礦山開采環節電氣自動化技術的應用策略
——以傳感技術為例

郭潤梅

（蘭州石化職業技術大學，甘肅 蘭州 730207）

傳感器技術已經廣泛應用于礦山開采領域，包括在自動化和遠程操作等應用領域，以及用于控制和優化數據分析。本文的討論范圍是確定和呈現將在未來十年內實現的可行的傳感技術。它包括對目前現有的傳感系統的舉例分析，以及對未來的礦山開采傳感前景的概述。本文概述了目前礦山開采中的主要傳感應用，包括支持它們的技術和方法，以及可以增強這些應用的發展可能性，包括定位和跟蹤﹑成像﹑三維測距和測繪﹑礦石成分分析﹑勘探等。最后，本文介紹了在礦山開采中應用的傳感技術的展望，確定了在礦山開采中所需要的關鍵傳感技術。以下首先介紹傳感技術在礦山開采中的應用策略。

1 定位和跟蹤技術

如今，各種傳感器技術一般涉及到相對和絕對位置的檢測﹑跟蹤和通信，但也涉及到車輛﹑設備和其他資源的位置情況等。在礦山開采領域，這些技術主要涉及無人駕駛汽車控制﹑設備的遠程操作﹑資產管理和跟蹤﹑現場安全和人員定位。這類傳感器系統的主要類型是衛星(GPS)和地面（基于無線電頻率的）定位系統﹑航跡推算系統（基于慣性傳感器的位置跟蹤）﹑信標傳感器和標記技術。

1.1 無人駕駛技術

礦山開采業已經使用無人駕駛汽車多年，以降低運輸成本和安全考慮。局部傳感和控制等電氣自動化技術為車輛提供了更多的自主性。車輛可以連續運行，并具有各種支持的功能，如路線和位置優化﹑避免碰撞和維護控制等。另外，諸如實時跟蹤﹑調度﹑分配和生產力管理等功能也正在成為傳感技術中可行的方案。

這一領域的發展主要源于先進的乘用車駕駛輔助系統的快速發展。這些系統提供了越來越多的功能，包括導航﹑避免碰撞﹑停車輔助和自動停車﹑變道輔助和自適應巡航控制。由于各種要求，這些系統還集成了超聲波和激光雷達傳感器。礦山開采自動化預計將受益于這些系統在汽車市場上的成本降低。其結果將是汽車自動化的傳感器數據更豐富的組合，以及更精確和可靠的控制。

1.2 射頻定位

全球實時定位幾十年來一直為礦山開采領域的定位和跟蹤發揮了巨大的作用。地面接收器可以從來自四個或更多已知位置的衛星的已知代碼序列中確定具體位置，利用同步確定的飛行時間﹑傳輸時間和衛星位置來同步確定其位置。目前正在使用的主要系統是GPS，系統能夠提供約5米的范圍精度。目前，這一系統正變得越來越精確，主要是通過在固定的位置使用二級接收器。這種混合系統的一個商業例子是在大多數智能手機產品中發現的輔助GPS服務。此外，中國的北斗系統和歐洲的伽利略系統預計將提供厘米級的絕對定位來作為一種商業服務供大眾使用。

對于室內位置，基于類似的工作原理也可以實現射頻定位。在這類系統的最新進展中，美國宇航局采用了超寬帶實時跟蹤系統，并提出用于各種應用，包括礦山開采地點導航，具有高精度﹑可擴展性和雙通信等特點。在短暫的離線周期的情況下，這些系統通常能夠從最后一個已知的位置和運動狀態來估計位置，然后通過對加速度和方向的局部跟蹤來估計位移。用于礦山開采應用的射頻和慣性傳感器系統已經被設計和應用。純粹的慣性定位系統也具有一定的可行性，特別是可以定期訪問一個已知的位置。隨著地下作業的日益自動化，具有離線能力的室內定位將變得越來越重要[1]。這種定位系統進一步可能的應用應包括自動操作的機械臂和開采的鏟端。一個例子即CRC礦山開采掃描范圍傳感器，其中距離傳感器在現場主要用于礦山開采鏟的控制。

1.3 信標和RFID傳感器

位置信標系統目前用于洞穴監測的挖掘。礦石位置用信標標記，以監測礦山開采活動期間的情況，以預測礦石中的雜質情況。這種實時洞穴運動監測技術可以實現一定程度的優化。目前的技術涉及到大尺度的信標，主要是需要發射一個旋轉的磁場。它們的位置可以由一個固定的探測器來確定。信標系統也可以用于局部定位，通過提供鄰近信息，檢查點，或特定區域的圍欄來進行局部定位。這種系統的一個案例可以在將射頻信標引入到室內定位的消費電子無線設備中中找到。在這些應用中，低功耗運行和能源效率是關鍵要求。

類似的定位原理也可以通過使用射頻識別(RFID)標簽來實現。一個移動的物體可以被一個本地的RFID閱讀器跟蹤，在幾米的范圍為被動標簽，或在幾十米的范圍為主動（電池供電）標簽。相反，裝有RFID傳感器的移動物體可以通過識別已知位置的被動或主動標簽檢查點來跟蹤自己的位置。基于RFID的信標解決方案的主要優勢是允許以最小的成本使用大量的標簽。

1.4 短程估計傳感器

短程估計傳感器也可以用于定位和跟蹤，可以作為獨立的系統或與其他定位技術相結合。它們通常在礦山開采作業中的使用主要與無人駕駛汽車等自動化設備的位置和定位控制有關，包括避撞和人員安全。在方向控制中，接近開關和掃描系統與中央定位系統(地面射頻﹑GPS等)一起運行，提供補充信息，提高相關自動化的準確性﹑速度和可靠性的能力。在避碰方面，短程估計傳感器用于檢測和防止危險情況。主要的短程估計傳感器技術是基于感應﹑電容﹑電磁﹑超聲波和光學工作原理而進行工作的。感應式和電容式短程估計傳感器分別通過物體的近距離存在來檢測磁場和靜電場的擾動。因此，它們傾向于在近距離操作，通常距離要求低于100mm。電磁﹑超聲波和光學短程估計傳感器可以提供遠程檢測，并可能提供進一步的關鍵信息，如距離﹑接近速度和溫度。目前用于礦山開采場地的系統主要是基于電磁傳感器的自動車輛避撞系統。

2 成像、三維測距和測繪

圖像和測繪傳感器在礦山開采工業中得到了廣泛的應用。這些應用包括現場本地和遠程操作監控﹑設備監控和控制，以及車輛自動化。它們在大規模地形和測繪﹑儲量監測﹑洞穴演化跟蹤﹑巖面監測和顆粒測量等方面發揮出了在礦山開采領域中的特定用途[2]。

2.1 視覺傳感器

視覺傳感器是基于電荷耦合設備(CCD)或CMOS傳感器而制造的。它們都是基于入射光子的電子激發，由此產生的電荷代表光的強度的原理來進行工作的。光學濾光片用于捕獲紅﹑綠和藍光。在CCD中，每一幀都是通過靜電門控將連續的電荷從一個像素移動到另一個像素來提取的。在CMOS傳感器中，每個像素都有一個電荷放大器，并且可以單獨尋址。CCD傳感器實現簡單，使用成本低，能夠快速提高像素密度﹑陣列大小等，而CMOS成本也低，但能夠提供更低的功率和更快的操作，以及能夠與硅電子產品集成。由于其具有非常龐大的消費市場，用于靜態或視頻圖像的CMOS相機傳感器以非常低的成本和高像素數受到廣泛應用。另外，因其尺寸較小，所以它們能夠與非常小的光學系統兼容，并且具有額外的功能，如自動對焦﹑變焦等。

2.2 紅外傳感器

紅外相機在礦山開采中的應用包括車輛和其他礦山開采設備的防碰撞處理﹑受阻照明條件下的視覺處理，以及探測危險，如煤的自燃等。紅外傳感器的工作原理是入射紅外輻射的熱效應，如電阻的變化﹑熱電或熱釋電效應或熱膨脹，另外還有工作原理是基于電子激發效應。近年來，低帶隙半導體和超晶格材料的發展使得紅外傳感器能夠在更高溫度下以高分辨率運行。另外，傳感陣列已經用于軍事，這一應用使得便攜式傳感成為可能。此外，有智能手機已經推出了一種簡單﹑低成本的便攜式紅外相機，其主要基于來自紅外和可見光相機傳感器的數據組合處理。

2.3 深度傳感器

從2000年至今，視覺傳感器的快速發展為各種新的設備提供了可能。一個具有代表性的例子是深度傳感器——一種能夠提供圖像三維輪廓的設備的出現。現有主要的深度傳感器技術主要包括ToF成像﹑立體傳感器﹑結構光技術和光場攝像技術等。ToF成像包括調制(IR)光的傳輸和檢測﹑相移測量和對距離的轉換。立體感知包括從不同的角度獲取圖像和基于算法的三維重建。結構光技術是基于紅外點﹑條紋或多個可編程模式的傳輸和檢測，以及基于對這些信息分析從而完成對深度的確定。

在光場相機技術中，利用微透鏡捕捉每個像素的光方向信息，這些信息隨后被用來推斷深度剖面的三維圖像，例如重新聚焦圖像等。最近的進展涉及到新的光學透鏡方法，如聯合使用傳統的透鏡和微透鏡來實現全分辨率的定向捕獲。這類傳感器的制造商包括Raytrix公司和Lytro公司。激光設備在礦山開采過程中通常用于手持定制測距系統，也用于遠程測繪，特別是巖石面分析。便攜式激光測距裝置的一個例子是激光技術TruPulse360系列，它可以測量斜坡距離和傾角。

2.4 三維映射

三維映射是基于光學和位置/方向傳感器的結合，有時輔以其他硬件，如深度和鄰近檢測，以及空間重建軟件等等。硬件在視角﹑景深﹑分辨率﹑定向精度等方面的發展在三維映射的發展中發揮了重要作用。目前，將多個傳感器采集的數據合并到一個三維空間模型中是一個關鍵，因為這可以從大量原始數據中實時提取并提供所需的信息，從而降低存儲和傳輸成本。成像重組的一個例子是沉浸式成像系統，它使用拼接算法構建單個位置周圍的完整全景圖像。另一個例子可以在谷歌的一個項目中找到，這是一個主要用于室內位置的三維地圖系統。它是基于最先進的光學﹑定位﹑接近度和加速度傳感器與數據重組算法的組合。整個系統可以裝在一個智能手機大小的包裝中。這一發展有望既能降低成本，又能提高目前可用的中小型三維監測系統的性能。

許多自動導航任務中的一個重要挑戰是同步定位。在局部地圖和精確位置都不完全可知的情況下，通過迭代兩者之間的計算來提高這兩個任務的準確性。預計改進性能的位置和映射傳感器能大幅提高其使用率。

3 礦山開采中的成分分析

成分分析的關鍵應用是確定挖掘過程中礦石的元素組成(例如：用于鉆孔定位）﹑加工（例如，控制選礦設備），以及在挖掘﹑加工和運輸過程中按礦石品位進行分類。由于對低品位礦石開采和加工的需求，礦石品位分析變得越來越重要，同時也越來越具挑戰性。目前，電氣自動化為這一過程建立了礦石級分析方法，如X射線熒光和x射線衍射等，目前主要支持實驗室分析。然而，一些分析技術的手持現場儀器正在成為可能。基于實驗室的設備的一個例子是由qemscan系統開發的基于結合掃描電子顯微鏡和能量色散x射線光譜為基礎的設備。電氣自動化的進步使得手持設備的發展成為可能，比如微型穆斯鮑爾波譜儀，最初是為美國宇航局開發的，現在已經被用于礦山開采分析。微機電系統(MEMS)技術的使用使便攜式質譜儀的開發成為可能，其能夠用于液體﹑固體和氣體分析的各種應用，為現場移動或預裝礦石分析解決方案提供了可能性。材料分析儀器的下一步發展將是利用直接安裝在設備中的微型模塊，如挖掘具和鉆頭，對礦石進行實時成分評估。

品位分析中的一個關鍵挑戰是從材料組成中確定實際品位，因為不同的材料﹑復合材料和濃度在礦物加工過程中表現不同。基于傳感器的礦石分析的進展擴大了可以通過礦石取樣檢索到的信息量。到目前為止，這些系統只使用更簡單的傳感器類型（照相機和紅外光譜學）來結合軟件分析，如粒子識別。例如，動力感應已經向市場引入了能夠檢測有效載荷的系統，包括使用高速XRF和高頻電磁波譜學的礦石品位評估。這種實時礦石分級系統的好處包括最大限度地減少礦石類型的錯誤分配和礦石稀釋，從廢物中回收礦石的機會，通過減少廢物的質量來提高礦石品位。在能源消耗方面，可以實現減少破碎和研磨的需求；在水資源節約方面，在研磨過程中需要的水更少。總之，礦山開采的一個關鍵挑戰是找到一種有效開發高品位礦石的方法。在這種情況下，實時礦石分級系統在精確加工和補充資源效率方面具有革新礦山開采業的潛力。

4 傳感技術在礦山勘探中的應用方法

4.1 重力梯度法

重力梯度法已經成為測量地球重力加速度變化的常用技術。它在礦山開采中的應用與確定地球的地下密度剖面有關，這可以表明礦床的存在。目前廣泛使用的傳感器技術是基于旋轉圓盤上切向加速度的差分測量。另外，如靜電重力梯度儀(EGG)也可以提供了相當高的精度。歐洲航天局的GOCE任務使用了一個EGG裝置，提供了一個精確的全球重力模型﹑一個全球地殼-地幔邊界剖面以及一系列的次級數據和信息。

4.2 延時地震監測

地震儀通常被設計用于測量地殼的低頻大振幅運動，使用懸掛在寬頻率響應的彈簧結構上的慣性質量來實現。它們通常用于石油﹑天然氣和礦山開采應用，以估計勘探階段的地下成分。時間推移地震監測（四維地震監測）是指對地震振動的連續監測，以實現對場地行為的動態理解。在傳感器技術中的最新進展已經允許測量具有適合于分布式安裝的裝置尺寸的微地震活動。這些系統對挖掘地點﹑洞穴/坑穩定性﹑對異常礦井地震活動性和地震災害的詳細評估﹑繪制放崩前傳播和誘發地震響應都有很好的監測效果。

5 結論

在傳感器技術領域中，準確和廣泛可用的定位有利于礦山勘探的有效性﹑資產管理﹑運營控制和擴展集中化等等。礦石品位監測有望使得礦山開采這一過程從低品位礦床中更有效地開采出高品位礦石。根據特定于礦山開采的操作條件和技術，電氣自動化技術中的傳感技術發揮出了巨大的作用。因此，礦山開采﹑網絡分析和傳感行業之間的更密切聯系將成為制定可持續的礦山開采路線的重要思路。