智能調度系統在緬甸萊比塘銅礦項目的應用與研究

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；礦區地理坐標為：北緯22°07'，東經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，采用分區分期開采的技術方式，生產期設計年采剝總量為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，濕法煉銅生產能力為100 kt/a陰極銅，為亞洲第一大銅礦。該項目生產期為33 a，其中投產1 a，達產30 a，減產2 a。

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

2017年前，緬甸萊比塘銅礦項目的現場管理主要是通過手持對講機、由有經驗的管理人員現場協調溝通的方式進行設備調度，這種方式雖然有效，但其具有很多不足與缺陷：

對車輛設備等的狀況、空間位置不了解，調度過程中存在車鏟不匹配；

調度工作量大，耗費的人力、物力較大；

調度指令誤差導致生產消耗及運營成本的增加；

調度時間及周期較長，大型設備聯合作業的效率不能實現最大化；

調度車輛及人員頻繁出入礦坑增加了安全風險；

對設備運行狀態無法實時監控；

數據統計存在誤差和漏洞，不能準確地為生產管理和決策提供可靠的依據。

從2017年開始，萊比塘銅礦項目的工作已進入生產期，采剝生產規模即將達到6 900萬t/a，目前項目部共有鏟裝及輔助設備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，如此多的設備勢必導致生產管理及調度更加復雜和困難。為解決上述問題，提高生產效益，降低生產消耗，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卡車調度系統，目前已建成科學智能的計算機智能調度系統并用于統籌管理現場生產，確保了大規模生產的全局統籌管理、生產實時監控和動態優化調度，以滿足礦山的發展需求。

2 卡車調度系統的基本情況

卡車調度系統通過采用全球衛星定位系統(GPS、北斗等)、計算機及網絡技術、無線數字通訊技術、礦山系統工程及優化理論、地理信息系統技術(GIS)、電子技術等高新技術，對傳統的人工調度系統及管理體制進行了改造，通過采集生成設備動態信息，實時動態監控和優化調度卡車、鏟及主要輔助設備的運行，集成信息化、智能化、社會化的新型現代化智能調度控制系統和全方位的采礦生產管理控制智能化決策平臺。該系統可以實現對礦山數字化、智能化和可視化的管理，為露天礦山的生產管理帶來全新的變革。

該卡車調度系統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、LTE無線通訊系統和全球衛星定位系統；軟件是由丹東東方測控公司研發、用于調度人員進行監控和管理的操作平臺。

2.1 車載智能終端系統

該系統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過程中設備的車速、油量等重要信息。

2.2 服務器系統

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

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

2.3 LTE無線通訊網絡系統

通訊網絡系統是卡車調度系統的信息傳送通道，無論對穩定性還是帶寬都有著嚴格的要求。萊比塘銅礦卡車調度系統首次引進了目前較為先進的LTE無線通信網絡作為系統的數據傳送通道。

LTE網絡相對于以往使用較多的MESH無線網絡具有突出的優點：

(1)高帶寬：具有寬頻、用戶開發數量大的特點，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的拓展。

(2)可單站組網：單基站設備即可實現組網，All in One無線接入系統(含基帶、射頻以及核心網功能)架構簡單，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網絡覆蓋距離可達20 km以上。

(4)高可靠性：基站取消了電路域，取消了無線網絡控制器,結構一體化，可靠性高。

2.4 全球衛星定位系統

定位是卡車調度系統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問題均能迅速切換，從而不影響系統的正常使用。

3 卡車調度系統的工作原理

3.1 調度理論

卡車調度系統是綜合運用計算機技術、 現代通訊技術、全球衛星定位(GPS)技術、系統工程理論和最優化技術等先進手段建立的生產監控、智能調度、生產指揮管理系統,對生產采裝設備、移動運輸設備、卸載點及生產現場進行實時監控和優化管理，優化了卡車運輸,降低了總運距和采裝與運輸設備的等待時間,節能降耗,有效提高了采裝與運輸效率；實現了液壓鏟、卡車、鉆機調度,優化了生產,合理配礦,提高了資源利用率；能夠及時應對生產中出現的突發事件,以實現及時響應生產、及時調整生產和安全生產的目的?？ㄜ囌{度系統通過采用現代高新技術和符合露天礦山生產實際的最優化模型,徹底改變了傳統的生產管理模式,是露天礦山生產管理模式的一場革命。

3.2 系統工作過程

該系統通過自動采集設備狀態、設備位置、自動統計液壓鏟裝車能力、卸點卸載能力、路徑運行時間，得到系統優化技術的數據基礎，再結合人工設定的現場規劃和生產計劃完成優化計算，在優化計算后給出當前條件下的最優調度方案；若不滿意，還可進行人工干預。

4 自動調度系統的算法設計與實施

4.1 概 述

萊比塘銅礦卡車調度系統的主要思路是動態規劃。所謂動態規劃，就是一種用于處理多階段決策問題的數學方法，它可以將復雜的多階段決策問題轉化為一系列比較簡單的最優化問題，特點是優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雜的問題分成彼此相互聯系的若干階段，所形成的每個階段定為一個子問題，待規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”過程。

4.2 調度原則

萊比塘銅礦項目優化調度的準則主要是以提高車鏟運轉效率、達到提高整個礦山產量為主要目標。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為該調度點所屬的液壓鏟總數量；Tti為預計待調度卡車到達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)。

將當前需要調度的卡車派去預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)為預計卡車剩余裝載時間；NC為道路中的卡車數量(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)為卡車從調度點到i號液壓鏟的運行時間；DS(i)為調度地點到液壓鏟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上考慮卡車的運行周期。

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

(6)

4.3 調度算法工作過程

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

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

(2)LP：車流規劃子系統通常以產量最大、出動設備數量最少、運營成本最低等為目標，根據最佳路徑，綜合考慮液壓鏟的能力、卸點能力、汽車的數量、各個運輸環節的統計時間、配礦要求、液壓鏟優先級以及其它生產約束，通過線性規劃，求取各裝、卸點之間的卡車運量分配。

(3)DP：實時動態調度子系統以車流規劃結果為基礎，統籌所有液壓鏟、卸點、重車和空車的實時運行狀態，在滿足生產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 卡車智能調度系統取得的經濟效益和應用前景

卡車智能調度系統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性的怠滯時間，利用計算機軟件合理地調配車輛,充分利用已有的車鏟去提高生產能力，盡量做到車不等鏟，鏟不壓車和欠車，實現車鏟匹配，最大程度地發揮鏟、車的生產能力，從而達到降低生產成本或節省投資費用的目的。一般來講，運用卡車智能調度系統(圖2)，可以使礦山生產能力提高5%左右。

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

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

圖1 派車原理圖

圖2 卡車智能調度系統圖

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)在整個礦山作業范圍內，智能調度系統可以縱觀全局，可以實現實時動態監控，即每一臺設備所在位置、狀態、運行軌跡及速度等在卡車調度中心顯示屏上都一目了然，清清楚楚。礦山主管人員和調度員緊密配合，共同工作，可以及時發現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，并由卡車調度內業人員立刻告知現場(排土場或者堆浸場)管理人員及時監控或者糾正，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。據統計，一次卸料錯誤造成的直接經濟損失達1 000美元。

圖6 NTE260完好率、利用率柱狀圖

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

(4)該系統會隨時監控車輛的運行速度(特別是交班前30 min)?？ㄜ囌{度系統未引進之前，大部分操作手為少拉一車料而在路上低速運行。安裝卡車調系統后，該現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，系統都會對操作手發出警告通知,并對經常性違規的操作手進行教育和再培訓。此項功能為項目增加了280萬t的年采剝產量，也節省了油料費用。

(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生板結，導致浸出率降低，因此，配礦就顯得非常重要。該系統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)卡車調度系統采用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，設備故障在卡車調度終端顯示屏上的狀態信息直觀明了，卡車調度內業人員在第一時間將設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計分析設備故障頻率，重點監控和采取應對策略、措施和手段，有針對性地進行防范和控制，避免造成重大或災難性損失。

(7)卡車調度系統未運行之前均采用人工方法統計數據，但因人為因素產生的失誤或遺漏難以保證報表數據的準確性和可靠性，操作手運載車數記錄統計的方量與現場實際測量統計的方量之間存在差別。設備停運、延誤、備用等記錄統計存在的偏差導致設備的完好率和利用率不準確。安裝卡車調度系統后，該系統能及時、準確地生成各種數據報表，有利于管理者分析數據后采取正確的措施提高生產效率。例如，根據數據分析得知某段道路(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，現場調度和管理人員就會及時針對這些問題進行整改，以提高產量并保證礦車安全、平穩運行。

(8)卡車調度系統能在油料余量為10%～30%范圍內提示操作手去加油，同時也能適時反映各種狀態下的油料消耗指標，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常或降低消耗水平，從而有效控制或降低生產成本。

(9)礦車防碰撞系統：利用GPS、GIS、短距離點對點無線通信和語音智能預警等技術，實現行車防碰撞預警功能，該功能基于提高車輛的主動安全性來實現在行車過程中給操作手提供必要的提醒技術設施，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警車輛的車號、時速及方向等相關信息，從而使操作手有時間提前采取相關措施避免事故的發生。

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

6 該卡車調度系統的運用前景

目前國內采用的是電鏟配卡車進行露天礦山開采作業，許多大型項目都安裝了卡車調度系統。但緬甸由于經濟不發達，雖然有很多礦產資源項目，但這些礦山開采的調度方式都比較落后，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，不能充分發揮大型露天礦采剝設備的優勢、體現最佳經濟效益。通過萊比塘銅礦項目引進卡車智能調度系統及其成功的應用，給項目帶來了一定的經濟和社會效益，勢必影響和改善緬甸礦業發展的格局，并將使卡車調度系統在緬甸及周邊區域得到進一步的推廣和運用。

通過實踐應用得知：卡車智能調度系統可以通過行之有效的技術手段，充分提高大型露天礦山采剝設備的利用率。隨著中國政府“一帶一路”的發展政策和中資企業在全球布局的內生動力雙重作用下，可以相信：在不久的將來,卡車智能調度系統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用和完善。