國(guó)內(nèi)外大型電鏟智能化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)★

王勇澎

（1.太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024；2.礦山采掘裝備及智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 大型電鏟存在的技術(shù)問(wèn)題

大型露天礦用電鏟在露天礦山開(kāi)采系統(tǒng)中承擔(dān)礦巖的“挖掘”和“裝載”兩大重要職能，是露天礦山間斷和半連續(xù)開(kāi)采工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其綜合性能直接決定著整個(gè)礦山開(kāi)采的生產(chǎn)效率。大型電鏟工作對(duì)象和載荷復(fù)雜多變（重載、強(qiáng)沖擊、強(qiáng)振動(dòng)），服役環(huán)境極其惡劣（極寒、高溫、高海拔、高粉塵等），目前大型電鏟主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)操作去挖掘，存在以下問(wèn)題:

1）作業(yè)：效率低、滿斗率低、自動(dòng)化和智能化程度低，受作業(yè)環(huán)境的限制；

2）人機(jī)交互：工人作業(yè)環(huán)境惡劣、操作難度大、工作強(qiáng)度大；

3）節(jié)能環(huán)保：能耗高、能源利用率較低；

4）成本：綜合成本高。

2 國(guó)內(nèi)外智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

智慧礦山的建設(shè)，源于世界能源科技的發(fā)展趨勢(shì)和我國(guó)能源結(jié)構(gòu)升級(jí)調(diào)整的需要。

2.1 國(guó)外智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，瑞典、芬蘭、澳大利亞、加拿大等國(guó)先后制定了“智能化礦山”和“無(wú)人化礦山”發(fā)展規(guī)劃。礦業(yè)巨頭力拓集團(tuán)2008年啟動(dòng)在澳大利亞建全球首個(gè)“智能礦山”項(xiàng)目，由機(jī)器人、無(wú)人駕駛礦車、無(wú)人鉆機(jī)、無(wú)人推土機(jī)和無(wú)人運(yùn)貨火車的智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組成。小松的無(wú)人運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)在澳大利亞、南美、北美的6座礦山應(yīng)用，車輛總數(shù)超過(guò)100臺(tái)。

2.2 國(guó)內(nèi)智慧礦山發(fā)展現(xiàn)狀

2016年，我國(guó)發(fā)布了《全國(guó)礦產(chǎn)資源規(guī)劃（2016—2020）》，明確提出要大力推進(jìn)礦業(yè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新，加快建設(shè)自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化礦山，大力發(fā)展“互聯(lián)網(wǎng)+礦業(yè)”[1]。我國(guó)第一部以“智慧礦山”命名的技術(shù)規(guī)范《智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 34679—2017）于2018年5月1日起開(kāi)始實(shí)施，標(biāo)志著智慧礦山的建設(shè)開(kāi)始落地推廣。

目前，國(guó)家能源集團(tuán)、中煤集團(tuán)、華能集團(tuán)、鞍鋼礦業(yè)，江西銅業(yè)等數(shù)十家礦業(yè)公司先后提出了建設(shè)“智慧礦山”的發(fā)展戰(zhàn)略，其中鞍鋼礦業(yè)智慧礦山建設(shè)規(guī)劃如圖1所示，積極部署5G+無(wú)人駕駛的應(yīng)用，多個(gè)露天礦山正在開(kāi)始無(wú)人建設(shè)礦車測(cè)試。

圖1 鞍鋼礦業(yè)智慧礦山建設(shè)規(guī)劃

因此急需提高與礦車配套使用的電鏟的自動(dòng)化、信息化和智能化水平，以滿足國(guó)內(nèi)外各大礦山建設(shè)智慧礦山的需求[2]。目前全世界生產(chǎn)大型電鏟的制造商成三足鼎立之勢(shì)，分別是小松（收購(gòu)P&H）、卡特彼勒和我國(guó)太原重工，其中太重研制的大型電鏟如下頁(yè)圖2所示。

圖2 太重研制的WK-55電鏟作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

3 國(guó)外電鏟智能化發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的用戶反饋及優(yōu)化改進(jìn)，電鏟各部件結(jié)構(gòu)已基本成熟和固定，為進(jìn)一步提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和滿足用戶更高需求，近年來(lái)國(guó)外小松（收購(gòu)P&H）和卡特彼勒都加大了電鏟的智能化研究，以不斷提升電鏟綜合性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3.1 自適應(yīng)控制系統(tǒng)

通過(guò)優(yōu)化挖掘周期不同階段的電鏟各機(jī)構(gòu)力矩和速度，改進(jìn)電鏟控制系統(tǒng)。在挖掘過(guò)程中通過(guò)靈活控制推壓和收回斗桿，從而減小挖掘阻力，減少了平均57%的沖擊和頂起起重臂情況，提高電鏟挖掘效率，同時(shí)減輕操作對(duì)機(jī)器的不良影響[3]。

3.2 遠(yuǎn)程健康管理系統(tǒng)

給用戶及時(shí)、高效的提供設(shè)備的主電源、電機(jī)軸承溫度、制動(dòng)器等關(guān)鍵狀態(tài)信息，同時(shí)統(tǒng)計(jì)設(shè)備的生產(chǎn)力、利用率、停機(jī)時(shí)間、設(shè)備警告等信息，方便用戶優(yōu)化生產(chǎn)和可靠性維護(hù)策略，提高產(chǎn)品可靠性、生產(chǎn)效率和盈利能力[4]。

3.3 通用電鏟接口

可以與礦山管理系統(tǒng)中發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，包括給礦方提供電鏟GPS位置信息、挖掘產(chǎn)量、電鏟行走啟停、故障信息等。礦山管理系統(tǒng)給電鏟合理分配礦車，方便礦山進(jìn)行信息化管理，提高礦山各個(gè)設(shè)備利用率，從而提高開(kāi)采效率。

3.4 挖掘過(guò)程智能化研究

小松和卡特彼勒都在開(kāi)展大型電鏟挖掘過(guò)程智能化研究。小松正在開(kāi)展的研究?jī)?nèi)容包括地貌掃描（如圖3所示）、鏟車對(duì)位和自動(dòng)裝載；卡特彼勒采用1∶7電鏟實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開(kāi)展入鏟點(diǎn)、滿斗率檢測(cè)以及料堆形狀的變化等研究。

圖3 小松使用激光雷達(dá)進(jìn)行地貌掃描研究

4 國(guó)內(nèi)電鏟信息化和智能化發(fā)展現(xiàn)狀

4.1 自適應(yīng)智能輔助挖掘

針對(duì)料堆內(nèi)部礦巖形態(tài)復(fù)雜多變，為提高挖掘效率，減少挖掘過(guò)程突變重載對(duì)電鏟自身機(jī)構(gòu)的損壞，自主研制出了適應(yīng)多變載荷的自適應(yīng)智能輔助挖掘系統(tǒng)，自主決策調(diào)整推壓及提升機(jī)構(gòu)力矩，形成與料堆內(nèi)暗藏礦巖形狀相符合的自適應(yīng)挖掘軌跡，實(shí)現(xiàn)連貫、平穩(wěn)、高效挖掘。

4.2 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

不斷開(kāi)發(fā)并完善了各機(jī)構(gòu)減速機(jī)在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)、制動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵部位的軸承和銅套溫度監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵零部件磨損監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵點(diǎn)潤(rùn)滑監(jiān)控、空壓機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保故障發(fā)生之前可以進(jìn)行預(yù)判。

4.3 設(shè)備健康管理系統(tǒng)

通過(guò)挖掘機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)積累構(gòu)建專家知識(shí)庫(kù)和故障模式庫(kù)，形成設(shè)備自主健康管理診斷系統(tǒng)，包括本地健康診斷（故障自診斷）和遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)（故障預(yù)判）兩大部分。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障自診斷和預(yù)警、預(yù)防性維護(hù)、主動(dòng)推薦保養(yǎng)管理、運(yùn)維管理等功能。

4.4 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)了鏟斗中物料在線稱量系統(tǒng)，可獲取挖掘機(jī)每斗挖掘重量，最終實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)。同時(shí)實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)間、電能消耗管理和潤(rùn)滑油量消耗，傳輸給礦山管理中心，方便用戶統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量和計(jì)算運(yùn)維成本。

4.5 安全防護(hù)系統(tǒng)

為了保障設(shè)備的安全運(yùn)行，針對(duì)電鏟結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了工作面傾角預(yù)緊、斗桿—起重臂防碰撞、鏟斗—履帶板防碰撞、預(yù)防起重臂頂起和軟著陸等安全防護(hù)系統(tǒng)，確保電鏟及工作裝置在最優(yōu)安全區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備安全運(yùn)行控制，極大程度上減小了設(shè)備的損壞，提高使用壽命。

4.6 監(jiān)控系統(tǒng)

包括盲區(qū)監(jiān)控，智能斗齒識(shí)別和司機(jī)操作行為監(jiān)控等系統(tǒng)。為了防止在回轉(zhuǎn)作業(yè)和行走過(guò)程中和礦山其他設(shè)備發(fā)生碰撞，特開(kāi)發(fā)盲區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)，可幫助司機(jī)觀察到電鏟左右兩側(cè)、后側(cè)及機(jī)棚內(nèi)部的狀況。智能斗齒識(shí)別系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)到鏟斗斗齒的磨損程度和是否掉落[5]。司機(jī)操作行為監(jiān)控系統(tǒng)可幫助礦山管理層更好地評(píng)價(jià)司機(jī)操作是否規(guī)范，減少因操作導(dǎo)致的安全事故。

4.7 開(kāi)發(fā)了電鏟服務(wù)云平臺(tái)、車載終端云平臺(tái)和手機(jī)APP

服務(wù)云平臺(tái)包括電鏟各機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行數(shù)據(jù)管理、大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、故障報(bào)警和備件管理等信息，針對(duì)用戶、廠家及售后服務(wù)人員用不同查看權(quán)限，結(jié)合車載終端和手機(jī)APP可以更方便地對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)[6]。

5 電鏟信息化和智能化發(fā)展趨勢(shì)

結(jié)合新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，將數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)在大型電鏟上應(yīng)用，未來(lái)大型電鏟智能化方面會(huì)有如下發(fā)展趨勢(shì)：

1）電鏟信息化和智能化水平進(jìn)一步提高。隨著各項(xiàng)新技術(shù)和傳感器的應(yīng)用日趨成熟，開(kāi)發(fā)出更加全面的電鏟智能化控制和管理系統(tǒng)，提高產(chǎn)品綜合性能，方便用戶對(duì)電鏟進(jìn)行更好的信息化管理。

2）實(shí)現(xiàn)電鏟遠(yuǎn)程操作，基于目前電鏟已實(shí)現(xiàn)的智能化功能，采用5G通訊技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套遠(yuǎn)程操作平臺(tái)，將實(shí)現(xiàn)電鏟遠(yuǎn)程操作，大大改善司機(jī)的作業(yè)環(huán)境，同時(shí)可解決礦山招工難等問(wèn)題。

3）實(shí)現(xiàn)電鏟無(wú)人操作是智能化發(fā)展的最終目標(biāo)。目前該技術(shù)還處于剛剛起步的研究階段，國(guó)家煤礦安監(jiān)局發(fā)布的《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》（2019年1號(hào)文件）中明確提出：最終要實(shí)現(xiàn)露天電鏟作業(yè)智能化和無(wú)人化[7]。攻克電鏟定位/定姿、環(huán)境感知、自主分析和決策、多機(jī)構(gòu)協(xié)同控制和自動(dòng)裝載等系統(tǒng)，最終通過(guò)機(jī)器深度學(xué)習(xí)，周圍環(huán)境自適應(yīng)和多機(jī)構(gòu)精中控制，實(shí)現(xiàn)電鏟無(wú)人化作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

智慧礦山高效、智能開(kāi)采的需求和人工智能、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及多傳感技術(shù)在礦山裝備領(lǐng)域的集成應(yīng)用，必將提高電鏟全方位狀態(tài)監(jiān)測(cè)、較好的自主檢測(cè)修復(fù)能力、高效的開(kāi)采能力和極佳的無(wú)人化作業(yè)水平，引領(lǐng)世界露天采礦裝備的發(fā)展，推動(dòng)露天礦山安全、高效、綠色、智能開(kāi)采。