簡錫明，陳耀煌

(紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭 364200)

塞爾維亞波爾市Veliki Krivelj 礦(簡稱VK礦)是塞爾維亞境內(nèi)規(guī)模最大的露天銅礦山，也是一個(gè)世界級(jí)的露天礦山。VK礦開建于1979年，1983年投產(chǎn)，迄今已有43年歷史，現(xiàn)保有銅礦資源量礦石量7.1億t，銅金屬量229萬t，平均品位0.322%。礦山采用大型化設(shè)備作業(yè)，采用16 m3、18 m3與22 m3的電動(dòng)液壓挖掘機(jī)與136 t、220 t與240 t級(jí)自卸卡車，年采剝總量達(dá)62 Mt，年采礦23.1 Mt。

VK礦生產(chǎn)時(shí)間較久，在采礦作業(yè)過程中采用的是人工調(diào)度車輛的方式，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采用的是手工繪圖與手工統(tǒng)計(jì)報(bào)表，在生產(chǎn)組織上往往出現(xiàn)調(diào)度不及時(shí)、車輛等候時(shí)間過長、車輛遲滯現(xiàn)象嚴(yán)重、作業(yè)效率不高的問題。同時(shí)，手工繪圖與手工統(tǒng)計(jì)報(bào)表，常常發(fā)生統(tǒng)計(jì)失誤的現(xiàn)象，影響了準(zhǔn)確性與及時(shí)性。而且，手工統(tǒng)計(jì)報(bào)表保管難度也大，容易出現(xiàn)檔案丟失的情況。為進(jìn)一步提升設(shè)備效率，優(yōu)化礦卡的運(yùn)行，提高報(bào)表的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，節(jié)約成本，挖潛增效，建設(shè)世界一流的智慧數(shù)字礦山。VK礦于2020年引進(jìn)了智能卡車調(diào)度系統(tǒng)(簡稱卡調(diào)系統(tǒng))，于2021年7月投入使用。

露天智能卡調(diào)系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、通訊技術(shù)、電子技術(shù)，全球衛(wèi)星定位GPS技術(shù)等結(jié)合在一起，運(yùn)用于采礦工程中的數(shù)字化礦山建設(shè)系統(tǒng)。隨著露天礦山設(shè)備大型化、機(jī)械化、自動(dòng)化程度的提高，礦山采剝運(yùn)輸費(fèi)用占生產(chǎn)總成本的比例也越來越高，一般占整個(gè)露天礦山生產(chǎn)成本的60%[1]以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，VK礦的采剝運(yùn)輸成本占采選總成本的63%。智能卡車調(diào)度系統(tǒng)的成功運(yùn)用，對(duì)礦山提高生產(chǎn)效率、降低投資成本、減少運(yùn)營成本、提升礦山經(jīng)濟(jì)效益與智能化建設(shè)水平，具有極其重要的意義。

1 卡調(diào)系統(tǒng)的技術(shù)原理與系統(tǒng)架構(gòu)

卡調(diào)系統(tǒng)由硬件與軟件構(gòu)成，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS系統(tǒng)或北斗系統(tǒng))，以數(shù)據(jù)庫為核心，綜合無線傳輸技術(shù)，將位置信息傳輸至終端設(shè)備和內(nèi)部接收模板，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)調(diào)度、監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)、對(duì)比、分析、決策、反饋等功能[2]。其硬件主要包括中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、車載智能終端、無線通訊系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)[3]。軟件包括為滿足客戶不同需求而開發(fā)的軟件操作平臺(tái)，主要包括礦卡/挖機(jī)/鉆機(jī)等設(shè)備精確定位、智能調(diào)度、產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)報(bào)表等功能以及根據(jù)各礦山個(gè)性化需求而開發(fā)的使用功能。

VK礦智能卡調(diào)系統(tǒng)在架構(gòu)上通過GPS全球定位系統(tǒng)，采用MESH無線網(wǎng)傳輸，并通過4個(gè)固定基站與2個(gè)移動(dòng)基站信號(hào)連接，將車載終端、挖機(jī)終端、鉆機(jī)終端等全面聯(lián)系在一起[4]。在調(diào)度中心通過光纖與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，采用中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)算，運(yùn)用開發(fā)的調(diào)度平臺(tái)軟件，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇ㄕ{(diào)中心用戶電腦端，并通過大屏幕投放讓調(diào)度員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)度(如圖1、2、3所示)。

圖1 智能卡車調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基站布置圖Fig.1 Diagram network of intelligent truck dispatching system

圖2 智能卡車調(diào)度系統(tǒng)硬件布設(shè)圖Fig.2 Hardware layout of intelligent truck dispatching system

圖3 智能卡車調(diào)度系統(tǒng)視頻監(jiān)控圖Fig.3 Video surveillance diagram of intelligent truck dispatching system

2 卡調(diào)系統(tǒng)的主要功能

根據(jù)VK礦的實(shí)際情況，卡調(diào)系統(tǒng)開發(fā)的主要功能包括車輛實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)、及時(shí)報(bào)警系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度與智能調(diào)度系統(tǒng)、車輛防碰撞系統(tǒng)、自動(dòng)計(jì)量與報(bào)表系統(tǒng)等。

車輛實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)：通過GPS定位模塊，對(duì)安裝的終端設(shè)備(電鏟、礦卡等)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位以及歷史軌跡查詢。

及時(shí)報(bào)警系統(tǒng)：對(duì)設(shè)備異常情況給予及時(shí)報(bào)警、提醒。包括挖機(jī)待裝超時(shí)、卡車無故停車、缺少駕駛員、超速行駛、車輛故障等情況。

生產(chǎn)調(diào)度與智能調(diào)度系統(tǒng)：生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)由中控室調(diào)度中心控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)載終端控制系統(tǒng)構(gòu)成。調(diào)度管理人員可以即時(shí)對(duì)采場內(nèi)所有的車載終端的電鏟、礦卡進(jìn)行調(diào)度，統(tǒng)一安排生產(chǎn)。調(diào)度指令可以通過系統(tǒng)下達(dá)，同時(shí)可以用對(duì)講機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)與駕駛員保持溝通。智能調(diào)度系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸路徑與運(yùn)輸時(shí)間進(jìn)行測算，從而自動(dòng)對(duì)終端鏟裝設(shè)備與運(yùn)輸設(shè)備派發(fā)指令，節(jié)省時(shí)間，提高效率。系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備作業(yè)的起點(diǎn)、終點(diǎn)，自動(dòng)優(yōu)化行駛路徑，根據(jù)電鏟的作業(yè)效率和車輛的運(yùn)輸效率，自動(dòng)測算出最優(yōu)的車輛配比與行駛路徑，并在車輛終端頁面、中控室調(diào)度控制臺(tái)上顯示所建議的導(dǎo)航路徑。

車輛防碰撞系統(tǒng)：當(dāng)車輛之間距離相距30 m相向行駛，速度在15 km/h以上時(shí)，車載終端會(huì)進(jìn)行互相提醒，在雨雪大霧天氣時(shí)，可以對(duì)相向行駛車輛進(jìn)行提前預(yù)警，預(yù)防事故發(fā)生。

自動(dòng)計(jì)量與報(bào)表系統(tǒng)：卡調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出各電鏟產(chǎn)量、各排卸點(diǎn)產(chǎn)量、各卡車產(chǎn)量、各作業(yè)點(diǎn)產(chǎn)量等數(shù)據(jù)。并根據(jù)生產(chǎn)需求，累計(jì)開發(fā)應(yīng)用生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，由英語、塞語雙語實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行全流程的記錄，并具有回放功能，可以隨時(shí)備案與調(diào)查。

其他輔助設(shè)備：包括高清攝像頭、無線對(duì)講系統(tǒng)等。高清攝像頭具備調(diào)焦功能，可以看清3 km范圍內(nèi)工作場景。在露采四周安裝了高清攝像頭，結(jié)合卡調(diào)系統(tǒng)與無線對(duì)講系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)度，對(duì)異常情況進(jìn)行調(diào)查與監(jiān)控。

3 應(yīng)用情況

VK礦運(yùn)用卡調(diào)系統(tǒng)將采掘設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、穿孔設(shè)備與道路優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度等有機(jī)結(jié)合在一起，形成統(tǒng)一的調(diào)度管控系統(tǒng)。自卡調(diào)系統(tǒng)投入使用以來，車輛安全管理得到了進(jìn)一步的加強(qiáng)，作業(yè)效率得到了明顯的提高，有效地提升了產(chǎn)量，節(jié)約了成本，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 安全管理提升

露天采礦安全管理一個(gè)很重要的方面就是車輛行駛安全管理。塞爾維亞冬季雨雪大霧天氣較多，在冬季生產(chǎn)期間，卡調(diào)系統(tǒng)能很好地調(diào)度車輛作業(yè)情況，保持車距，在相向會(huì)車過程中，駕駛員可以提前30 m得到會(huì)車預(yù)警，及時(shí)做好會(huì)車避讓等，減少車輛交通安全事故發(fā)生概率。在交接班期間，卡調(diào)系統(tǒng)可以有序地指揮車輛?？?，駕駛員做到有序的交接與行車前車檢，做好交接班記錄，不僅提高了交接班效率，并且提升了整個(gè)作業(yè)場所的秩序與安全性。

3.2 設(shè)備作業(yè)效率提升

在卡調(diào)系統(tǒng)投入使用之前，2021年1—7月份，礦卡設(shè)備出勤率為83.3%；卡調(diào)系統(tǒng)投入使用后，2021年8—12月，礦卡設(shè)備出勤率提高至88.3%；2022年1—6月礦卡設(shè)備出勤率提高至90.1%提高了6.8個(gè)百分點(diǎn)。2022年采剝總量為6 200萬t，可潛在提升421.6萬t的產(chǎn)量，并節(jié)省大量成本?？ㄕ{(diào)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備效率的提高主要體現(xiàn)在減少設(shè)備運(yùn)行的遲滯、停頓現(xiàn)象[5]。卡調(diào)系統(tǒng)可以對(duì)每臺(tái)礦卡運(yùn)行道路及運(yùn)往電鏟作業(yè)點(diǎn)、礦石破碎站、廢石破碎站或排土場的時(shí)間做出精確的測算，通過及時(shí)預(yù)警與調(diào)度，對(duì)排隊(duì)超過10 min的礦卡，可及時(shí)調(diào)整到附近另外一臺(tái)電鏟中，減少不必要的等候時(shí)間。同時(shí)，根據(jù)塞爾維亞國家法律，每名駕駛員每班有30 min的休息與茶歇時(shí)間，在缺乏卡調(diào)系統(tǒng)監(jiān)控期間，部分駕駛員休息可能會(huì)超過40 min，甚至達(dá)到1 h，卡調(diào)系統(tǒng)投入使用后，可以對(duì)駕駛員的休息時(shí)間做出及時(shí)預(yù)警，提高工作效率。

3.3 有效節(jié)約成本

露天采礦大宗成本的支出主要體現(xiàn)在柴油、電力與炸藥的消耗，以及人工成本和維修費(fèi)用。在露天礦所有成本開支中，柴油消耗成本占了47.5%，炸藥消耗成本占了12.0%。礦卡在重載上坡等候期間，將浪費(fèi)大量不必要的燃油，卡調(diào)系統(tǒng)的成功運(yùn)用，使車輛不必要的等候時(shí)間大幅減少，提升了6.8個(gè)百分點(diǎn)的設(shè)備出勤率，可節(jié)省燃油消耗約6.8個(gè)百分點(diǎn)。VK礦一年柴油消耗量達(dá)3 035萬升，卡調(diào)系統(tǒng)的成功運(yùn)用意味著每年可節(jié)省約206萬升柴油，并且提高了產(chǎn)量，減少了碳排放，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

3.4 報(bào)表與統(tǒng)計(jì)

智能報(bào)表與統(tǒng)計(jì)的投入使用，可大幅減少不必要的人工測算與報(bào)表的整理，同時(shí)對(duì)于礦卡數(shù)據(jù)的精確統(tǒng)計(jì)，有利于單鏟單車生產(chǎn)效率的統(tǒng)計(jì)，推進(jìn)單鏟單車的產(chǎn)量考核，提高操作員的責(zé)任意識(shí)，提高設(shè)備生產(chǎn)率。產(chǎn)量報(bào)表統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性與測繪結(jié)果可相互驗(yàn)證，確保生產(chǎn)報(bào)表誤差不超過2%，避免作業(yè)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)漏報(bào)或多報(bào)現(xiàn)象。對(duì)于生產(chǎn)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)誤報(bào)的情況，卡調(diào)系統(tǒng)可以對(duì)車輛的運(yùn)行軌跡與作業(yè)時(shí)間進(jìn)行重播與檢測，進(jìn)一步提高計(jì)量的準(zhǔn)確性。

4 存在的問題及提升建議

VK礦卡調(diào)系統(tǒng)的引進(jìn)大幅提高了作業(yè)效率，節(jié)約了成本，但在使用過程中也存在一些問題，如部分車輛行駛軌跡丟失、自動(dòng)報(bào)表與手工結(jié)算報(bào)表的數(shù)據(jù)偏差等。同時(shí)，在生產(chǎn)智能化調(diào)度與智能化管控方面，還有待進(jìn)一步的提升。

4.1 信號(hào)的加強(qiáng)

由于VK露天礦范圍較廣，南北長2.5 km，東西寬1.8 km，最高標(biāo)高達(dá)600 m，最低標(biāo)高為5 m，垂向延深達(dá)595 m，同時(shí)，需要兼顧到周邊3個(gè)排土場的信號(hào)傳輸需要，目前卡調(diào)系統(tǒng)只有4個(gè)固定基站加2個(gè)移動(dòng)基站，難以完全滿足要求，尤其是在東北部排土場以及坑底平臺(tái)運(yùn)礦時(shí)期，礦卡有時(shí)會(huì)出現(xiàn)信號(hào)丟失的現(xiàn)象，導(dǎo)致運(yùn)距與產(chǎn)量報(bào)表數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。為了加強(qiáng)信號(hào)，以及做到整個(gè)卡調(diào)系統(tǒng)的全覆蓋，需要在礦區(qū)范圍內(nèi)增補(bǔ)7個(gè)信號(hào)塔，這樣可以進(jìn)一步提高調(diào)度的精確性。同時(shí)，可以進(jìn)一步提升報(bào)表的準(zhǔn)確性，將報(bào)表偏差由現(xiàn)有的2%減少到0.1%。根據(jù)報(bào)表數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每班電鏟與礦卡的產(chǎn)量進(jìn)行單機(jī)考核，在重點(diǎn)突進(jìn)作業(yè)面，要求22 m3電鏟每天產(chǎn)量不低于3.5萬t，卡調(diào)系統(tǒng)可以進(jìn)行及時(shí)的考核與報(bào)告，從而進(jìn)一步提高作業(yè)效率。

4.2 智能配礦系統(tǒng)的開發(fā)

VK礦的礦化情況基本是深部為高品位礦石，中部為低品位礦石，在7萬t/d技改投產(chǎn)后，每天將有十余個(gè)作業(yè)面出礦，現(xiàn)有人工測算與調(diào)度的模式已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需求。卡調(diào)系統(tǒng)智能配礦的開發(fā)，可以根據(jù)采廠各爆堆礦量、品位、運(yùn)距、運(yùn)輸時(shí)間等情況，以及根據(jù)選廠入選品位需要，自動(dòng)提醒相應(yīng)爆堆的配礦計(jì)劃，自動(dòng)記錄相應(yīng)爆堆礦量的存量與消耗量，及時(shí)提醒進(jìn)一步做好穿孔與備礦工作，實(shí)現(xiàn)均衡出礦[6]。智能配礦軟件的運(yùn)用，需要用到Surpac或3DMine、Deswick等三維礦山軟件。需要準(zhǔn)備具有一定屬性的線文件，將爆堆的編號(hào)、位置、品位數(shù)據(jù)、礦量數(shù)據(jù)等提前輸入，再導(dǎo)入卡調(diào)系統(tǒng)軟件中，這在塞爾維亞也是首次使用，因而對(duì)地質(zhì)工程師需要提前做好培訓(xùn)，對(duì)卡調(diào)中心調(diào)度員的監(jiān)管與運(yùn)用也需要做好交接。

4.3 高精度鉆機(jī)與高精度挖機(jī)

現(xiàn)有炸藥消耗成本占露天礦總成本的12%，為進(jìn)一步降低炸藥單耗，提高鉆機(jī)作業(yè)效率，可以采用卡調(diào)高精度鉆機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)作業(yè)區(qū)域巖性的軟硬程度，合理調(diào)整炮孔間距。通過多次爆破試驗(yàn)，以及對(duì)礦區(qū)巖性分布的研究，明確在泥灰?guī)r、黏土等軟弱巖性中不需要爆破，直接鏟裝；在頁巖、灰?guī)r中，采用7 m×7 m的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行松動(dòng)爆破；在熱液改性高嶺土安山巖和火山碎屑巖中，采用5 m×6 m的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行松動(dòng)爆破；在熱液改性硅化安山巖中，采用5 m×4 m的孔網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行松動(dòng)爆破。采用分區(qū)域鉆孔爆破形式，能夠有效降低爆破成本。

采用高精度鉆機(jī)技術(shù)，可以有效減少人工監(jiān)管，提高效率，減少失誤。主要通過精確導(dǎo)航定位技術(shù)、高精度自動(dòng)布孔，以高性能無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)鉆孔作業(yè)過程的自動(dòng)監(jiān)控監(jiān)測，自動(dòng)搜索設(shè)計(jì)孔位，提高作業(yè)的有效性與安全性[7]。高精度鉆機(jī)的運(yùn)用，預(yù)計(jì)可以提升鉆機(jī)作業(yè)效率8%，并有效地實(shí)現(xiàn)爆破孔網(wǎng)參數(shù)的有效調(diào)整，節(jié)省炸藥單耗5%。

在現(xiàn)場管理中還存在一個(gè)難點(diǎn)，爆破后礦巖界線不清楚，電鏟作業(yè)面寬，礦石貧化難以控制。目前現(xiàn)場管理采用地質(zhì)插旗的方法，對(duì)礦巖邊界進(jìn)行標(biāo)識(shí)，但插旗過程中受個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷的因素影響較大。采用電鏟高精度定位系統(tǒng)，將礦巖邊界的電子圖輸入系統(tǒng)，通過高精度GPS定位，可以精確控制電鏟作業(yè)范圍，杜絕越界開挖，減少礦巖混裝現(xiàn)象，有效改善貧化損失問題，加強(qiáng)礦山品位控制，提高礦山經(jīng)濟(jì)效益。

4.4 成本管理

礦山成本管理中，油耗的管理尤其重要，可將油耗、電耗、維修費(fèi)用等重要成本數(shù)據(jù)，分解至每一臺(tái)設(shè)備中，結(jié)合設(shè)備的產(chǎn)量，進(jìn)行有效的管理，實(shí)現(xiàn)所有電鏟、礦卡等設(shè)備的產(chǎn)量與油耗、電耗、維修成本的有機(jī)結(jié)合，從而最終有效實(shí)現(xiàn)對(duì)單位機(jī)械成本的管理[8]。同時(shí)，可以結(jié)合經(jīng)濟(jì)責(zé)任考核，設(shè)計(jì)單機(jī)的考核油耗指標(biāo)，對(duì)于成本異常的機(jī)械設(shè)備要分析原因；對(duì)于成本管控良好、成本有節(jié)省的機(jī)械設(shè)備操作手可以給予績效獎(jiǎng)勵(lì)。

5 結(jié)論

卡調(diào)系統(tǒng)在塞爾維亞VK礦的投入使用，有效地提高了礦山安全管理水平，提高了生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了車輛實(shí)時(shí)定位、車輛防碰撞預(yù)警、生產(chǎn)實(shí)時(shí)調(diào)度與系統(tǒng)智能調(diào)度，大幅降低了車輛會(huì)車風(fēng)險(xiǎn)，提高了設(shè)備出勤率，降低了生產(chǎn)成本。隨著卡調(diào)系統(tǒng)的進(jìn)一步提升與完善，VK礦可進(jìn)一步提高卡調(diào)系統(tǒng)的精度與報(bào)表的準(zhǔn)確性，引進(jìn)智能配礦系統(tǒng)、高精度鉆機(jī)系統(tǒng)與高精度挖機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)將油耗、電耗等成本管理措施集中在卡調(diào)系統(tǒng)中，進(jìn)一步提升效率，節(jié)省油耗與炸藥單耗，提升精細(xì)化管理水平?？ㄕ{(diào)系統(tǒng)的成功運(yùn)用，使VK礦在設(shè)備大型化基礎(chǔ)上，自動(dòng)化、智能化管控水平得到了跨越式的發(fā)展，進(jìn)而打造塞爾維亞境內(nèi)規(guī)模最大、自動(dòng)化程度最高的新時(shí)代智慧數(shù)字露天礦山。