基于信息化管理的礦用無軌膠輪車運輸路線分析和診斷

王偉鵬

(山西煤炭運銷集團 金辛達煤業(yè)有限公司, 山西 臨汾 041000)

隨著第四次工業(yè)革命在礦業(yè)領(lǐng)域拉開序幕,傳統(tǒng)的礦業(yè)價值鏈正在發(fā)生重大變革—從礦產(chǎn)勘探到開采、加工、銷售實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的深度融合,建成智慧礦山。智慧礦山是指引入物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動、AI、增強現(xiàn)實(AR)等前沿信息通信技術(shù)(ICT),建設(shè)相應(yīng)的信息系統(tǒng),實現(xiàn)智能礦山互聯(lián)化、物聯(lián)化、數(shù)字化、感知化和智能化。眾多學(xué)者展開了基于信息化管理的智慧礦山研究工作,安田等[1]基于WiFi無線通訊建立了大型礦井膠輪車運輸監(jiān)控及無線通訊系統(tǒng),實現(xiàn)膠輪車的通、停管制,有效解決了煤礦井下交通堵塞問題;王川[2]運用藍牙信標定位、WiFi無線通訊、工業(yè)以太網(wǎng)、云計算及GIS技術(shù)建立了井下運輸智能管理系統(tǒng),實現(xiàn)了膠輪車的實時調(diào)度,有效提高了運輸效率;李芳威等[3]基于無線通訊建立了車輛接近預(yù)警系統(tǒng),可有效防止地下礦井中的碰撞。

基于前人研究成果,建立了可以使用WiFi無線通訊和車載電話記錄、分析與煤礦無軌膠輪車運輸時間有關(guān)的日志數(shù)據(jù)的信息化管理系統(tǒng)。選取山西金辛達煤礦作為研究區(qū)域,應(yīng)用開發(fā)的系統(tǒng)采集與無軌膠輪車運輸時間相關(guān)的日志數(shù)據(jù),利用某段時間內(nèi)上傳至云服務(wù)器的日志數(shù)據(jù),對研究區(qū)域內(nèi)的無軌膠輪車運輸路線進行了診斷分析。

1 研究區(qū)概況

金辛達煤礦目前副斜井及膠輪車輔運大巷全長約4 950 m,主要包括副斜井井口至井底候車場600 m;東輔運大巷400 m;北輔運大巷2 250 m;2#煤層輔運大巷1 700 m. 現(xiàn)已建設(shè)基于RFID射頻技術(shù)的車輛定位系統(tǒng),但由于定位精度低,紅綠燈控制混亂,且無法與司機進行遠程調(diào)度,嚴重影響井下交通的正常運行,故重新建設(shè)一套采用WiFi無線通訊和車載電話相結(jié)合的車輛精確定位智能交通管理系統(tǒng)。

2 礦用無軌膠輪車運輸路線的信息化管理方案

2.1 日志數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

使用WiFi無線通訊和車載電話記錄與無軌膠輪車運輸時間相關(guān)的日志數(shù)據(jù),并將收集到的日志數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器進行管理。具體操作流程為:收集安裝在無軌膠輪車上的車載電話使用過程中產(chǎn)生的礦井內(nèi)外主要運輸路線上車輛運行的信息,并將運輸過程中產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)上傳至位于礦井外部無線通信區(qū)域的云服務(wù)器,云服務(wù)器存儲和管理云服務(wù)器的數(shù)據(jù),根據(jù)裝載-搬運系統(tǒng)、航拍、3D圖紙和生產(chǎn)日志的分析結(jié)果和車載電話記錄的研究區(qū)域位置、高度和起止點之間海拔高度的差異,可以判斷無軌膠輪車行駛過程是上坡還是下坡運輸路線。

考慮到井下濕度大、粉塵多,在盡量減少腐蝕和侵蝕的風險后,安裝在礦井內(nèi)外的WiFi信息接收器采用橡膠包裝,防止水分和粉塵穿透設(shè)備。在因巷道規(guī)格不規(guī)則和巷道壁不平整導(dǎo)致信號不良的點位,使用支架對安裝角度進行調(diào)整[4]. 所有安裝的接收器信號強度設(shè)置為4 dBM,信號傳輸周期設(shè)置為200 ms. 在無軌膠輪車停車場安裝WiFi AP建立無線通訊區(qū)域,允許每天至少一次將日志數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器。

2.2 日志數(shù)據(jù)處理程序

在生產(chǎn)過程中存儲在信息處理器上的日志文件采用逗號分隔值格式的文本數(shù)據(jù),分別存儲各項內(nèi)容,可以使用文本編輯程序或電子表格應(yīng)用程序查看。在日志文件中記錄了無軌膠輪車運輸路線相關(guān)信息(通話時間、無軌膠輪車ID、通話內(nèi)容、調(diào)度方式),每個生產(chǎn)日期和每個無軌膠輪車每天創(chuàng)建一個文件。日志文件中記錄的數(shù)據(jù)按照接收到信息收集的先后順序進行記錄,因此可以根據(jù)時間間隔計算無軌膠輪車在其運輸路線上連續(xù)兩點之間的運輸時間。

日志數(shù)據(jù)處理程序應(yīng)立即檢索上傳到云服務(wù)器的日志文件,整理日志數(shù)據(jù),計算每個路段無軌膠輪車的運輸時間,并輸出每個路段的無軌膠輪車運輸時間統(tǒng)計。因為用戶可以選擇要分析的日志文件,所以日志文件可以針對特定的時間段或者無軌膠輪車進行分析。程序運行在Microsoft Excel中,使用Microsoft Office應(yīng)用程序的宏語言Visual Basic for Application (VBA)進行開發(fā)。

2.3 無軌膠輪車運輸時間數(shù)據(jù)分析及運輸路徑診斷方法

通過日志數(shù)據(jù)處理程序檢查每個路段的無軌膠輪車運輸時間來分析和診斷運輸路線。分析主要分2個階段進行:1) 使用對數(shù)數(shù)據(jù)處理程序計算每個路段的無軌膠輪車運輸時間。2) 利用無軌膠輪車路段平均運輸時間和標準差進行空間分析,并選取一個路段進行分析。對于各斷面的平均運輸時間,信息接收的間隔時間越短,平均運輸時間越短。反之,距離越長,平均運輸時間越長。因此,標準差較大的路段意味著無軌膠輪車運輸時間存在較大的變化。因此,在比較各路段的無軌膠輪車運輸時間和標準離差時,有其局限性,即不能考慮各路段的不同距離。因此,在該研究中,計算了每個路段無軌膠輪車平均運輸時間標準差的百分比,并利用該值選擇了待分析路段。

3 運輸路線分析和診斷

對選取的4個運輸路線,通過將日志文件劃分為周單元進行時間序列分析,并對運輸線路類型進行分類(圖1). 圖1(a)顯示了數(shù)據(jù)的大量分布規(guī)律,在進行時間序列分析的15周中,無軌膠輪車的平均運輸時間和百分位(P90、P10)值波動很小;圖1(b)與圖1(a)類似,數(shù)據(jù)波動較小;圖1(c)顯示從第1周到第6周穩(wěn)定的無軌膠輪車運輸時間數(shù)據(jù),但從第7周開始其分布增加,最終變得不穩(wěn)定,波動劇烈;圖1(d)運輸時間數(shù)據(jù)曲線在第13周分布增加。

圖1 基于時間序列的穩(wěn)定和不穩(wěn)定運輸路線分析結(jié)果

如圖1(a)、(b)所示,在僅進行運輸作業(yè)的主要運輸路線上實現(xiàn)了穩(wěn)定的運輸時間。在這些路段,無軌膠輪車在行駛過程中并不經(jīng)常被攔下或延誤。此外,還發(fā)現(xiàn)巷道的寬度足以允許兩輛無軌膠輪車不減速行駛。特別是,在從標記點ID 19移動到1的情況下,發(fā)現(xiàn)無軌膠輪車的運輸時間相對穩(wěn)定,原因為其位于礦井外,因此更容易確保駕駛員的能見度。

在圖1(c)、(d)中,無軌膠輪車運輸時間不穩(wěn)定的情況下,發(fā)現(xiàn)在運輸路線附近存在裝載或傾倒區(qū)域。通過查看現(xiàn)場的生產(chǎn)日志,確認從該路段的第7周開始開啟新的工作地點,從標記點ID 3移動到5,由于車輛擁堵,無軌膠輪車運輸時間增加。在標記點ID為13至12的情況下,無軌膠輪車運輸時間在第13周內(nèi)暫時增加。在此期間,確認裝載作業(yè)在該部門的兩個或兩個以上工作場所進行。

4 現(xiàn)場應(yīng)用研究

通過日志數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的無軌膠輪車運輸時間數(shù)據(jù),可用于分析、診斷和預(yù)測礦井的無軌膠輪車運輸路線。通過判斷新采集到的特定運輸路線的無軌膠輪車運輸時間數(shù)據(jù)是否在之前積累數(shù)據(jù)的誤差范圍(P10～P90)之內(nèi),診斷該路段無軌膠輪車行駛是否正常。此外,還可以預(yù)測無軌膠輪車運輸作業(yè)中出現(xiàn)問題的可能性,包括礦井維護不善、巷道擁堵、車輛維護不善以及無軌膠輪車司機的熟練程度等。

收集最新獲得的日志數(shù)據(jù)對金辛達煤礦無軌膠輪車的運輸路線進行了診斷和預(yù)測,使用最近收集的8周數(shù)據(jù)(2023年1月1日—3月1日)對未來12周無軌膠輪車的平均運輸時間和百分位數(shù)(P90、P10)進行計算,對新采集的日志數(shù)據(jù)按日期和無軌膠輪車進行劃分。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在運輸作業(yè)的第10周,兩輛無軌膠輪車對該段展開了作業(yè),運輸煤矸石56次(A車:36次,B車:20次)。當查看相應(yīng)路段無軌膠輪車運輸時間(P10-P90)的目標誤差范圍時,發(fā)現(xiàn)誤差范圍內(nèi)的行程數(shù)為35次(A車:23次,B車:12次),其余21次(A車:13次,B車:8次)均未超出誤差范圍,驗證了基于信息化管理的礦用無軌膠輪車運輸路線分析和診斷的可行性。

5 結(jié) 論

基于WiFi無線通訊和車載電話與無軌膠輪車運輸時間相關(guān)的日志數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),可用于分析和診斷礦山無軌膠輪車運輸路線,改善運輸作業(yè),實現(xiàn)煤礦信息化管理。無軌膠輪車的運輸時間可能會因為新工作面的使用而擁堵、基于日常生產(chǎn)計劃的工作地點集中化、低效的設(shè)備調(diào)度計劃或車輛故障而走彎路等因素而異常增加。然而,通過對比分析云端不斷積累的日志數(shù)據(jù)文件和新收集的日志數(shù)據(jù)文件,可以提前預(yù)防無軌膠輪車運輸時間的增加,提高礦山的生產(chǎn)率和盈利能力。