè)備及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS），實(shí)時(shí)獲取礦區(qū)的影像和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)建露天煤礦高精度三維地圖，再配合動態(tài)攝像頭、LiDAR 以及多GNSS 聯(lián)合定標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)局部變化區(qū)域（如采剝工作面、排土場等）的實(shí)時(shí)高精度重建。

2）露天礦高精度三維地質(zhì)模型融合構(gòu)建與高性能可視化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)地上下全空間一體化、采礦過程的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)表達(dá)與預(yù)演仿真。

3）提取露天礦場路網(wǎng)信息，并集成車輛、人員等動目標(biāo)的位置移動信息和邊坡變化監(jiān)測信息。

4）建立信息化、智能化的露天礦高精度三維地圖系統(tǒng)，為露天礦開采的監(jiān)控、調(diào)度、安全生產(chǎn)提供決策支持。

3 露天煤礦智能調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維可視化動態(tài)排產(chǎn)及執(zhí)行技術(shù)

為提高資源的利用率和計(jì)劃的可執(zhí)行性，在一定程度上科學(xué)延長礦山服務(wù)時(shí)間，從長遠(yuǎn)角度實(shí)現(xiàn)計(jì)劃內(nèi)合理配煤及剝采比，結(jié)合煤層數(shù)字化模型和礦區(qū)高精三維地圖進(jìn)行精準(zhǔn)排產(chǎn)計(jì)劃研究。精準(zhǔn)排產(chǎn)以礦山精細(xì)化模型為基礎(chǔ)、以礦山生產(chǎn)目標(biāo)為導(dǎo)向，綜合考慮礦山資源儲量分布情況與資源價(jià)值分布，通過構(gòu)建混合整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型和目標(biāo)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，設(shè)置煤質(zhì)、產(chǎn)量、剝采比目標(biāo)以及排產(chǎn)出礦量約束、排產(chǎn)各臺階出礦量約束、上下臺階時(shí)空關(guān)系約束、臺階平面內(nèi)的時(shí)空關(guān)系約束等一系列約束條件，求解得到結(jié)果后，可以在三維環(huán)境下交互式調(diào)整計(jì)劃范圍，同時(shí)能夠自動統(tǒng)計(jì)圈定的量和煤質(zhì)信息，最終，通過動畫模擬計(jì)劃開采過程[4]。

3.2 高精路網(wǎng)及生產(chǎn)場景動態(tài)構(gòu)建技術(shù)

通過露天礦動態(tài)三維場景中道路參數(shù)的實(shí)時(shí)更新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的語義分割，自動識別并分離出道路、爆堆、排土場、破碎站及作業(yè)面邊界，實(shí)現(xiàn)道路矢量及相關(guān)坡度、平整度、寬度等道路指標(biāo)以及各生產(chǎn)場景空間邊界的實(shí)時(shí)更新，并標(biāo)注到路網(wǎng)數(shù)據(jù)參與路網(wǎng)及生產(chǎn)場景動態(tài)構(gòu)建。同時(shí)結(jié)合高精三維地圖技術(shù)，實(shí)時(shí)提取作業(yè)面、排土場及破碎站等作業(yè)區(qū)域的生產(chǎn)場景要素屬性與信息，動態(tài)更新包括爆堆幾何邊界、鏟裝作業(yè)面實(shí)時(shí)生產(chǎn)邊界、排土場及破碎站作業(yè)邊界及相關(guān)作業(yè)位置的屬性信息，根據(jù)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，維護(hù)各生產(chǎn)場景與路網(wǎng)的關(guān)聯(lián)信息，實(shí)現(xiàn)高精度路網(wǎng)與生產(chǎn)場景的動態(tài)更新與維護(hù)，并發(fā)布到調(diào)度系統(tǒng)中參與調(diào)度運(yùn)行與路徑規(guī)劃，用于指導(dǎo)有人及無人裝備的智能化生產(chǎn)作業(yè)。

3.3 車鏟協(xié)同作業(yè)技術(shù)

基于地圖高精模型和高精路網(wǎng)模型構(gòu)建與更新技術(shù)，使用鏟裝生產(chǎn)裝備實(shí)時(shí)采集作業(yè)面及平臺信息，解算有效鏟裝作業(yè)范圍，動態(tài)生成裝載區(qū)域作業(yè)邊界，自動更新路網(wǎng)及生產(chǎn)場景信息。通過對車-鏟裝備安裝精準(zhǔn)位姿定位裝置，使用電鏟高精度定位及朝向確認(rèn)，自動輔助下發(fā)卡車入換位姿。輔助無人卡車在裝礦區(qū)域自主規(guī)劃最佳入換與駛出路線，引導(dǎo)卡車完成精準(zhǔn)裝礦作業(yè)流程。

在排土場作業(yè)區(qū)域，使用推土機(jī)采集并動態(tài)生成排土場作業(yè)邊界，通過自動或人工輔助方式標(biāo)定卡車卸礦位姿。輔助無人卡車在排土場卸礦區(qū)域自主規(guī)劃最佳入換與駛出路線，引導(dǎo)無人卡車完成卸礦作業(yè)流程。

3.4 智能調(diào)度技術(shù)

對接礦山生產(chǎn)計(jì)劃及配煤指標(biāo)，基于礦山高精三維地圖路網(wǎng)及生產(chǎn)場景動態(tài)更新信息，在考慮生產(chǎn)裝備與設(shè)施生產(chǎn)能力、優(yōu)先級、道路通行規(guī)則等約束條件下，利用運(yùn)籌學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等優(yōu)化算法，動態(tài)解算最優(yōu)或次優(yōu)車鏟分配與調(diào)度策略，打破“臺套”調(diào)度模式，實(shí)現(xiàn)卡車根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃及實(shí)時(shí)變化的采場情況靈活、自動派車，以滿足礦山動態(tài)變化的實(shí)際生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行效率最優(yōu)及調(diào)度控制最佳目標(biāo)[5-6]。

核心算法輸入靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)信息，輸出實(shí)時(shí)調(diào)度指令。系統(tǒng)輸入條件包括靜態(tài)數(shù)據(jù)（如生產(chǎn)計(jì)劃、排班計(jì)劃、地質(zhì)狀況、司機(jī)水平）、動態(tài)信息（如路網(wǎng)路況、場景狀況、裝備工況、燃油變化、邊坡異常等）；利用歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)記錄車輛行駛的速度和路況），通過特征查找，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)做最優(yōu)路徑規(guī)劃和生產(chǎn)時(shí)間預(yù)估?？紤]等待時(shí)間最短和卡車司機(jī)就近、運(yùn)力最大等原則，求解最優(yōu)車鏟匹配、最優(yōu)路線流量，并高效生成動態(tài)調(diào)度指令；結(jié)果輸出核心功能包括生產(chǎn)運(yùn)輸全局監(jiān)測與動態(tài)調(diào)度指令、實(shí)時(shí)動態(tài)產(chǎn)量監(jiān)測、采裝日計(jì)劃執(zhí)行監(jiān)測、裝備工況故障監(jiān)測管理等[7-8]。

基于高精三維地圖的露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)，通過構(gòu)建以礦山資源及生產(chǎn)過程時(shí)空信息為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生體系，從資源開采計(jì)劃到生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行，對露天礦開采過程進(jìn)行智能調(diào)度與管控，實(shí)現(xiàn)采場協(xié)同化、安全生產(chǎn)可視化，提高露天礦開采智能管控與調(diào)度水平，從而提高礦山生產(chǎn)效益。

4 高精三維地圖系統(tǒng)與智能調(diào)度系統(tǒng)的協(xié)同作業(yè)

高精三維地圖系統(tǒng)針對當(dāng)前露天礦區(qū)航測三維地圖無法滿足局部區(qū)域動態(tài)更新、難以有效服務(wù)露天礦智能化的問題，聯(lián)合車載攝像頭、LiDAR 設(shè)備及多GNSS 提取工作面高精度三維模型并實(shí)時(shí)更新。充分利用地質(zhì)規(guī)則、地上場景等語義約束等，智能構(gòu)建露天礦地上/下全空間三維地圖。綜合高精度三維模型、平路機(jī)GNSS 軌跡等信息提取礦區(qū)路網(wǎng)信息，集成車輛設(shè)備、人員、道路、邊坡形變等典型要素的位置、參數(shù)變化和位置信息。

露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)結(jié)合高精三維地圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對作業(yè)設(shè)備及其生產(chǎn)場景的高精度模型動態(tài)更新，向運(yùn)輸裝備終端下發(fā)調(diào)度任務(wù)指令，實(shí)時(shí)生成適用于動態(tài)鏟裝場景的受礦位姿及動態(tài)卸礦場景的卸礦位姿，引導(dǎo)智能裝備自主規(guī)劃最佳入換及駛出路線，完成精準(zhǔn)裝礦及卸礦作業(yè)流程，閉合車-鏟協(xié)同作業(yè)循環(huán)自動化流程。同時(shí)，結(jié)合動態(tài)更新的爆堆或作業(yè)面場景模型，對鏟裝設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)標(biāo)高控制以及高精度鏟裝作業(yè)軌跡可視化跟蹤與引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)更加高效的無人化車-鏟協(xié)同作業(yè)與更加精準(zhǔn)的鏟裝生產(chǎn)。

5 結(jié)語

基于高精三維地圖的露天煤礦智能調(diào)度系統(tǒng)不僅構(gòu)建了全礦區(qū)的實(shí)時(shí)高精三維地圖，而且露天煤礦針對鉆機(jī)、電鏟、鉆機(jī)和排土機(jī)智能調(diào)度與協(xié)同生產(chǎn)。通過對高精三維地圖關(guān)鍵技術(shù)與露天煤礦智能調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)的研究，結(jié)合電鏟和排土車的智能化改造，可實(shí)現(xiàn)露天礦采掘、排土作業(yè)無人化，為露天礦主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的無人化夯實(shí)了技術(shù)基礎(chǔ)。