露天礦電鏟高程智能引導(dǎo)系統(tǒng)

程 瑋

（國能準(zhǔn)能集團有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

傳統(tǒng)電鏟在挖掘過程中定位精度低、受天氣情況和氣候條件制約以及過度依賴人力等因素，導(dǎo)致挖掘效率低，勞動強度大。為強化安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理工作，提高安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，規(guī)范露天煤礦電鏟作業(yè)，實施精細化施工，保證安全生產(chǎn)，實現(xiàn)礦山智能化的發(fā)展需求，對電鏟標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)引導(dǎo)系統(tǒng)進行科技創(chuàng)新型研究[1-2]。針對礦山安全生產(chǎn)，構(gòu)建智慧礦山模型，提供更加安全、高效、節(jié)能、綠色的安全生產(chǎn)提供新模式。

1 系統(tǒng)概況

露天礦電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)采用北斗高精度定位、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)針對電鏟數(shù)據(jù)信息和三維坐標(biāo)，依靠數(shù)據(jù)綜合采集管理軟件記錄作業(yè)位置、狀態(tài)、運動軌跡等信息，將各類型數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時回傳至監(jiān)控中心并保存，從而實現(xiàn)生產(chǎn)采掘作業(yè)過程可追溯，完成電鏟可視高度和坡度以及幫齊底平作業(yè)的智能引導(dǎo)功能。解決露天礦電鏟作業(yè)實時高度監(jiān)測和引導(dǎo)問題，為提升作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化提供有力保證。電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)拓撲圖如圖1。

圖1 電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)拓撲圖

2 系統(tǒng)功能

通過安裝北斗高精度接收機，搭載車規(guī)級平板電腦，利用RTK 差分技術(shù)實現(xiàn)電鏟的智能引導(dǎo)功能。系統(tǒng)整體主要包括定位管理功能、電鏟智能引導(dǎo)功能，監(jiān)控及人機交互功能。

2.1 衛(wèi)星定位管理功能

利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS），基于北斗衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)RTK 差分實時定位技術(shù)實現(xiàn)電鏟的定位功能，是系統(tǒng)的核心技術(shù)[3]。RTK 實時定位原理如圖2。

圖2 RTK 實時定位原理

使用2 臺北斗衛(wèi)星接收機A、B，其中1 臺安裝在已知坐標(biāo)的基站處，作業(yè)期間，基站處的接收機連續(xù)跟蹤所有北斗衛(wèi)星，將其測量數(shù)據(jù)實時的傳送給移動站。移動站通過分析基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和采集的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時地計算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度，實現(xiàn)厘米級的定位結(jié)果[4-5]。

2 個接收機A、B 組成1 條基線可確定載體的2個姿態(tài)角，2 個接收機沿載體主軸方向配置，此時可以確定載體的偏航角φ 和俯仰角θ[6]。2 個接收機在安裝好后，相對位置不發(fā)生變化，天線在載體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置基本確定，天線配置原理圖如圖3。

圖3 單基線天線配置原理圖

通過求解載波相位整周模糊度求解2 天線在地心地固坐標(biāo)系中的相對位置，根據(jù)地心地固坐標(biāo)系到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，即可將基線矢量轉(zhuǎn)換到當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系下，則可以確定基線的兩維姿態(tài)角，計算公式如式（1）、式（2）。

式中：xL、yL、zL分別為在坐標(biāo)系L 下接收機B 相對A 的三維坐標(biāo)；φ 為偏航角；θ 為俯仰角。

系統(tǒng)支持全星系、全頻點，實現(xiàn)了中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS），美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）、日本準(zhǔn)天頂QZSS 多系統(tǒng)聯(lián)合定位定向以及單系統(tǒng)定位定向等信息采集[7]。使用RTK 定位精度最高，可達到厘米級。系統(tǒng)不僅保證了定位精度，同時方向精度在4 m基線的情況下達到0.05°，速度精度達到0.03 m/s，慣性導(dǎo)航精度則小于0.05 倍行駛距離。

2.2 電鏟智能引導(dǎo)功能

隨著對工作標(biāo)準(zhǔn)化、正規(guī)化要求的不斷提高，電鏟駕駛員傳統(tǒng)上只能憑經(jīng)驗靠感覺作業(yè)，但弊端尤為突出[8]。通常采掘幫齊依靠頂板參照物，一旦參照物偏移或受其他影響采掘幫面平整度牽連，嚴重影響挖掘操作；其次駕駛員只能依靠電鏟駕駛室物理指針修正俯仰偏差，平盤采掘作業(yè)高差把握不夠精細化。為此需要對挖掘過程進行引導(dǎo)操作，駕駛員根據(jù)后臺設(shè)置的幫齊標(biāo)識線，結(jié)合視圖中電鏟所在位置與“邊幫”差值，適時調(diào)整電鏟采掘方向。作業(yè)范圍一旦超出采掘范圍終端則語音提示，同時參照“高程引導(dǎo)”圖標(biāo)指示，修正采掘平盤高差，從而達到采掘平盤標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)目標(biāo)。電鏟智能引導(dǎo)功能中主要包括精準(zhǔn)高程引導(dǎo)功能、電鏟精準(zhǔn)位置引導(dǎo)功能和電鏟航向引導(dǎo)功能。

1）精準(zhǔn)高程引導(dǎo)功能。首先通過礦山管理人員對作業(yè)標(biāo)高進行遠程或者現(xiàn)場設(shè)定，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定作業(yè)標(biāo)高進行高程引導(dǎo)。利用屏幕通過圖形與文字方式，直觀展示電鏟的作業(yè)指令，顯示提高或降低具體數(shù)值。無需測量人員輔助，采用衛(wèi)星定位技術(shù)，以控制點為基礎(chǔ)，建立露天礦三維施工坐標(biāo)系模型（礦山測量系統(tǒng)保持一致），保證系統(tǒng)在復(fù)雜地形下實現(xiàn)精度在±2 cm 的高程引導(dǎo)。高程引導(dǎo)功能有效減少測量、放樣、打樁、擺放參照物等工作，即可輕松實現(xiàn)采掘面平整作業(yè)。

2）電鏟精準(zhǔn)位置引導(dǎo)功能。根據(jù)電鏟定位信息，實現(xiàn)智能作業(yè)引導(dǎo)功能，在軟件中輸入作業(yè)區(qū)域坐標(biāo)，即可實現(xiàn)管理人員對電鏟進行實時引導(dǎo)、監(jiān)控、管理等工作，保證位置引導(dǎo)精準(zhǔn)。

3）電鏟航向引導(dǎo)功能。在電鏟車載終端界面中，實時顯示設(shè)備三維信息、設(shè)備航向、方位角，并在屏幕中指出正南正北方向，其中方向精度控制在0.05°。

2.3 監(jiān)控及人機交互功能

為了追溯數(shù)據(jù)、簡化操作，通過搭載液晶顯示觸摸屏實現(xiàn)終端界面顯示、電鏟位置監(jiān)控、電鏟交互、電鏟作業(yè)規(guī)劃等功能[9]。系統(tǒng)使用安卓操作系統(tǒng)，4核CPU，2G RAM，16G ROM，可配置多用戶、多管理權(quán)限，支持手機端、電腦端、平板端管理，實現(xiàn)隨時可知曉，隨時可管理。并且將前端回饋的監(jiān)控數(shù)據(jù)以及操作數(shù)據(jù)定制生產(chǎn)Excel 報表，通過格式化臺賬，形成系統(tǒng)管理文案。

1）終端界面信息顯示。以礦山CAD 為底圖的，實現(xiàn)對設(shè)備位置、狀態(tài)、航向的信息顯示。終端界面信息包括衛(wèi)星定位數(shù)量、RTK 差分狀態(tài)、設(shè)備名稱、設(shè)備位置坐標(biāo)、設(shè)備高程、設(shè)備方位角、設(shè)備俯仰角、設(shè)備速度信息、航向信息。

2）電鏟位置監(jiān)控功能。利用礦山CAD 為底圖，將所有電鏟展示在地圖中，形成電鏟分布圖，實時顯示電鏟位置、運動狀態(tài)和工作狀態(tài)等。并且具有對電鏟進行圍欄預(yù)警，速度預(yù)警和超高預(yù)警的功能，同時可以查看電鏟所在平臺運動軌跡的作業(yè)記錄。

3）電鏟交互功能。根據(jù)實際作業(yè)要求后臺可給電鏟終端派發(fā)作業(yè)任務(wù)指令或幫齊引導(dǎo)規(guī)劃，駕駛員確認消息并執(zhí)行操作處理后，便可完成交互任務(wù)并且可追溯或查詢。

4）電鏟作業(yè)規(guī)劃功能。根據(jù)電鏟的工作計劃，提前規(guī)劃出電鏟的工作線路，指導(dǎo)電鏟行進作業(yè)。全面了解電鏟的采掘推進進度，為下一步電鏟調(diào)整及作業(yè)計劃提供可靠依據(jù)。

3 系統(tǒng)配置及調(diào)試

系統(tǒng)配置主要分為機械配置和通訊配置、機械配置是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)條件，通訊配置是保證終端軟件運行通訊正常的關(guān)鍵要素。

1）機械參數(shù)配置及調(diào)試。操作步驟如下：①使用RTK 測量儀器，在差分為“固定”狀態(tài)情況時，分別在電鏟定位天線和電鏟接地面進行點測量，計算定位天線與地面高差值，為電鏟參數(shù)修正做好基礎(chǔ)工作；②系統(tǒng)通過高精度定位定向數(shù)據(jù)，建立電鏟三維動態(tài)模型，利用機械參數(shù)對電鏟交叉軸和鏟尖位置進行精準(zhǔn)定位；③記錄電鏟原地旋轉(zhuǎn)180°的坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，同時計算電鏟中心軸與定位天線之間的偏移差，輸入各項測量參數(shù)和偏移差保證電鏟中心軸坐標(biāo)為中心，并保存電鏟各項參數(shù)，實現(xiàn)對電鏟三維動態(tài)定位和數(shù)據(jù)的上傳與保存。

2）通訊配置及調(diào)試。機械參數(shù)配置完成后，接著對系統(tǒng)進行通訊協(xié)議的配置以及系統(tǒng)坐標(biāo)調(diào)試，具體操作步驟如下：①首先對終端設(shè)備的定位精度以及平面坐標(biāo)系進行校準(zhǔn)，然后選擇TCP 協(xié)議，利用露天礦已建的邊坡監(jiān)測系統(tǒng)參考站作為電鏟智能引導(dǎo)系統(tǒng)的參考站，最后在通訊配置界面輸入IP 地址、通訊端口進行連接，連接成功后可進行差分定位；②通過TCP 協(xié)議連接露天礦自建參考站后，利用數(shù)據(jù)采集綜合管理軟件將定位信息原始數(shù)據(jù)進行解析，獲取高精度定位所需的差分源數(shù)據(jù)，如坐標(biāo)信息及搜星數(shù)、RTK 狀態(tài)、俯仰角和方位角速度等有效參考數(shù)據(jù)；③測量計算不同位置參照點與人工測量的坐標(biāo)偏移量，輸入坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)，選擇與礦區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)一致的解算模型，確保電鏟終端三維定位與礦區(qū)測量一致。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

露天礦電鏟標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)引導(dǎo)系統(tǒng)綜合運用GNSS 實時定位技術(shù)、數(shù)據(jù)綜合采集管理軟件、無線通訊技術(shù)、優(yōu)化程序和高效算法等先進手段，具備如下技術(shù)優(yōu)勢：

1）定位精度高。傳統(tǒng)測量工作繁瑣且受制約：①必須攜帶專業(yè)設(shè)備在現(xiàn)場進行點對點測量；②不能遠程或自動化對位置進行標(biāo)注標(biāo)識；③受工作時間限制做不到24 h 實時監(jiān)測；④測量工作給現(xiàn)場采掘運輸生產(chǎn)帶來影響；⑤受天氣情況和氣候條件制約。系統(tǒng)通過電鏟平臺上安裝的GNSS 定位天線，結(jié)合駕駛室終端平板，能連接露天礦cors 站進行差分定位，即可實現(xiàn)電鏟高精度定位定向功能，相比之下定位范疇廣，硬件設(shè)備智能可靠，并突出24 h 實時定位、數(shù)據(jù)解析、位置上傳、信息存儲等明顯優(yōu)勢。

2）信息全采集可追溯。無論在特殊天氣或者惡劣條件下，通過GNSS 天線每臺電鏟均能實現(xiàn)實時高精定位，設(shè)備信息不間斷更新狀態(tài)，數(shù)據(jù)涵蓋電鏟坐標(biāo)位置，高程信息，采掘方向，行進速度等全方位內(nèi)容，同時通過數(shù)據(jù)綜合采集管理軟件上傳至服務(wù)器，為將來電鏟作業(yè)分析和信息回查提供有力保證。

3）標(biāo)識范圍偏移少。根據(jù)生產(chǎn)計劃，不同平盤的砂巖或煤層進行剝離前，通常情況下需要設(shè)置幫齊參照物，一般采取插旗或者擺放錐形桶等形式，在實地設(shè)置多點一線的參照物。關(guān)鍵工作則需要人工、車輛、器材等物料和準(zhǔn)備工作，在現(xiàn)場進行擺放安置作業(yè)，而在惡劣天氣情況下工作受限且安全隱患多，如遇大風(fēng)或沙塵等情況更容易造成參照物移位或者丟失等情況。電鏟標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)引導(dǎo)系統(tǒng)可根據(jù)實際工作需要，管理員結(jié)合生產(chǎn)采剝計劃，僅測量或標(biāo)繪出采掘范疇的起止點坐標(biāo)，即可在后臺選擇對應(yīng)的電鏟進行配置，輸入起始點位置并保存完成后，發(fā)送至電鏟終端，駕駛員即可依靠終端平板根據(jù)作業(yè)任務(wù)進行邊幫采掘作業(yè)。

5 結(jié)語

介紹了露天礦電鏟高程智能引導(dǎo)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要具有可視化、數(shù)據(jù)分析、控制和、引導(dǎo)等功能，通過衛(wèi)星高精度定位，數(shù)據(jù)綜合采集，實現(xiàn)電鏟標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)動態(tài)引導(dǎo)。系統(tǒng)解決了露天礦電鏟作業(yè)實時高度監(jiān)測和智能引導(dǎo)問題，為規(guī)范露天煤礦電鏟作業(yè)，提升作業(yè)質(zhì)量、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化水平提供了有力保證。