基于GPS 的露天煤礦自動化生產管理系統

宋 洋

（中煤科工集團沈陽設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

露天煤礦生產系統是一個多設備、多環節的系統，流程十分復雜。在需要大型卡車運輸的露天礦中，卡車數量一般為幾十臺，有的煤礦甚至達到上百臺。合理地調配和管理這些大型生產設備，是確保露天礦高效、低成本運行的關鍵。將自動化技術（即自動控制原理）應用于露天礦生產中，科學地調配管理和指揮生產，實現生產調配管理的自動化是露天煤礦的必然發展趨勢。

王旭光[1]根據傳統調度系統所存在的問題，引出了自動化調度指揮系統的作用及優勢。白潤才[2]等人通過研究煤礦自動化調度系統，開發出一套新的煤礦卡車調度系統。楊春紅[3]利用互聯網技術，實時監測露天煤礦生產現場的照明、噪音、溫度、濕度等各項數據。高淑娟[4]等人將生產自動化調度系統運用到安家嶺煤礦，對數據以數字的形式進行傳輸。吳鳳東[5]等人研究并開發出自動化調度系統，可監測到電鏟采裝和車輛運行的全部過程。田宴銘[6]經過對自動化技術在煤礦生產中運用的分析，詮釋了自動化技術在煤礦開采過程中的應用步驟。劉延安[7]等人研究了國外露天煤礦自動化生產系統的發展歷史，如卡車調度模型的線性規劃法。

1 自動化生產調度管理

自動化生產調度管理是一個包含了信息的采集、處理、傳輸，并生成一個決策的過程[8]。這是1 個周期過程，屬于自動化管理系統的一部分，也是自動控制系統的一部分。該系統通過對設備的調度，使得各個設備得以長期高效化運營。運用最少量的作業設備，使產量達到原計劃的要求，運用確定數量的作業設備，保證系統產量能夠最大化。

露天煤礦的開采工藝過程十分復雜，需要多種不同的設備共同作業。要實現露天煤礦生產系統的自動化，必須解決各環節生產設備（挖掘機、運輸卡車等）的實時定位問題。建立1 個基于GPS 的露天煤礦自動化生產管理系統，是實現生產管理自動化的最佳途徑。

基于GPS 的露天礦的自動化生產管理系統，主要由4 部分組成，包括無線通訊GPS 系統、車載終端、總調度中心、設備軟件。露天礦的GPS 自動化生產管理系統還可劃分為6 個子系統，包括調度中心、無線通訊、車載終端、加油車視頻監控、語音模式通訊、屏幕顯示終端[9]。

1）無線通訊GPS 系統。無線通訊GPS 系統需要在卡車和電鏟上安裝定位器（發射GPS 信號對卡車進行定位）、電臺（與調度中心進行網絡通訊）、單片機（對采集來的數據進行分析與處理）等。

2）車載終端。車載終端的作用是方便工作人員了解現場的情況，由車載計算機和車載顯示器2 部分組成。其中車載計算機具有數據儲存和計算功能，車載顯示器具有顯示現場實時數據和車輛實時位置等功能。

3）總調度中心。調度中心軟件由采集現場數據、分析現場數據、傳遞監測數據、顯示現場狀態、移動終端通訊、優化調度指令、發布調度指令、生成數據報表、安全故障排查等部分構成。

4）設備軟件。收集從運輸卡車和采煤電鏟等部件檢測到的實時數據，傳遞給總調度中心，結合實時數據，經分析計算出最優調度方案，發布調度指令，及時回傳給卡車和電鏟，控制二者的運行。并將運行狀態通過顯示器實時反饋給相關人員[10]。

2 露天煤礦生產調度理論及模型

露天煤礦生產調度理論指在滿足一定的物理和經濟約束下，確定煤礦的開采順序，以實現經濟效益的最大化[11]。建立1 個數學模型是解決露天礦生產調度問題的基本方法。可以實現問題轉化，將確定煤礦開采順序就轉化為確定模型的開采順序。

2.1 運輸網絡模型

1）網絡模型的構成。將運輸卡車的行進線路按屬性劃分為為不同的線段，不同的的行進線路經此簡化，構成一個網絡系統。網絡模型的建立，需要確定每班計劃中的裝載位置和卸載位置，即收放點。將這些收放點看做新的節點，與行進路線的基本網絡連接在一起，構成道路網絡系統模型。接著按照最短路徑的原則，根據每個采掘點物料的最終去向，確定模型中的最佳路徑。

2）道路網絡的建立。建立道路網絡模型，一個基本網絡是必不可少的。將運輸卡車行進線路簡化為道路網絡，并給不同節點和線路賦予各自的編號。線路節點就是道路網絡的節點，線路段就是道路網絡的線段，線路長度就是加權值。道路網絡包括線路節點和線路長度2 大元素。線路節點包含編號、位置、類型等屬性，線路長度包含編號、長度、時間、類型、半徑、坡度等屬性[12]。

2.2 自動化調度準則

2.2.1 最小化準則

1）將待命卡車分配給可以最早裝車的電鏟，實現裝車時間最小化。

式中：i*為電鏟號；Tti為卡車到達第i 號電鏟的時刻；Tsi為第i 號電鏟將煤裝完卡車的時刻；Nl為鏟煤區域的電鏟數。

2）將待命卡車分配給等待時間最短的電鏟，實現電鏟等待時長最小化。

3）將待命卡車分配給等待時間最長的電鏟，實現卡車等待時長最小化。

2.2.2 最優化準則

先進行以貨流規劃及路徑優化，使貨物運輸路線更加合理。再用動態規劃法，將卡車派往當時貨運需求最大的地點[13]。

1）方差法。由一系列整數來確定電鏟位置及產量，分別算出電鏟等待時長和卡車等待時長，求二者的出方差和，取方差和最小值。

2）比率法。將待命卡車分配給實時完成的產量與計劃完成的產量比率最小的那個電鏟，實現生產效率最大化。

式中：x′i為第i 號電鏟當前已完成的產量，t；xi為第i 號電鏟計劃完成的產量，t。

2.3 卡車調度動態規劃模型

2.3.1 卡車調度算法的要求

1）按照運行時間和等待時間最短這一準則，得出最優解。以此調派卡車，并盡量選用貨流規劃模型中最優的行車路線，使產量最大化，使設備的生產效率最大化。

2）卡車調度算法應能對外界環境做出反應，具有根據實際情況隨機應變的能力。根據比值方差最小化調度準則，建立卡車最優運行路徑調度模型[14]。

2.3.2 實時低產線路的確定

低產線路即當前實際產量低于目標產量的線路。各線路上的規劃產量完成程度用下式表示：

式中：i 為裝載點；j 為卸載點；Rij為從i 點到j點這條路線的實際產量完成比率，%；qij為從i 點到j 點這一線路的當前實際產量，t；Qij為從i 點到j 點這一線路的目標產量，t。

在確定低產路線時，需要確定一個目標值作為判斷標準。可將產量的平均值作為目標值來評價各路線產量的完成程度，可如下表示：

式中：R 為產量完成比率的平均值，%；n 為裝載點數；m 為卸載點數。

當前電鏟線路的產量與目標值的偏差為：

式中：dij為電鏟線路的產量與目標值的偏差度，%。

由此可以確定，dij＜0 的線路被確定為低產線路，應分配卡車。反之dij≥0 的線路不是低產線路，則不需分配卡車。

2.3.3 電鏟所需卡車數的確定

1）當前低產線路所需的噸位數應滿足：

式中：q′ij為低產線路所需的噸位數，t。

2）低產線路所需卡車數目與卡車載重噸位有關，可選擇載重量較大的卡車噸位為基本卡車噸位。則每個低產線路所需的卡車數為：

式中：Mij為該低產線路所需要的卡車數；c 為基本卡車的噸位，t。

所有低產線路所需要卡車總數可由下式確定：

式中：N 為所有低產線路所需要卡車總數；NCi第i 號電鏟所需的卡車數。

2.3.4 可供分配卡車數

當前待命卡車數、位于卸載點等待卸載的卡車數、正在向卸載點行駛的卡車數三者之和即為可供分配卡車數。可供分配卡車數不應少于電鏟所需的卡車數。

2.3.5 卡車分配準則

按照累計完成產量與目標產量的偏差最小這一準則，k 號卡車與電鏟i 所需要的等待時間為：

式中：TQik為將k 號卡車分配給i 號電鏟所需要的等待時長，s；tzi為電鏟i 的裝車時間的平均值，s；Ni為位于電鏟i 的卡車數；n 為正在前往電鏟i 的卡車數；tk為k 號卡車到達卸載點的行駛時長，位于卸載點的卡車tk=0 s；dj為卡車在卸載點j 處的等待時長，正在卸載的卡車dj=0 s；tj為卡車在卸載點j 的平均卸車時長，s；tij為卡車從卸載點j 到電鏟i 預計的行駛時長，s。

2.3.6 卡車優化調度模型

為實現卡車與電鏟等待總時長最短這一目標，可建立如下模型，得到卡車調度最優解：

式中：TD為卡車電鏟組合的等待總時長，s；TQik為k 號卡車與電鏟i 所需要的等待時長，s；Xik為卡車k 與電鏟i 的對應組合數，組；Sk為卡車k 號的供應量；Di為電鏟i 號的當前的需車數；l 為可供卡車數；n 為需車電鏟數。

因為Sk=1 輛且Di=0 輛，所以當卡車k 號已分配給電鏟i 號時，Xik=1 組，否則Xik=0 組。

3 自動化生產管理系統的實際應用

1）生產調度系統的應用。1979 年，霍林河一號露天礦于開始建設，具有300 萬t 生產能力的一期工程在1984 年投產。霍林河一號露天煤礦劃分為南露天礦和北露天礦，南露天礦位于一號礦區南部，屬于一個比較大型的煤礦。現考察自動化生產管理系統在霍林河南露天煤礦的實際應用。已經形成了1套完備的自動化生產調度管理模式，設備比較先進。生產管理系統具有對卡車的GPS 定位功能，實時檢測設備數據，將數據傳輸送至電腦。電腦根據軟件，通過顯示器向工作人員發布信息，通過傳輸設備給卡車發送指令。若卡車、電鏟等設備出現故障，通訊終端會及時向調度中心報告。

2）生產調度系統的作用。霍林河南露天煤礦的生產線上，一輛輛貨運卡車根據電腦的調度，駛向系統為其分配的電鏟。到達電鏟位置處以后，進行煤礦裝載、煤礦運輸、煤礦卸載、返回電鏟，形成生產周期。此生產系統一直處于高效運行之中，提高了卡車和電鏟使用效率，使卡車排隊時間最短，電鏟待裝時間最短。在此系統的運營下，霍林河南露天煤礦的生產周期有效縮短，煤礦產量有效提高。導致成本顯著下降，效率顯著提高，利潤高度提升，為該礦帶來了極高的收入與效益。

4 結語

1）設計出露天煤礦自動化生產調度管理系統。露天礦卡車自動化調度包括3 個部分：最佳路線的確定、車流規劃、實時調度。

2）建立了卡車實時調度動態規劃模型。在露天礦卡車自動化調度理論的基礎上，根據露天煤礦的實際情況，合理的建立模型，在目標函數約束條件下，構建基于GPS 的自動化生產調度管理系統。

3）將自動化生產調度管理系統應用于霍林河南露天煤礦。該系統可以指導霍林河南露天煤礦的生產，使管理方式更加合理。提高裝運卸等各個環節的效率，縮短運距，節約了生產時間，降低了運輸成本，提高了企業收益。