露天采石矿山无人机生产调度指挥体系的构建与实施

张中雷，张兵兵，方 翔，余斌杰，葛 坤，崔晓荣

(1.大昌建设集团有限公司，浙江 舟山 316021； 2.宏大爆破有限公司，广东 广州 510623)

0 引 言

无人机航测技术具有速度快、效率高、不受地形地貌限制、三维可视化效果好等特点，已应用在城市测绘、土地整治、水利工程、地质灾害防控等方面[1-4]。露天矿山规模大且地形地貌复杂，传统的测量手段耗时长，人工劳动强度大，不利于生产计划的及时制定与优化调整。随着无人机航测技术的出现，逐渐打破了这一僵局。目前，针对无人机航测在露天矿山方面的研究，朱海斌等[5]利用无人机倾斜摄影技术，进行了露天矿区整体测绘工作及精度评价，认为此技术在大比例地形测绘中具备可行性；赵红泽等[6]基于小型无人机航摄的特点，利用Pix4D软件对航拍图像进行自动识别处理，生成了露天矿山的三维数字表面模型，极大地提高了工作效率；贾虎军等[7]采用无人机航测技术，得到了高精度的尾矿库数字地表模型，对于计算堆排量变化范围、构建堆排三维模型等效果较好，为预测尾矿库的安全稳定性提供了依据；李长青等[8]通过布置少量控制点，借助无人机航测快速地重建了露天矿三维模型，且满足1∶500的地形测图精度要求；张玉侠等[9]将无人机倾斜摄影测量成功应用在矿坑及排土场规模的计算中，精度较高，降低了人工劳动强度，为环境监控提供了科学依据。此外，刘亮等[10]通过分析近景摄影系统的组成及优缺点，认为数字摄影技术有助于露天矿山台阶爆破的可视化设计，可以解决当前爆破施工中存在的获取资料难、建模周期长、精度差等问题。低空无人机航摄应用于露天矿山的土石方量计算，与传统的DTM三角网法相比，相对误差不大，为现场实际生产提供了支持[11-12]。

综上所述，无人机航测技术在露天矿山领域已有较多应用，主要包括三维模型重建、工程量计算及稳定性分析等，侧重于解决露天矿山相关的具体技术问题，与露天矿现场生产方面契合度不够好、衔接程度不高，未能系统地指导露天矿现场实际工作，尤其是在生产调度指挥方面的研究较少。基于露天矿生产任务和强度大、现场有序管理难的特点，分析及构建无人机在露天矿山生产调度体系，具有一定的实际意义。

1 工程概况

1.1 工程背景及重难点分析

舟山绿色石化基地位于浙江省舟山市岱山县大、小鱼山岛围垦区，是国家石油化工“十三五”规划重点项目之一，是(浙江)自由贸易试验区建设的重点和核心。舟山绿色石化基地建设前期施工任务主要是在大鱼山岛东西两侧实施开山、围填海工程，为舟山绿色石化基地建设提供必需的建设用地，围垦后形成深水岸线长约4 000 m，陆域面积约41 km2，拟建成我国岛屿型、现代化、生态型，具有国际先进水平的炼化一体化石化基地。

露天矿山开采爆破工程是舟山绿色石化基地建设工程的重要组成部分，为石化基地陆域形成及围堤工程提供石料供应，同时也为石化基地提供建设用地，在整个项目中处于龙头地位。一期开山爆破工程总工程量3 400万m3，总工期20个月，由大鱼山岛、小鱼山岛在内的10个相对独立的开山区域组成，开采石料主要用于南防波堤工程、一期陆域形成、西北防波堤工程、大桥接线成陆工程、北部成陆工程等；二期开山爆破工程主要位于一期开山爆破工程的东侧，土石方爆破开采方量约4 800万m3，开采工期19.5个月，开采区域由大鱼山岛1#～7#山体和小鱼山岛五区、六区组成，主要用于鱼山大桥接线工程、二期东侧堤工程及陆域形成地基加固工程等。本工程有如下的重点难点。

1) 大规模石料供需平衡调度。工程需要进行大规模、高强度的石料开采，满足下游不同施工区域的多家用料单位的石料供应，同时满足不同用途石料的质量要求，包括石渣垫层、堤心抛石、护面块石、陆地抛石、水下抛石、陆域堆载预压等，每种石料都有级配、强度、含泥量等方面的要求。

2) 多规格石高强度安全开采。石料开采规模大、工期紧、强度高，稳产期保持300万m3/月，日穿爆和挖运量需高达12万m3左右，加上爆破作业点多面广，岛上施工单位多、人员杂，采区临近多家施工单位临建区、绿色石化装置区等，爆破区域周边环境复杂，须严格控制爆破振动、爆破飞石等爆破负面效应，对爆破技术管理水平提出很高要求。

1.2 生产调度体系构建的必要性

露天矿山占地面积大，基本上以台阶剥离或者穿孔爆破为主，使得工作面数目较多，道路设计复杂多变，服务的机械设备也较多。因此，为了确保矿山的安全高效运行，需要及时了解矿山的生产计划执行情况，进而采取行之有效的调度指令。而传统的露天矿山调度指挥系统存在一定的缺陷，以采用全站仪、RTK等测量为主，其数据采集耗时长，人力劳动强度大，且由于露天矿山地形的复杂性，一些陡峭位置的数据难以获取，导致了矿山地形数据不完整，不利于后期制定合理的生产计划。同时，存在数据更新速度慢、数据的可视性效果差等缺陷，不利于跨部门沟通，甚至曲解生产调度指令；此外，生产主要依靠有经验的人员进行现场指挥，增加了人力成本，也存在指挥不当甚至不可执行的情况，难以实现采矿专家的远程诊断和指导。

而无人机航测技术测量速度快，10 km2左右的露天矿山，可在两个小时内完成测量。且自带的数据收据采集及处理软件的功能强大，可实现航拍数据的三维解析，得到露天矿山的三维数字模型，真实地反映矿山的完整地形地貌及现场施工执行情况。在此基础上，可以获取矿山的数字表面模型，三维可视化效果极好，为矿山的生产规划设计和矿山实景巡查与执行偏差比对分析提供基础数据，为矿山调度指令的研究与下达、检查与纠偏提供技术支撑，也可进行采矿专家的远程诊断和指导，解决了采矿专家上岛难、耗时长、费用高的问题。

2 无人机生产调度体系的构建

2.1 无人机测绘系统选型分析

无人机航测技术具有测绘效率高、无死角等优势，微型无人机、小型无人机一般搭载摄像头获取图片和录像，采集的数据是定性的，无法满足矿山定量化测量的要求；中型无人机、大型无人机可以搭载各种矿山测量设备，但投资造价较高，对无人机驾驶员的要求亦较高，不具备经济合理性。因此，基于矿山测量精度和设备投资造价控制的要求，应选择价廉物美的轻小型民用无人机为搭载平台，进行露天矿山测量和三维建模。通过综合分析小型无人机搭载平台和负载数据采集仪器的特点，认为以下四种方案可行：方案一：固定翼无人机正射影像航测；方案二：多旋翼无人机倾斜摄影测量；方案三：多旋翼无人机雷达系统；方案四：机载三维激光扫描系统。

上述四种无人机的露天矿山测量与三维建模系统，因无人机的飞行原理不同，飞行速度和搭载负荷大小存在差异；同时，因为搭载数据采集仪器的测量原理不同，测量效率和仪器设备自重也有较大差别。因此，需要进行无人机搭载平台与负荷的匹配分析(表1)，同时兼顾系统的经济性、实用性，优选满足露天矿山测量与三维建模相关技术指标要求的无人机测绘系统。

表1 无人机搭载平台与负载的匹配分析Table 1 Matching analysis of the platform and load of the UAV

露天矿山测量与三维建模相关技术经济指标要求包括测量效率、测量精度和设备系统价格等，建议首选价廉物美的方案一，可选用1∶500、1∶1 000和1∶2 000比例尺测绘，测量精度能满足矿山宏观生产调度需要；方案二、方案三和方案四的测量精度稍高，可进行1∶200和1∶500比例尺测绘，但测量效率降低一个数量级。方案二投资价格稍高，不失为较好的备选方案，但数据后处理软硬件系统的要求较高；方案三无测点的颜色信息，导致数据后处理中的点云分类与提取较难，对点云编辑与处理的要求较高；方案四，当前阶段无人机搭载平台与负载的匹配不太理想，加上价格比较昂贵，暂不推荐使用，但随着机载三维激光扫描仪的轻便化和高效化的发展，其整体优势将进一步凸显。

2.2 无人机调度指挥系统的架构设计

在露天矿山开采过程中，无人机调度指挥系统架构主要包括无人机航摄影像的采集与三维解析，将解析后的航测成果应用在现场生产规划及安全生产管理等方面，实现下达及执行生产调度指令的目的，且实现露天矿山生产过程管理水平的PDCA循环提升(图1)。其中，执行层为无人机调度系统的技术支撑，快速准确地获取矿山的地形地貌信息，生成可视化的矿山采场数据。管理层为数据的分析及应用阶段，将得到的航测数据用于指导现场实际生产调度工作，进行实景巡查和工程量计量等工作，有效保证了矿山的高效生产。具体主要通过以下步骤来实现。

图1 无人机航测指导生产的流程Fig.1 The process of UAV aerial survey guiding production

1) 航测无人机外业作业的准备，包括飞机组装、地面站安放和相机安装调试及地面站软件检查与设置和飞行检查、飞行计划规划设计及绘制，最后上传飞行计划，执行飞行任务；分别收集航拍外业作业获取的正射影像和POS数据，接着进行数据预处理，包括POS数据的差分和图像与POS数据的匹配，使数据格式满足图像解析软件的格式要求。

2) 利用采集的航拍图像、POS数据和输出坐标系要求，进行初步空三处理，生成未畸变图像，为后续控制点匹配和空三加密奠定基础；输入控制点，进行控制点匹配，再进行空三加密解析，获得整体的高精度的矿山三维模型的密集点云；基于矿山的整体三维密集点云，通过专业的数据后处理自动获取矿山的等高线，在此基础上进行局部台阶剖面的描图补充，获得标准化的数字线划地图；基于数字线划地图，利用数字矿山软件进行三维建模并进行矿山三维规划与设计；基于矿山的整体三维密集点云，建立矿山的数字表面模型，再进行数据局部优化建立矿山及其周边区域的实景模型。

3) 通过航点采集输入，进行矿山实景巡查，了解矿山宏观生产数据，必要时采用小型旋翼无人机进行补充巡查，全面、准确地掌握矿山生产执行情况的动态数据。比对矿山三维规划设计和矿山生产执行数据，发现差异并分析原因，研究分析并下达现场调度计划指令。

4) 调度指令的执行监督与纠偏，包括日常检查和阶段检查，其中日常检查主要通过小型旋翼无人机进行，阶段检查利用轻型航测无人机进行，同时适时重复并迭代上述步骤，进行下一轮生产执行数据的及时更新与分析和安全生产调度指令的执行检查与纠偏，最终实现露天矿山生产过程管理水平的PDCA循环提升。

3 无人机航测生产调度系统的实施

生产调度体系的有效实施，依赖于无人机航测的准确执行及航测成果的解析，从外业作业获取必要的航测数据，再将这些数据输入到内业处理软件中进行图像解析，将获取的航测成果，结合生产实际情况，综合运用到露天矿山的生产调度指挥工作中。

3.1 无人机航测的外业工作

无人机借助GPS精确定位技术，获取测量瞬间的空间位置，其与测量仪器的摄影中心点空间位置相对固定，可简化空间位置换算，再通过解析空中三角数据处理软件还原航测实际位置。目前常用的方法是区域网平差，即在由多条航线连接成的区域内进行控制点加密，并对加密点的平面坐标和高程进行整体平差计算。

本次采用华测P310系列轻小型无人机，翼展达2.6 m，搭载高分辨率的数码相机用于获取矿山正射影像。无人机外业工作阶段，最为关键的是航线的规划设计。在大鱼山岛航测期间，根据无人机自带的地图显示出测区的地形地貌，结合气候及地理位置分布情况，共布置了4个架次，保证有效覆盖整个区域(图2)，其中架次一的航线规划见图2(b)。为保证最高处重叠率，航向和旁向重叠度均不低于65%，航摄比例尺约为1∶500，平均地面采样间隔4.68 cm。采用定点曝光方式进行摄影测量，共获取了1 216张像片。所拍摄的正射影像图像清晰、分辨率高，明度、色调容易辨别，色彩效果理想。

3.2 航测数据的内业处理

为了还原露天矿山及其周边设备设施的三维属性，需要将系列的二维航拍图像转换为整个矿山的三维密集点云，数据全面、准确且可视性好。无人机航测技术可在短时间内获取测区所在区域的地形地貌信息，数据量十分庞大，三维坐标信息及二维图像信息等，人工处理无法实现，故必须要进行数据的批量解析处理。

本次采用Pix4Dmapper软件进行一站式自动处理，具有操作简单、所有流程均可一站式处理等特点，可快速生成3D地图、三维模型等，进而评价航测成果。首先进行航拍图像的空三加密解析(图3)，使图像还原具有空间属性，实现图像的完整拼接；使用距离幂加权法生成了摄区区域2.5D的栅格数字表面模型(图4)以及数字正射影像图(图5)。

图2 大鱼山岛测区航摄区域分布及航线规划Fig.2 Aerial photography area distribution and route planning in the Dayushan island

图3 空三加密处理Fig.3 Empty three encryption processing

图4 数字正射影像图Fig.4 Digital orthophoto model

图5 数字表面模型Fig.5 Digital surface model

3.3 航测成果在大型采石矿山生产调度中的应用

考虑到本特大型多规格石开采工程的工期短、任务重，分期招投标分期建设，不具备露天矿山生产的长期稳定属性，施工人员设备等临时组建；与常规露天矿山生产工艺“穿孔→爆破→铲装→运输→排土”相比，本工程对“爆破”和“填筑”工艺有较强的专业性要求，为了实现强强联合，爆破单位统一协调实施“穿孔→爆破→铲装”环节，多家填筑单位负责“运输→填筑→建设”环节。

因此，本多规格石开采工程的生产调度系统主要关注“工程进度与计量”和“采场布局与石料调配(含爆破质量控制)”两个方面。无人机调度指挥系统在上述两个方面具备核心优势，即基于无人机航测和三维建模技术，方便快捷地采集了露天采场信息，一是进行“工程进度管理和工程计量”；二是进行“采场布局设计与石料调配”，即先根据地质情况划分区域供应各种规格石，再合理设计爆破参数，最后进行石料的科学调配。

1) 石料供需平衡调度。矿山开采的所有石料均用于舟山绿色石化基地建设陆域形成的施工，矿山开采既为陆域形成提供石料来源，同时又是陆域形成的一部分，开采到设计标高后为舟山绿色石化基地提供建设用地。基于无人机现场巡视和三维建模技术，以人工造地位置及时间节点要求为指导思想，掌握工程整体进展和施工动态，为科学合理地石料供需平衡调度提供了宏观视野和精确计量，提高供需平衡调度指令的科学性，其优势主要体现在以下几个方面。

石料供需平衡的规划设计：利用无人机航测区域大、效率高的优势，动态掌握回填、需料区域的工程整体进展和施工动态，用于分析石料需求计划、开采强度、石料规格等方面的要求。

石料供需平衡的快速计量：基于无人机航测数据及配套Pix4D软件，利用其便捷的面积计算功能，进行开采区移山造地和回填区填海造地进度的管理，有利于早期规划及现场施工安排；利用其体积计算功能框选一定的范围，获取该范围内的方量，进行不同开采区域剩余山体的计量与分析，适时优化调整供料计划，确保供料强度、人工造地进度要求，保证开采石料的加权平均运距短。

石料供需平衡的调度管理：利用无人机航测数据，掌握不同的石料开采区域的石料供需平衡偏差情况，及时下达调度指令纠偏。如果供料大于需料，现场临时堆放石料多，则压制爆破开采工作面，导致区域难以按时爆破至设计标高提供建设用地；需料大于供料，石料供给不足，不利于设计陆域的形成，导致围垦造地上的建设施工推迟。

2) 多规格石高强度开采生产管理。超大规模、高强度多规格石开采调度指挥的原则是供料区域的工程地质情况有利于保证爆破质量、降低爆破成本，同时确保供料区域与需要区域的需求强度匹配、运距短。借助无人机现场巡视和三维实景建模技术，进行多规格石开采工程的规划设计和调度指挥，实现多规格石的定制化、订单化生产，主要开展了以下技术和管理工作。

复杂开拓运输系统的规划与设计：基于开采区域的三维数字化建模技术及其配套Pix4D软件，可进行长度、面积、体积的快速测量，定量地获取采场工作线长度及位置、施工工作面大小、石料开采工程量等矿山开采设计所需的技术参数，进行可视化的复杂开拓运输系统的规划与设计，从而合理划分爆破区域、配置施工设备。

多规格石开采计划编制：采区地表三维模型和工程地质资料相结合，进行供料区域与供料质量的设计，即根据爆破岩体的裂隙发育程度等地质参数确定拟爆破的规格石种类，地质匹配有利于提高爆破质量、降低爆破成本，同时兼顾石料调配运距合理。

调度指挥与专家远程诊断：基于矿山的整体三维密集点云，建立矿山的数字表面模型，再进行数据局部优化，建立矿山及其周边区域的实景模型，可进行矿山现场实景巡查，了解矿山生产数据，必要时采用小型旋翼无人机进行补充巡查，全面准确地掌握矿山生产执行情况，并可同时比对矿山三维规划设计和矿山生产执行数据，发现差异，分析原因下达调度指令。

自带绘制及测量功能，可将航测成果进行更为有效快捷地展示，节省了大量的前期测量和管理工作的时间，不需要很多的现场管理人员。考虑到矿山的地理位置较为偏僻，交通状况不佳，可将航测成果远程传输到总指挥室，采矿专家可远程审阅航测成果，进行远程诊断，极大地提高了生产和管理水平；航测成果的三维可视化效果较好，不存在监测死角，生产管理工作检查、中长期生产计划制定、优化生产工艺等，不需要多次爬山涉水现场勘查，极大地提高了工作效率，更有助于采矿专家全面管控与指导现场生产工作。

4 结 论

1) 通过分析小型无人机搭载平台和负载数据采集仪器的特点，提出了四种无人机选型方案。综合考虑大型露天采石矿山测绘的需求和无人机航测的相关技术经济指标，分析了四种选型方案对应的测量效率、测量精度和设备系统价格，认为选用固定翼无人机正射影像航拍系统更为合理，在此基础上进行了无人机生产调度系统的架构设计。

2) 无人机调度指挥系统具有粗细结合、及时高效的特点，通过高效的固定翼无人机航拍及集成化的图像解析与数据后处理获得宏观的矿山地表模型，同时利用灵活的小型旋翼无人机进行必要的补充踏勘了解细节，确保矿山生产执行数据的全面性、及时性和精确性。为及时并科学地研究并下达调度指令奠定基础，亦有利于调度指令的执行检查与纠偏和采矿专家的远程诊断与指导，适应露天矿山动态管理需求和持续提升技术管理水平的需求。

3) 采用无人机航测技术获取了舟山大型露天采石矿山的正射影像及三维模型，实践表明，航测成果可较好地应用在石料供需平衡调度与多规格石高强度开采生产管理方面，保证了工程进度与采场布局的协同发展，有利于大型露天采石矿山的生产调度指挥，取得了较好的技术经济效益。