矿山开采环节电气自动化技术的应用策略——以传感技术为例

郭润梅

（兰州石化职业技术大学，甘肃 兰州 730207）

传感器技术已经广泛应用于矿山开采领域，包括在自动化和远程操作等应用领域，以及用于控制和优化数据分析。本文的讨论范围是确定和呈现将在未来十年内实现的可行的传感技术。它包括对目前现有的传感系统的举例分析，以及对未来的矿山开采传感前景的概述。本文概述了目前矿山开采中的主要传感应用，包括支持它们的技术和方法，以及可以增强这些应用的发展可能性，包括定位和跟踪﹑成像﹑三维测距和测绘﹑矿石成分分析﹑勘探等。最后，本文介绍了在矿山开采中应用的传感技术的展望，确定了在矿山开采中所需要的关键传感技术。以下首先介绍传感技术在矿山开采中的应用策略。

1 定位和跟踪技术

如今，各种传感器技术一般涉及到相对和绝对位置的检测﹑跟踪和通信，但也涉及到车辆﹑设备和其他资源的位置情况等。在矿山开采领域，这些技术主要涉及无人驾驶汽车控制﹑设备的远程操作﹑资产管理和跟踪﹑现场安全和人员定位。这类传感器系统的主要类型是卫星(GPS)和地面（基于无线电频率的）定位系统﹑航迹推算系统（基于惯性传感器的位置跟踪）﹑信标传感器和标记技术。

1.1 无人驾驶技术

矿山开采业已经使用无人驾驶汽车多年，以降低运输成本和安全考虑。局部传感和控制等电气自动化技术为车辆提供了更多的自主性。车辆可以连续运行，并具有各种支持的功能，如路线和位置优化﹑避免碰撞和维护控制等。另外，诸如实时跟踪﹑调度﹑分配和生产力管理等功能也正在成为传感技术中可行的方案。

这一领域的发展主要源于先进的乘用车驾驶辅助系统的快速发展。这些系统提供了越来越多的功能，包括导航﹑避免碰撞﹑停车辅助和自动停车﹑变道辅助和自适应巡航控制。由于各种要求，这些系统还集成了超声波和激光雷达传感器。矿山开采自动化预计将受益于这些系统在汽车市场上的成本降低。其结果将是汽车自动化的传感器数据更丰富的组合，以及更精确和可靠的控制。

1.2 射频定位

全球实时定位几十年来一直为矿山开采领域的定位和跟踪发挥了巨大的作用。地面接收器可以从来自四个或更多已知位置的卫星的已知代码序列中确定具体位置，利用同步确定的飞行时间﹑传输时间和卫星位置来同步确定其位置。目前正在使用的主要系统是GPS，系统能够提供约5米的范围精度。目前，这一系统正变得越来越精确，主要是通过在固定的位置使用二级接收器。这种混合系统的一个商业例子是在大多数智能手机产品中发现的辅助GPS服务。此外，中国的北斗系统和欧洲的伽利略系统预计将提供厘米级的绝对定位来作为一种商业服务供大众使用。

对于室内位置，基于类似的工作原理也可以实现射频定位。在这类系统的最新进展中，美国宇航局采用了超宽带实时跟踪系统，并提出用于各种应用，包括矿山开采地点导航，具有高精度﹑可扩展性和双通信等特点。在短暂的离线周期的情况下，这些系统通常能够从最后一个已知的位置和运动状态来估计位置，然后通过对加速度和方向的局部跟踪来估计位移。用于矿山开采应用的射频和惯性传感器系统已经被设计和应用。纯粹的惯性定位系统也具有一定的可行性，特别是可以定期访问一个已知的位置。随着地下作业的日益自动化，具有离线能力的室内定位将变得越来越重要[1]。这种定位系统进一步可能的应用应包括自动操作的机械臂和开采的铲端。一个例子即CRC矿山开采扫描范围传感器，其中距离传感器在现场主要用于矿山开采铲的控制。

1.3 信标和RFID传感器

位置信标系统目前用于洞穴监测的挖掘。矿石位置用信标标记，以监测矿山开采活动期间的情况，以预测矿石中的杂质情况。这种实时洞穴运动监测技术可以实现一定程度的优化。目前的技术涉及到大尺度的信标，主要是需要发射一个旋转的磁场。它们的位置可以由一个固定的探测器来确定。信标系统也可以用于局部定位，通过提供邻近信息，检查点，或特定区域的围栏来进行局部定位。这种系统的一个案例可以在将射频信标引入到室内定位的消费电子无线设备中中找到。在这些应用中，低功耗运行和能源效率是关键要求。

类似的定位原理也可以通过使用射频识别(RFID)标签来实现。一个移动的物体可以被一个本地的RFID阅读器跟踪，在几米的范围为被动标签，或在几十米的范围为主动（电池供电）标签。相反，装有RFID传感器的移动物体可以通过识别已知位置的被动或主动标签检查点来跟踪自己的位置。基于RFID的信标解决方案的主要优势是允许以最小的成本使用大量的标签。

1.4 短程估计传感器

短程估计传感器也可以用于定位和跟踪，可以作为独立的系统或与其他定位技术相结合。它们通常在矿山开采作业中的使用主要与无人驾驶汽车等自动化设备的位置和定位控制有关，包括避撞和人员安全。在方向控制中，接近开关和扫描系统与中央定位系统(地面射频﹑GPS等)一起运行，提供补充信息，提高相关自动化的准确性﹑速度和可靠性的能力。在避碰方面，短程估计传感器用于检测和防止危险情况。主要的短程估计传感器技术是基于感应﹑电容﹑电磁﹑超声波和光学工作原理而进行工作的。感应式和电容式短程估计传感器分别通过物体的近距离存在来检测磁场和静电场的扰动。因此，它们倾向于在近距离操作，通常距离要求低于100mm。电磁﹑超声波和光学短程估计传感器可以提供远程检测，并可能提供进一步的关键信息，如距离﹑接近速度和温度。目前用于矿山开采场地的系统主要是基于电磁传感器的自动车辆避撞系统。

2 成像、三维测距和测绘

图像和测绘传感器在矿山开采工业中得到了广泛的应用。这些应用包括现场本地和远程操作监控﹑设备监控和控制，以及车辆自动化。它们在大规模地形和测绘﹑储量监测﹑洞穴演化跟踪﹑岩面监测和颗粒测量等方面发挥出了在矿山开采领域中的特定用途[2]。

2.1 视觉传感器

视觉传感器是基于电荷耦合设备(CCD)或CMOS传感器而制造的。它们都是基于入射光子的电子激发，由此产生的电荷代表光的强度的原理来进行工作的。光学滤光片用于捕获红﹑绿和蓝光。在CCD中，每一帧都是通过静电门控将连续的电荷从一个像素移动到另一个像素来提取的。在CMOS传感器中，每个像素都有一个电荷放大器，并且可以单独寻址。CCD传感器实现简单，使用成本低，能够快速提高像素密度﹑阵列大小等，而CMOS成本也低，但能够提供更低的功率和更快的操作，以及能够与硅电子产品集成。由于其具有非常庞大的消费市场，用于静态或视频图像的CMOS相机传感器以非常低的成本和高像素数受到广泛应用。另外，因其尺寸较小，所以它们能够与非常小的光学系统兼容，并且具有额外的功能，如自动对焦﹑变焦等。

2.2 红外传感器

红外相机在矿山开采中的应用包括车辆和其他矿山开采设备的防碰撞处理﹑受阻照明条件下的视觉处理，以及探测危险，如煤的自燃等。红外传感器的工作原理是入射红外辐射的热效应，如电阻的变化﹑热电或热释电效应或热膨胀，另外还有工作原理是基于电子激发效应。近年来，低带隙半导体和超晶格材料的发展使得红外传感器能够在更高温度下以高分辨率运行。另外，传感阵列已经用于军事，这一应用使得便携式传感成为可能。此外，有智能手机已经推出了一种简单﹑低成本的便携式红外相机，其主要基于来自红外和可见光相机传感器的数据组合处理。

2.3 深度传感器

从2000年至今，视觉传感器的快速发展为各种新的设备提供了可能。一个具有代表性的例子是深度传感器——一种能够提供图像三维轮廓的设备的出现。现有主要的深度传感器技术主要包括ToF成像﹑立体传感器﹑结构光技术和光场摄像技术等。ToF成像包括调制(IR)光的传输和检测﹑相移测量和对距离的转换。立体感知包括从不同的角度获取图像和基于算法的三维重建。结构光技术是基于红外点﹑条纹或多个可编程模式的传输和检测，以及基于对这些信息分析从而完成对深度的确定。

在光场相机技术中，利用微透镜捕捉每个像素的光方向信息，这些信息随后被用来推断深度剖面的三维图像，例如重新聚焦图像等。最近的进展涉及到新的光学透镜方法，如联合使用传统的透镜和微透镜来实现全分辨率的定向捕获。这类传感器的制造商包括Raytrix公司和Lytro公司。激光设备在矿山开采过程中通常用于手持定制测距系统，也用于远程测绘，特别是岩石面分析。便携式激光测距装置的一个例子是激光技术TruPulse360系列，它可以测量斜坡距离和倾角。

2.4 三维映射

三维映射是基于光学和位置/方向传感器的结合，有时辅以其他硬件，如深度和邻近检测，以及空间重建软件等等。硬件在视角﹑景深﹑分辨率﹑定向精度等方面的发展在三维映射的发展中发挥了重要作用。目前，将多个传感器采集的数据合并到一个三维空间模型中是一个关键，因为这可以从大量原始数据中实时提取并提供所需的信息，从而降低存储和传输成本。成像重组的一个例子是沉浸式成像系统，它使用拼接算法构建单个位置周围的完整全景图像。另一个例子可以在谷歌的一个项目中找到，这是一个主要用于室内位置的三维地图系统。它是基于最先进的光学﹑定位﹑接近度和加速度传感器与数据重组算法的组合。整个系统可以装在一个智能手机大小的包装中。这一发展有望既能降低成本，又能提高目前可用的中小型三维监测系统的性能。

许多自动导航任务中的一个重要挑战是同步定位。在局部地图和精确位置都不完全可知的情况下，通过迭代两者之间的计算来提高这两个任务的准确性。预计改进性能的位置和映射传感器能大幅提高其使用率。

3 矿山开采中的成分分析

成分分析的关键应用是确定挖掘过程中矿石的元素组成(例如：用于钻孔定位）﹑加工（例如，控制选矿设备），以及在挖掘﹑加工和运输过程中按矿石品位进行分类。由于对低品位矿石开采和加工的需求，矿石品位分析变得越来越重要，同时也越来越具挑战性。目前，电气自动化为这一过程建立了矿石级分析方法，如X射线荧光和x射线衍射等，目前主要支持实验室分析。然而，一些分析技术的手持现场仪器正在成为可能。基于实验室的设备的一个例子是由qemscan系统开发的基于结合扫描电子显微镜和能量色散x射线光谱为基础的设备。电气自动化的进步使得手持设备的发展成为可能，比如微型穆斯鲍尔波谱仪，最初是为美国宇航局开发的，现在已经被用于矿山开采分析。微机电系统(MEMS)技术的使用使便携式质谱仪的开发成为可能，其能够用于液体﹑固体和气体分析的各种应用，为现场移动或预装矿石分析解决方案提供了可能性。材料分析仪器的下一步发展将是利用直接安装在设备中的微型模块，如挖掘具和钻头，对矿石进行实时成分评估。

品位分析中的一个关键挑战是从材料组成中确定实际品位，因为不同的材料﹑复合材料和浓度在矿物加工过程中表现不同。基于传感器的矿石分析的进展扩大了可以通过矿石取样检索到的信息量。到目前为止，这些系统只使用更简单的传感器类型（照相机和红外光谱学）来结合软件分析，如粒子识别。例如，动力感应已经向市场引入了能够检测有效载荷的系统，包括使用高速XRF和高频电磁波谱学的矿石品位评估。这种实时矿石分级系统的好处包括最大限度地减少矿石类型的错误分配和矿石稀释，从废物中回收矿石的机会，通过减少废物的质量来提高矿石品位。在能源消耗方面，可以实现减少破碎和研磨的需求；在水资源节约方面，在研磨过程中需要的水更少。总之，矿山开采的一个关键挑战是找到一种有效开发高品位矿石的方法。在这种情况下，实时矿石分级系统在精确加工和补充资源效率方面具有革新矿山开采业的潜力。

4 传感技术在矿山勘探中的应用方法

4.1 重力梯度法

重力梯度法已经成为测量地球重力加速度变化的常用技术。它在矿山开采中的应用与确定地球的地下密度剖面有关，这可以表明矿床的存在。目前广泛使用的传感器技术是基于旋转圆盘上切向加速度的差分测量。另外，如静电重力梯度仪(EGG)也可以提供了相当高的精度。欧洲航天局的GOCE任务使用了一个EGG装置，提供了一个精确的全球重力模型﹑一个全球地壳-地幔边界剖面以及一系列的次级数据和信息。

4.2 延时地震监测

地震仪通常被设计用于测量地壳的低频大振幅运动，使用悬挂在宽频率响应的弹簧结构上的惯性质量来实现。它们通常用于石油﹑天然气和矿山开采应用，以估计勘探阶段的地下成分。时间推移地震监测（四维地震监测）是指对地震振动的连续监测，以实现对场地行为的动态理解。在传感器技术中的最新进展已经允许测量具有适合于分布式安装的装置尺寸的微地震活动。这些系统对挖掘地点﹑洞穴/坑稳定性﹑对异常矿井地震活动性和地震灾害的详细评估﹑绘制放崩前传播和诱发地震响应都有很好的监测效果。

5 结论

在传感器技术领域中，准确和广泛可用的定位有利于矿山勘探的有效性﹑资产管理﹑运营控制和扩展集中化等等。矿石品位监测有望使得矿山开采这一过程从低品位矿床中更有效地开采出高品位矿石。根据特定于矿山开采的操作条件和技术，电气自动化技术中的传感技术发挥出了巨大的作用。因此，矿山开采﹑网络分析和传感行业之间的更密切联系将成为制定可持续的矿山开采路线的重要思路。