李先福
丹东东方测控技术股份有限公司
摘要：准能黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿通过矿山智能管理系统，建立了覆盖全矿的无线通讯系统，实现了露天矿生产作业设备的优化调度，同时在钻机作业管理、维修管理、燃油管理、三维仿真等方面实现了信息化和智能化，提高了生产效率，同时降低了消耗，为露天矿提供了科学有效的生产管理办法和智能化的生产手段。
关键字：GPS智能调度，钻机导航布孔，维修管理，燃油管理，三维仿真
一、准能黑岱沟露天矿、哈尔乌素露天矿简介
黑岱沟露天煤矿位于准格尔煤田中部，是国家重点项目,是我国自行设计、自行施工的特大型露天煤矿。该矿于1990年开工建设，1999年正式移交生产,并于次年达产。2013年原煤年产量突破至3500万吨。是中国第一大露天煤矿。
哈尔乌素露天煤矿可采原煤储量17.3亿吨，煤层平均厚度为21.01米。2010年生产原煤2168万吨。目前哈矿和邻近黑岱沟露天煤矿计划进行扩能改造工程，两矿设计生产能力将达到6000万吨。
两矿GPS矿山智能管理系统于2013年3月开始建设，2013年8月1日系统开始试运行，2014年3月12日正式上线运行， 矿山智能管理系统在两矿投入运行后，解决了传统调度方式主要存在以下问题：
1、管理人员对采运排作业的优化、合理组织生产的难度逐渐增大。
2、调度人员难以及时动态掌握设备的实时分布及作业情况，难于进行精确定位。
3、因特殊情况造成设备暂时不能作业时，难以及时掌握设备的准确位置，导致车铲配比失衡，降低了生产效率和设备的维护效率。
4、调度与司机的信息沟通困难，导致工作效率低下。
5、企业管理者难以及时了解和掌握实时生产状况。
6、生产信息分散在各个管理部门，不能够集中管理和查询，因此不能为企业管理者提供管理依据。
7、司机当班行为不易跟踪，安全管理难度大。
8、人工计量，产量数据的客观性、及时性难以控制
10、维修管理流程复杂、效率低下。
11、穿爆队布孔工作量大，布孔不规范，钻机司机对孔有误差。
二、系统的整体建设情况
2.1 矿山智能管理系统构成
矿山智能管理系统由通信网络、移动车载终端、软件系统（智能调度系统、维修管理系统、油量管理系统、钻机管理系统、三维仿真等）组成。
移动车载终端安装在所有矿山移动设备上的工业级微型电脑，具有数据运算、存贮和处理能力，可以实现数据的传输和车辆定位、显示调度信息，负责移动设备和调度中心之间的信息沟通，所有指令语音播报。
通信网络采用了国际先进的MESH通讯技术，实现了自组网、自冗余、设备之间可相互组网通讯，黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿的设备数目庞大，矿区作业面分布广。为实现多采区统一或分区调度和管理，将两矿进行统一网络覆盖，即两矿在一个大网络覆盖下，保证在网的所有设备跨越矿区作业而不掉线，确保跨越矿区设备实时在网、在线。随着采区的推进，势必出现坑下临时性局部盲区，但坑下不能建立固定通信塔，为满足扩建后信号仍然可以覆盖整个采区，系统提供了移动基站用以解决盲区补偿问题。固定基站同时直接与多个移动中继站互联，保证了信号完全覆盖，无盲区，同时保证了通讯速率。
2.2 设备安装情况
矿山智能管理系统两矿合计架设MESH固定基站20座、MESH电铲基站28套、MESH移动小车基站6台，在自卸车、电铲、钻机、工程车辆、辅助车辆、指挥车、中巴车等设备上共计安装了446套车载终端，实现了实时对车载设备的位置及工作状态的跟踪、判断、显示，优化调度各种型号车辆运行，及时准确地掌握矿山的生产运行情况。
2.3调度指挥中心
调度指挥中心是GPS矿山智能管理系统的大脑，负责生产指挥、调度和管理。指挥中心系统是由一系列计算机等硬件和运行其上的软件平台构成，硬件包括调度室单元及配套的中心控制单元及各总控数据服务、监控显示终端，服务器等。从功能上分为监视工作站、调度工作站、管理工作站。监视工作站的用途是用来动态显示终端的状态和位置等信息、二维/三维回放显示等功能。调度工作站的用途是显示实时的调度控制台、调度数据的录入及修改、调度指令的下达等，管理工作站的用途是用于管理设备档案、产量计划、道路网编辑、统计报表输出等功能。
三、GPS智能调度系统
3.1系统简介
GPS车辆智能调度系统实现对露天矿主要采矿设备（卡车、电铲、洒水车、平路机、推土机、加油车等）的位置及工作状态的跟踪，实时监控卡车及电铲的运行状态，自动适应采矿生产过程中的各种变化，在生产设备数量一定的条件下，实现对卡车、电铲等采矿设备的实时优化调度，自动、及时、高效地安排矿山设备的生产作业，达到优化生产、提高产量、节约成本、安全高效的目的。使用最低消耗，完成最大产量，提升管理水平。
3.2应用
GPS车辆智能调度系统是一套露天矿智能化的生产指挥管理系统，对生产采装设备、运输设备、卸载点及生产辅助设备进行全方位的实时监控、优化调度和监控管理。
GPS车辆智能调度系统主要实现以下功能：
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3.3科技创新
(1)智能调度算法，合理指挥生产
智能调度算法是整个GPS车辆调度管理系统的中心，以行车优化路径为基础，结合现场的实际生产情况和生产要求，以产量最大，消耗最少为原则，实现车流规划。根据路径优化和车流规划结果，形成最优的调度方案，从而实现优化调度，共调度人员进行指挥生产。
(2)高度自动化与智能化
GPS车辆智能调度系统是综合运用GPS卫星定位技术、计算机技术、现代通信技术和最优化技术等先进手段，实现了对矿山优化调度与生产管理的自动化。
(3)简化管理流程，生产管理的时效性、透明度
GPS车辆智能调度系统中设备的实时监控与定位、状态自动识别与跟踪、产量的自动统计、生产数据的管理、对历史数据的查询、对历史设备工作状态的回放等功能，可以简化矿山生产的管理流程，对矿山的生产管理具有时效性与透明性。
四、钻机作业管理系统
4.1系统简介
传统的钻机作业方式，需要测量人员实地测量，通过皮尺或者拉线来确定钻孔位置，并人工摆放标志物，钻机司机需要两个人，一个人在下面指挥对孔，另一个司机操纵钻机，钻孔时，司机需要目测钻孔深度。上述过程存在诸多人为误差，耗费人力，影响爆破质量，所以露天矿急需一套针对钻机作业的智能化管理系统。
钻机高精度定位及作业管理将高精度的GPS定位系统应用到钻机上，对钻机进行自动引导，同时自动检测钻孔深度，在钻孔任务完成之后将钻孔情况自动上传到服务器，系统自动验收钻孔任务是否达标，免去一系列繁琐的工作，且避免了执行工作不到位等情况，提高了采矿的自动化水平，提高了生产、作业效率。
4.2具体应用
钻机上安装引导系统，配合高精度GPS设备，实现钻孔精确定位和钻孔深度控制。
钻机引导系统主要实现以下功能：
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该系统密切结合矿山的实际工作情况，切实的考虑到矿山工作人员的工作角色不同，按照工作角色划分具体功能：
五、维修管理系统
5.1系统简介
维修管理系统实现维修信息的上传与下达，设备故障后，由司机上报给生产调度中心，调度中心确认后，转达给维修调度，维修调度再下发给对应维修人员，维修完成后，维修人员向维修调度报好，维修调度确认后，报给生产调度中心，设备恢复生产。整个过程以维修管理系统为核心完成故障维修流程，同时采集相关数据，利用图表直观的将数据展现出来，使调度掌控所有的设备状态。
5.2系统流程及功能
1）故障库的标准化
维修调度和矿调同时维护一个故障库，通过标准化的故障库来降低两方调度的歧义率，提高工作效率。
2）维修管理流程
设备故障由司机从故障库中选择上报，调度对故障信息确认后，系统自动将故障信息记录，自动通知维修调度，维修调度通知维修人员进行设备维修同时反馈给矿调调车信息，实现故障报修的闭环控制。
3）车辆保养
从车辆的保养结束时间起开始计算车辆的运行小时，准确无误的计算出车辆的下次保养时间，并在需要保养之前提醒统计员将信息发给维修中心。
六、燃油管理系统
6.1系统简介
燃油消耗一直是露天矿较为关注的问题，存在人为损失的情况，包括人为偷盗、蓄意克扣、虚报假账等形式。另外在生产过程中，传统的人工记账方式，存在信息滞后，不能当日结算油耗。所以露天矿需要一套智能的、科学的油量管理系统，以达到有效提高露天矿管理、节约能源、提高生量、降低消耗等目的。
燃油管理系统是通过安装在加油车流量传感器采集数据，数据传给车载GPS终端，由GPS终端把采集到的数据传送给中心服务器进行处理，在服务器上经过燃油管理系统软件运算生成各种需要的数据，实现有效燃油监控。
6.2系统功能
燃油管理系统通过采集在加油车或加油站注油管和出油管上安装的流量传感器测量的数值，通过滤波、平滑等数学模型处理，并结合车辆的运行情况对燃油进行有效的管理。
在加油站和加油车上安装油量传感器，当给车辆加油时，通过加油站或加油车与车辆的定位数据进行模型计算，确定给哪个车辆进行加油，加油量可以通过出油口的流量传感器测量。
系统通过出油口和注油口（或者在油库的出油口）的两个流量传感器可以精确的统计出加油车和加油站的提油量与付油量，在通过数据的综合处理可以完成关于油量相关数据的提取。
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另外将油耗监控系统与GPS卡车智能调度系统结合，对卡车生产数据与油耗数据统一分析，实现吨公里单耗分析，对于油耗异常的卡车进行报警，为露天矿提供更加详尽的数据信息。
6.3系统创新
油耗监控有多种方式，一般都是在卡车油箱上加装传感器检测油量变化，但是这种方式，安装设备多、成本高、故障率高、不宜维护、人为因素较多。但是在油槽车和加油站安装油表计量，可以避免上述不利情况，是一个较为高效的技术管理手段。
七、三维仿真展示系统
7.1系统简介
三维仿真展示系统是未来矿山信息化应用的发展趋势，为矿山信息化、自动化应用提供全面的三维仿真解决方案。它利用先进的三维GIS技术和最新的三维可视化技术能够实现矿山生产情形的异地展现，三维数据模型和数据的快速更新。
7.2 实际应用
与二维相比，三维有其独特的优势。三维因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维能提供更多信息，能表现更多的空间关系。
三维仿真展示系统结合GPS实现全方位三维实时定位展现。能够在整个采场进行三维漫游和三维导航；能够准确三维定位到各个卡车、电铲，让管理者对电铲所在位置的矿石品位一目了然。
三维仿真展示系统以直观形象的方式展示矿山场景，其数据更新是关键，否则就会出现错误的展示。能够及时准确的更新数据依靠的是完善的业务流程和管理制度。基础数据主要包括三个部分：DEM数据（数字高程模型）、路网数据、GPS数据。下图展示了基础数据和系统的关系，并划分了维护数据正确行的部门。
DEM数据主要用来生成矿山地形地貌。数据来源为矿山地形图（CAD格式），由生产技术部人员来负责。作为数据来源的CAD图要求要有高程点图层，并该图层有高程信息属性数据。
矿山地形图的更新依靠地测部门的实地测量，具有滞后性。但如果地形数据不能及时得到更新就会出现明显的错误，特别是在铲前，随着电铲的作业，很有可能电铲钻进了地表里（相对于没有更新的地表数据）。针对这个问题，三维仿真展示系统研发了电铲自动消融功能，它通过电铲自身的GPS信号，通过差并运算，能够自动的消融地表模型，达到自动更新地表的效果。
7.3 科技创新
三维仿真展示系统在其他领域的应用已经很多了，但在露天矿采矿领域在国内尚属首次。该技术的应用带来的极大的视觉冲击力，使非专业制图人员也能以直观、形象的方式了解矿山生产情况。
七、总结
准能黑岱沟露天矿和哈尔乌素露天矿建设的GPS矿山智能管理系统是一套综合性的系统，包含露天矿生产作业设备的优化调度管理系统、钻机作业管理系统、维修管理系统、燃油管理系统、三维仿真系统及其它辅助系统，这些系统的成功应用实现了矿山生产的信息化和智能化，提高了生产效率，同时降低了成本，为露天矿提供了科学有效的生产管理办法和智能化的生产手段。
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