张君 樊永恺 李东岐

（1.长沙施玛特迈科技有限公司；
2.中南大学数字矿山研究中心；
3.长沙迪迈数码科技股份有限公司，）

目前我国大部分露天开采矿山是基于传统的人工调度方式组织生产，生产效率低、安全风险高、设备损耗高。根据生产实践数据统计表明，卡车运输的费用占整个矿山生产费用的40%～60%，卡车的可用时间内非作业状态时间占比达30～40%，造成了很大的资源浪费［1-3］。国外20 世纪80 年代已开始运用运筹学、数学进行卡车调度路径和开采指令的优化研究工作，加拿大在20 世纪90 年代提出通过卫星通信的方式远程操控设备，实现极寒地区的露天开采作业；
芬兰研究使用无线通信网络进行调度通信；
1999 年美国开始研究装备的自动定位和导航技术［4-5］。德兴铜矿是我国最早使用计算机卡调系统的矿山［6］，在没有使用卡调系统之前，日常工作是通过班前分配任务，中途基本不对设备的配置进行调整，后面引进无线电对讲机对卡车、电铲等主要采矿设备进行调度，但是不能从根本上解决车、铲的最佳配合和中途设备出现问题后的动态重组问题，1998 年德兴铜矿从美国模块采矿系统公司引进了卡车计算机调度系统，该套系统是真正意义利用信息化技术、传感技术和电脑调度技术进行调度的开端，其核心思想是在一定约束条件下实现卡车和铲车最高效化利用，如在产量一定的条件下，通过使用最少的卡车和电铲，实现生产作业对产量的要求，在参与的设备数量一定的条件下，通过调度系统使整个采矿系统的作业效率最高。

随着矿山数字化技术发展，例如地质模型三维可视化、生产计划与配矿网络化、质量控制系统检测智能化、无线通信技术特别是4G 通信技术的普及以及5G技术落地、卡车铲车的自动化控制、基于差分技术可达厘米级的设备高精度定位、智能传感器和终端设备大规模应用等新技术推动了新一代智能卡车调度系统出现［7-8］。我国政府一直在积极推进“两化融合”、“中国制造2025”、“2035年远景目标纲要”，在这一政策背景下发展智能矿山是整个矿业行业的迫切需求。针对露天矿山卡调系统技术发展，开展卡调系统构成、关键技术和实践应用3 个方面研究论述［9-10］。

智能卡车调度系统主要由覆盖矿山生产和办公区域的无线通信系统、卡车、铲车以及其它装备的车载终端系统、调度软件系统和监控中心系统组成，图1为智能卡调系统拓扑图，系统组成及功能如下：

（1）无线通信系统主要分为专网网络和公网网络，其中，专网网络需要在生产作业区域建设专用的信号基站并向运营商申请特定频段，优点是信号覆盖稳定，缺点是建设成本高；
公网网络前期投入少，但每年需要向运营商购买流量，一般公网覆盖较差需要增设信号放大器等辅助设施增加信号强度。

（2）车载终端系统是综合运用计算机技术、现代通讯技术、系统工程理论和最优化技术等先进手段建立的集生产监控、智能调度、生产指挥管理为一体的系统。主要功能有定位、导航、收发指令、设备状态识别与报告、语音播放、数据采集、统计等。

（3）卡车智能调度软件系统主要包括基础信息管理、专题图管理、调度功能、查询统计分析功能和系统接口等功能模块。

（4）监控中心系统包括服务器、客户端电脑、大屏等，并与其它矿山数字化系统进行数据对接。

智能卡车调度系统核心设备是车载终端系统和调度软件系统。

（1）车载终端系统分为车载硬件设备和车载终端软件。车载设备安装在需调度车辆上，主要由矿用本安型车载终端、语音设备、车载摄像头、各类传感器、车载CPE（4G/5G 通讯）等组成，车载终端系统组成见图2。车载终端软件包括定位功能、导航功能、调度功能、语音播报提示功能、设备状态自动识别、车辆状态报告功能、通讯和接口功能、报警功能、数据统计功能和故障上报功能等，车载终端软件界面及功能模块见图3。

（2）卡调软件系统包含基础信息管理、专题图管理、调度、查询统计分析和系统接口等功能模块，如图4所示。软件系统一般采用B/S架构和服务相结合的混合方式，通信采用标准的中间件技术，因此，不管是项目现场还是远程总部都可以很方便地通过web页面进行访问，且没有并发访问限制。

利用线性规划理论，建立矿山的车流规划数学模型，以车辆数量一定的前提下实现产量最大为原则，实现各个最优路径上的车流计算，以此作为实施调度的基础。当有装卸设备出现故障、强度下降或有卡车因故退出自动调度状态时，动态启动车流量的规划，智能调度系统功能组成见图5。在矿山实际应用中一般有3种调度模式：

（1）定产派车，提供定铲定车调度的界面供用户指定铲车、破碎站和若干辆卡车到特定的地点。

（2）自由调度，给定若干台铲车和若干个破碎站，再指定若干辆卡车，由系统自动安排卡车到某个铲车装料，去某个破碎口卸料，系统支持多个区域的实时调度。

（3）人工干预调度，用于一些特殊情况的处理，临时将车调到别处。

在实践应用过程中设备的定位精度、无线通信网络稳定性、传感技术的可靠性以及与其它数字化系统的协同的流畅性是影响智能卡调系统效果的重要因素。

目前基于GPS/ GALILEO/BDS 普通民用定位误差一般在10 m 以内，特别是对于露天坑开采导致运输卡车或挖机在坑底GPS 信号弱，会进一步影响定位精度，因此，为了实现厘米级高精度定位，采用RTK（Real-time kinematic，实时动态）差分定位技术。RTK 载波相位差分技术是实时处理2 个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。这是一种新的常用的卫星定位测量方法，以前静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK 是能够在野外实时得到厘米级定位精度。具体到卡调系统应用中，可在矿区周边布置差分基站用于校准定位精度。

目前主流的无线通信方式是4G 网络通信，但是随着5G 技术的落地应用，也为智能卡调系统未来的发展提供了一种可能性，5G 技术高带宽和低延迟的特点可以为将来集成各类监控数据和传感器数据、无人驾驶等提供必要的通信条件。在使用公网网络过程中，由于经常出现信号弱或信号盲区等问题，往往需要通过增加信号塔、信号放大器等方式优化网络环境。

未来随着传感技术不断发展，在卡调系统中可以接入更多物理状态检测数据，如卡车和铲车CAN总线数据可以实时获取车辆运行状态并发送给调度平台以供决策；
调度系统实时获取车辆剩余油量情况，可以合理安排车辆在达到设定预警值时前往加油站加油，就不会出现半路没油或排队加油的情况。通过称重传感器可以更好地判断车辆空载还是重载状态，同时作为地磅系统辅助手段进行运量的统计。此外通过毫米波雷达可以进行紧急避障和主动刹车，减少安全事故。

目前露天矿山数字化和信息化水平日新月异，在地质资源、凿岩爆破、生产计划、配矿、质量检测、安全监控和生产执行等环节都实现了数字化、信息化和网络化协同办公，如图6所示。

通过打通各个系统的数据接口，形成“1 个数据中心、N个应用系统”的智能矿山应用体系，卡调系统接收来自数字采矿软件平台的配矿信息和生产计划信息进行规划调度，安排车辆前往对应的作业点进行施工，同时接收来自质量控制系统的数据，及时调整调度计划，从而保障出矿品位的稳定。

洛阳富川矿业有限公司上房沟钼矿是我国重要的钼矿生产基地，采用露天凹陷坑的方式进行开采，矿山产量为165 万t/a，是亚洲最大的露天开采钼矿。1988 年采用平硐开采，1996 年转为露天开采，截止2004 年形成了1 000 t/d 的生产能力。2020 年洛阳富川矿业有限公司着手进行露天矿数字矿山建设工程，过去矿山依靠大量的运输队进行露天矿石的搬运工作，有矿山自有的运输车队，也有外包运输车队，矿山管理部门每天需要花大量的时间和精力去协调施工队伍的运输作业，协调难度大，造成生产计划的紊乱，导致出矿品位很不稳定，进而影响了选矿质量。

数字矿山一期规划40台卡车进行智能化调度系统改造，并同时开展三维数字化软件、自动配矿系统、生产执行系统、三维管控平台和中心监控系统建设。洛阳富川矿业有限公司上房沟钼矿露天智能卡车调度系统总体设计方案如图7所示。

在车辆安装智能车载终端、无线通信设备、GPS定位设备，实时收集车辆的位置信息，同时接收卡调服务器发送过来的各项指令。在矿山调度中心部署智能卡调系统服务器，主要作用是存储各类监测监控数据；
部署矿山智能卡调系统软件，通过软件系统实现数据采集、分析和统计，同时结合生产计划完成车辆的调度安排。

上房沟钼矿主要卡车类型为运输矿卡、挖机和洒水车，采用公网网络进行数据通信，车载终端系统主要包括车载智能控制终端、信号转换器、车载摄像头和GPS天线，见图8。卡调软件系统界面见图9。

在实际应用过程中，智能卡调系统还要与矿山数字采矿系统、配矿系统、生产执行系统联合使用，从而形成一个完整的生产作业闭环。每天将生产计划数据导入到卡调系统平台中，平台根据调度算法自动分配调度指令到每辆车的车载终端中，司机接收到调度指令后就会前往指定的作业地点进行装矿和卸矿，卡调系统会自动统计当天车辆的生产作业数据，并提交到矿山生产执行系统中进行数据检验和统计，相关数据统计结果会显示在矿山综合管理平台中。

上房沟钼矿通过智能卡调系统的应用，在以下几个方面取得了很好的效果。与原来的人工调度相比，设备状况相近的情况下，采矿作业效率提升了20%以上；
实现了卡车定产派车、自由调度，降低了沟通时间成本、减少了压车排队情况、提高了卡车的台班效率，降低了油耗；
智能卡调系统收集了大量的卡车和生产计量数据，为矿山分析生产作业情况、考核司机的生产率、分析设备事故情况提供了大量及时有效的数据；
由于定位功能的使用，可以使得矿山调度人员准确掌握车辆位置信息，对于一些异常情况或危险情况可以及时发现，并采用语音播报的方式提醒司机，同时车载摄像头可以监控司机不安全的驾驶操作动作并及时提醒；
与配矿系统联合使用，提高了出矿品位的稳定性，间接增加了企业的效益。

通过对露天矿山智能卡车调度系统的构成、关键技术的探讨和研究以及实际在矿山的应用情况分析，得到了以下几个方面结论：

（1）矿山智能卡调系统是由无线通信技术、智能车载装备、高精度定位技术、线性规划理论以及与其它协调作业的一种高度融合的车辆调度系统，可以真正实现卡车和铲车高效化利用，提升企业的生产效益。

（2）矿山智能卡调系统是一种高度信息化和自动化技术，可以实现生产数据自动化统计和智能化分析，为矿山分析生产作业情况、考核司机的生产率、分析设备事故情况提供了大量及时有效的数据。

（3）在矿山安全管理和出矿品位控制方面，露天矿山智能卡调系统也能起到很好的管控作用。

露天矿智能卡车调度系统在我国还处于初步推广阶段，但是发展的速度非常快，智能卡车调度系统未来发展趋势是无人驾驶，而实现无人驾驶需要突破以下几方面的技术瓶颈：

（1）高精度实时定位技术，采用RTK 差分技术实现厘米级定位精度，并配合高精度电子地图实现准确的导航，定期采用无人机进行倾斜摄影航拍更新电子地图。

（2）智能危险感知技术，通过智能终端系统接入激光雷达数据、毫米波雷达数据、IMU车辆姿态数据、车辆状况数据等各类环境和自身状态信息，使用人工智能算法控制车辆行驶、急停，采用示教和循迹策略实现车辆安全行驶。

（3）5G无线通信，专门针对采场环境做5G 优化，实现大数据实时上传和下传。

（4）加强矿山各个系统的协同作业，单纯的无人驾驶还不能解决矿山实际开采面临的问题，需要融合多个高度自动化和数字化系统，才能真正实现矿山无人高效安全开采的目标。

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