基于BDS 的露天礦鉆機定位與導航系統(tǒng)研究

何 帥，吳 晶，趙 力

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122；3.撫順市技術創(chuàng)新研究院，遼寧 撫順 113006）

露天煤礦智能化[1－2]的發(fā)展從2020 年開始，進入了快速發(fā)展的時期，到目前為止，國內各大露天礦山以專業(yè)化的管理模式開展并不斷完善礦山的智能化建設，從基礎網絡建設到各個生產環(huán)節(jié)的安全管控綜合信息化系統(tǒng)建設，均取得了長足的進步，這些智能化系統(tǒng)的建設也在企業(yè)集團化運作、集約化經營、精細化管理方面發(fā)揮了重要的作用。露天煤礦智能化從建設架構上一般由基礎信息設施建設、礦山設計智能化、智能穿爆、礦山工藝智能化、智能輔助、智能管理與決策和智能化園區(qū)組成[3－4]。其中智能穿爆主要是針對生產過程中的穿鑿和爆破環(huán)節(jié)進行智能化建設，主要涉及的設備有鉆機和裝藥車，對鉆機能夠進行實時監(jiān)測控制[5－6]，實現智能定位和穿孔，對裝藥車實現自主尋孔和自主裝藥等。

目前我國露天礦山爆破一般采用牙輪鉆機，傳統(tǒng)的布孔方式是技術人員利用全站儀或者GPS 進行孔位的人工放樣，對鉆孔點位利用石塊、油漆等標記物進行標記，由于現場條件的限制，作業(yè)范圍有限，對鉆孔點位的精度誤差也會有傳導，布孔效率低下。鉆機在作業(yè)過程中由主副鉆機駕駛員通過孔位標記物配合鉆機引導至目標孔位，遇到雨雪天氣會破壞標記物的位置，對布孔精度造成影響，鉆機駕駛員的作業(yè)效率也不高。傳統(tǒng)布孔方式定位精度影響穿區(qū)孔位間的行距和孔距，距離過大容易產生大塊，距離過小容易產生飛石，從而影響爆破的質量和效果，給采裝環(huán)節(jié)帶來麻煩。

隨著定位和通訊技術的發(fā)展，通過實時差分定位獲得厘米級別的定位精度，能夠滿足鉆機實時尋孔的需要[7]。BDS 是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)[8]，也是繼GPS、GLONASS 之后的第3 個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。利用BDS 進行鉆機定位與導航系統(tǒng)的研究，既能實時監(jiān)控鉆機的位置、指導鉆機駕駛員操作從而提升穿孔效率和爆破效果，又符合系統(tǒng)國產化的要求，避免運用國外定位技術造成的困擾。

1 系統(tǒng)架構及組成

露天礦鉆機定位與導航系統(tǒng)通過對鉆機的位置、狀態(tài)、孔位、孔深等信息的采集，實現對鉆機運行、打孔過程的實時跟蹤與顯示，及時準確地查詢統(tǒng)計生產情況，由此能夠快速根據布孔參數形成作業(yè)計劃，達到提高穿爆作業(yè)效率目的。系統(tǒng)的整體架構如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體架構

系統(tǒng)的整體架構由感知層、傳輸層、平臺層和應用層組成。感知層對鉆機參數、狀態(tài)、孔深等數據進行采集，形成數據基礎；傳輸層是數據傳遞的橋梁，實時將鉆機的采集信息進行通信傳輸并能夠融入礦區(qū)基礎網絡；平臺層是系統(tǒng)軟件應用的基礎，利用平臺服務為應用層提供基礎；應用層主要是對智能穿爆在信息化管理需求上的呈現。而平臺層2 可分為3 個部分：①網絡平臺負責鉆機設備的接入工作；②計算平臺負責數據的存儲、分析、計算和基礎服務；③技術平臺負責技術支撐，包括GIS 平臺、實時數據綜合服務平臺、后端即服務平臺、BI 及報表工具、礦山大數據分析平臺。

系統(tǒng)一般由車載定位終端、高精度差分基站、無線網絡傳輸、監(jiān)控中心4 部分組成。車載定位終端負責接收BDS 信息實時解算坐標位置進行自動導航，并將位置、狀態(tài)、打孔過程等相關信息發(fā)回監(jiān)控中心。高精度差分基站負責提供差分數據。無線網絡傳輸是數據傳輸的媒介，終端與監(jiān)控中心的交互、差分信息的傳輸均是在無線網絡環(huán)境下完成的。監(jiān)控中心是系統(tǒng)的大腦，負責布孔計劃的生成和下發(fā)，實時監(jiān)控鉆機作業(yè)過程，掌握鉆機駕駛員的作業(yè)效率及對數據進行存儲和分析。

2 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)功能包括定位導航、顯示、基礎信息管理、查詢統(tǒng)計，系統(tǒng)功能結構如圖2。

圖2 系統(tǒng)功能結構圖

1）定位與導航功能。定位功能是根據實時獲取的BDS 原始數據進行解析和差分處理，得到高精度的平面坐標和高程坐標。導航功能結合穿區(qū)的布孔計劃，根據坐標實時計算當前位置與目標孔位的距離和方向，通過文字和語音提示鉆機駕駛員正確的操作鉆機行駛到目標孔位。同時導航的功能也包括按設計孔深指導鉆機駕駛員在實時鉆進。

2）顯示功能。該功能分為終端顯示和監(jiān)控中心顯示。終端顯示以穿區(qū)布孔計劃為底圖，孔位按未完成、已完成、棄孔等方式用不同的顏色進行區(qū)分，將鉆機以示意圖的形式顯示在底圖上，通過BDS 高精度定位天線實時計算鉆桿的位置、鉆機的方向等，示意圖按坐標和方向數據進行實時更新顯示。監(jiān)控中心顯示以礦區(qū)地形圖為底圖，以圖標的方式顯示鉆機所處的實際位置，通過圖標顏色區(qū)分鉆機的狀態(tài)。

3）基礎信息管理功能。基礎信息包括流水信息、檔案信息、計劃信息。流水信息是指鉆機按班次存儲的車載終端實時上傳的狀態(tài)信息。檔案信息包括鉆機號、型號、生產廠家、能力、孔徑、鉆機駕駛員、崗位等信息。計劃信息是指鉆機的年度、月度的作業(yè)量計劃。這一功能對應的每一個分支均具有增刪改查的基本操作。

4）查詢與統(tǒng)計功能。主要是對作業(yè)結果的展示：①鉆機運行：即每個班次鉆機的作業(yè)時間、作業(yè)量、作業(yè)效率；②生產回放：即每個班次鉆機的運行軌跡查看；③進米查詢：即鉆機不同時間的進米情況，按物料種類統(tǒng)計的煤進米和巖進米；④臺時查詢：即以表格和曲線的方式查詢鉆機不同時間段的作業(yè)效率；⑤生產日報：即以表格的形式顯示鉆機的日完成進米，并對月度完成情況、年度完成情況進行統(tǒng)計，同時對每個鉆機的作業(yè)效率進行匯總。

3 關鍵技術

3.1 BDS 基本觀測模型

獲取高精度定位數據的主要方法是使用差分定位技術。載波相位差分[9-10]是使用最多的差分技術，可實現厘米級定位，載波相位差分通過將衛(wèi)星載波相位與分站震蕩產生的相位差與載波波長相乘，結合多個衛(wèi)星的觀測值，構建方程組，求解位置坐標，可以減少一定的誤差。BDS 的載波相位觀測方程：

在系統(tǒng)的研究中，需要利用載波相位差分模型獲取車載終端的高精度定位數據，一般分2 個步驟：①差分數據的獲取，可以通過無線傳輸網絡獲得基準站廣播的信息，也可以通過訪問CORS 站服務器獲得；②差分數據獲取后與車載終端定位模塊的原始載波觀測信息結合進行解算，來獲得鉆機的實際位置和高程信息，通過串口通訊協議，按固定的BDS通訊協議對差分后的數據進行解析。

3.2 鉆桿坐標的計算模型

由于鉆桿位置無法直接安放高精度定位天線，需要通過前方交會的方式計算出鉆桿坐標，將2 個高精度定位天線置于鉆機的駕駛室頂部?？紤]計算精度，盡量使天線間距大一些。鉆機天線示意圖如圖3。

圖3 鉆機天線示意圖

點A、B 為2 個定位天線的位置，三邊邊長分別為a、b、c，AB 與BC 的夾角為θ，αAC為AC方向的方位角，αAB為AB方向的方位角。通過差分計算能實時獲取A、B 這2 點的坐標數據，則C 點的位置可以由式（2）得：

式中：xc、yc為C 點的坐標；xA、yA為A 點的坐標；b 為A、C 2 點間的距離；αAC為AC方向的方位角；αAB為AB方向的方位角；θ 為AB 與BC 的夾角。

4 現場試驗及精度分析

系統(tǒng)通過內部測試后，結合現場實際應用對定位與導航精度進行了驗證，系統(tǒng)試驗地點位于國內某露天礦山，鉆機型號為YZ－35C 牙輪鉆機，布孔計劃采用位于1120 穿區(qū)的完整計劃，要求鉆機駕駛員完全依照布孔計劃按系統(tǒng)導航和定位進行尋孔和打孔作業(yè)，數據采樣間隔為1 s，經過1 d 的作業(yè)，鉆機完成31 個鉆孔的尋孔和打孔工作。

通過對31 個鉆孔坐標位置及孔深數據的分析，平面誤差小于±0.1 m，孔深誤差小于±0.1 m，符合爆破設計要求。x方向誤差分析如圖4，y方向誤差分析如圖5，z方向誤差分析如圖6。

圖4 x方向誤差分析

圖5 y方向誤差分析

圖6 z方向誤差分析

5 結語

露天礦鉆機定位與導航系統(tǒng)能夠用BDS 定位技術實現平面和孔深的高精度數據獲取，定位精度滿足現場實際需要，無論是平面還是高程精度均能達到厘米級。系統(tǒng)提高了鉆機駕駛員的作業(yè)效率10%以上。孔深可視化有助于鉆機駕駛員實時掌握鉆機的作業(yè)量，快速完成尋孔工作，減少了不合格孔數量。提高了鉆機駕駛員的安全駕駛意識，可防止鉆機駛出預設的邊界線，保障了生產安全。豐富的數據查詢和統(tǒng)計手段，使礦山穿孔作業(yè)管理信息化，降低了統(tǒng)計人員的工作強度，提升了數據分析效率。