基于多源数据融合的露天矿山智能卡车调度系统研究

王文达，史普东，钱海兵，辛伟，刘光伟

(1.国家能源投资集团神华北电胜利能源有限公司， 内蒙古自治区 锡林浩特市 026000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院， 辽宁 阜新市 123000)

0 引言

目前，我国大型露天矿山主要采用单斗—卡车间断开采工艺和单斗—卡车—破碎站半连续开采工艺。大量采运排设备运行在露天采场内易发生车辆碰撞事故，给露天矿山安全持续生产带来影响。与此同时，露天矿山生产效率直接与设备效率成正相关。通过采集露天矿场三维地图、设备工况数据及矿山开采数据，挖掘数据背后关联关系，对实现露天矿山采运排设备的智能调度、智能管控具有重要的意义。露天矿山卡车调度系统涉及计算机技术、露天开采理论与技术、数据采集传输技术、设备精准定位技术以及大数据挖掘等内容，该系统的建设有助于提升露天矿山的管理水平和生产效能，降低事故及生产成本。

目前，国内大型露天矿基本已部署卡车调度系统，用于监测露天矿场内卡车的位置信息、运行状态信息。由于各矿卡车调度系统建设时间不同，各矿卡车调度系统所实现的功能有所差异，但目前国内卡车调度系统仅仅实现对车辆的实时定位，并未实现对采集的数据进行融合分析，系统整体调度、数据分析能力较弱。神华北电胜利能源有限公司胜利露天煤矿设计年产原煤 2000万 t，2021年对其“卡车智能调度管理系统”（Intelligent Dispatch System，简称IDS系统）进行升级改造，升级改造后的系统可实现对卡车、电铲、钻机等设备位置及工作状态的实时跟踪、判断、显示，优化调度卡车运行，及时准确地掌握矿山的生产运行情况，实现矿山路网智能优化、生产设备效率实时分析、违章行为智能识别以及车铲的智能匹配，达到优化管理矿山生产过程、提高产量、提高管理水平、节省费用的目的。本文主要介绍基于多源数据融合的智能卡车调度分析系统及相关功能，旨在为其他露天矿山进行卡车调度系统升级、数据分析以及矿山智能化系统功能建设等方面提供指导性建议。

1 车载采集设备

为实现露天矿山设备的实时定位及数据采集传输，本系统在工程设备中安装了定位天线、通信天线、CPE设备、智能视频摄像头以及车载智能终端。

（1）车载终端长30 cm，宽25 cm，部署在工程设备的驾驶室司机的右前方挡风玻璃处，具备展示当前车量的实时信息，位置、速度等终端具备定位测速、通讯功能、调度功能、设备状态申请、语音播报、计算功能、路况状态上报及工程设备申请、班前点检、产量查询、在终端可查询汇总产量及明细产量的功能。

（2）通信模块CPE长24 cm，宽20 cm，厚6 cm，内置天线，主要实现工程设备与露天矿固定基站网络的接入，外壳防雷、防尘、防水，适用于-40℃～60℃，主要安装在驾驶司机座椅靠背的右后方。

（3）定位天线和通信天线安装在工程车辆的前方护栏处。车载采集设备如图1所示。

图1 车载采集设备

（4）智能视频摄像头。在工程车辆内部安装具备智能识别功能的行为识别摄像头、车辆行驶摄像头和辅助智能摄像头。采集后的视频流信息经过车载主机处理之后，由CPE无线通信模块通过露天矿山自建的4G网络传输给中心平台，实现对驾驶员违章行为的智能分析。行为识别摄像头安装在驾驶司机正前方的挡风玻璃处，其视角可将驾驶员显示在全部视频中。车辆行驶摄像头安装在驾驶室的左上角处，辅助摄像头安装在驾驶司机左上方，用于实现对驾驶司机安全带视角的采集，行为摄像头如图2所示。

图2 视频识别摄像头

2 系统架构

2.1 总体架构

通过在露天矿部署多个网络基站，车辆安装相应CPE接入网络设备，车辆进入相应基站后，工况数据上传至露天矿调度中心，实现对车辆的总体调度、实时位置跟踪以及数据的融合展示及分析。系统总体架构如图3所示。平台软件和服务器完全本地化部署在矿方的私有局域网中；车载终端设备通过CPE网络接入设备实现与矿方自建的4G LTE网络的融合，可与矿方的私有局域网内部署的平台软件和服务器通信。因此整个系统与公网完全断开，保证了系统的网络安全。

图3 系统总体架构

2.2 技术架构

IDS系统采用5层两体系的技术架构，5层从下自上分别为：源数据层、数据接入层、数据支撑层、支撑层、服务层。两体系分别为：标准规范体系和安全运维体系，如图4所示。

图4 系统技术架构

（1）源数据层。IDS系统主要实现数据的采集工作，接入露天煤矿的基础数据、管理数据以及感知数据，其中，基础数据包括：基本信息、图纸信息、设备信息以及工艺信息；管理数据包括：生产计划、产量信息、隐患信息以及管理信息；感知数据包括：车辆等实时流数据、结构化和视频等非结构化数据。

（2）数据接入层。数据接入层包括数据处理计算和数据接入管理两部分。部署在露天矿设备上的前置设备通过4G或者5G网络将数据传输到露天矿数据中心。数据中心的流式计算系统和质量核查系统对采集数据依据标准化规则进行质量检查、清洗、入库。数据接入系统：提供设备与云端的双向连接的云服务和各类数据源的接入接口，同时提供设备认证与权限管理功能，保证数据安全传输。设备管理系统：提供覆盖设备全生命周期的、一站式的设备管理服务，包括设备的云端接入、层级管理、监测、遥控、固件升级和维护保养等各种场景。质量核查系统：依据统一数据标准采集数据进行筛选、变形、转发，根据场景转发至关系型数据仓库、时序数据库。流式计算：针对流式处理数据的实时分析进行计算。

（3）数据支撑层。数据支撑层包括大数据存储平台和数据服务两大部分。关系型数据仓库和时序数据库分别存储结构化、半结构化和非结构化数据。空间数据库用来保存地理空间信息。数据服务管理平台对露天矿大数据平台的运行状态、数据资产、数据质量等情况进行监控和管理。

（4）支撑层。支撑层是 IDS系统的核心业务应用，由用户及权限关联、日志管理、报表引擎、表单引擎、数据共享交换系统、地理信息系统等组成。通过构建一个应用支撑平台，可以提供协同工作、数据分析、应用开发、系统应用等支撑服务，可以为IDS系统提供一个可信、高效的运行承载支撑平台，为系统相关业务分析提供支撑。

（5）应用层。应用层有智能调度、路网优化、效率分析、二维、三维展示、报警联动以及仿真回溯等功能。可通过大屏、显示终端、平板和手机等方式进行展示。具备统一访问入口、统一身份管理、统一权限管理、个性化展现定制等功能，为企业从业人员提供随时、随地、按需访问的渠道。

3 IDS系统功能设计

整个系统基于WebGL技术开发，通过Web发布进行系统的部署，主要融合露天矿车辆实时数据、车辆基础数据、人员数据、矿山三维地图数据、非结构化视频数据以及剥离、采煤量数据。基于上述多维数据，实现对露天矿山内的设备进行智能调度与预警分析，用户通过局域网使用浏览器的方式远程加载系统，实现三维可视化管控功能。系统主要功能包括：设备GIS一张图、车铲智能匹配、生产仿真回放、智能识别报警、多维数据报表、路网编辑以及多维数据查询等功能。

3.1 设备GIS一张图

系统支持倾斜摄影航拍地图的集成和导入同时可实现与 CAD矿图底图信息数据的综合叠加展示，可通过GIS一张图的方式综合展现露天矿场内的所有设备分布信息、状态、报警以及各类统计信息。具备距离、面积、高差量测、地理标注、视点等便捷小工具。可通过图层控制的方式进行一张图数据的动态显示。根据采集频率，实时刷新系统页面，展示接入设备的实时位置状态。系统可以设置采矿矿权边界为围栏区，通过实时监控采掘设备位置，实现采准设备到矿权边界时自动报警功能。

3.2 车铲智能匹配

为保证露天矿车铲的高效能匹配，防止发生欠车、欠铲的现象发生，分析卡车一个完整的运输流程中包括空运、待装、装载、重运、待卸和卸载 6大状态，生产过程中6大状态循环往复工作，如图5所示。根据电铲与卡车的协同作业流程，制定电铲与卡车的智能分组约束条件。

图5 卡车运输流程

条件 1，设备出动约束：电铲、卡车和卸点的出动情况。

条件2，电铲装载约束：35 m3铲装载220 t卡车需要3～5 min；10 m3铲和钩机装载TR100时需要3～5 min；装载机装载TR100需要2～3 min。

条件 3，破碎站约束：根据破碎的速度决定，卸载时间为2～8 min之间，最快1 min左右；排土场卸车时间约10 s。

条件 4，当班运距：根据运距的长度和车辆速度（要求35 km/h以内，平均20左右km/h）决定分配卡车数量。

条件 5，工作面和道路条件约束：主要为定性指标，来影响装载时间和车辆的运行时间。

条件 6，配车的优先级：根据实际情况对不同电铲或卸点行优先配车或固定配车。通过上述6点约束，得到分组为电铲配的车数，根据司机的历史运距情况进一步确定卡车的名称。

条件 7，电铲或卸点存在禁用：电铲或卸点存在禁用时，该电铲或卸点不参与智能分组。

条件8，固定配车：电铲存在固定配车的情况，即设置时智能分组时卡车的数量与固定配车数相同。

3.3 生产仿真回放

系统支持一段时间内的生产仿真数据回放，选定一个月周期内数据，系统可真实反应该月的生产变化信息，自动展示车铲运行数据、剥采比实时变化数据，产量数据、效率数据以及各类报警实时，车铲以轨迹形式动态展示，各类报表数据实时动态更新展示。

3.4 智能识别报警

通过部署在车辆前端的智能视频摄像头，实现多类算法模型的集成，对驾驶司机违章行为进行智能识别。系统报警后，截取驾驶司机违章行为的前后10 s视频数据，通过4G网络传输至系统中心，并针对报警事件进行处置，形成报警闭环，实现了对驾驶司机违章行为的智能干预，降低了事故隐患风险。

3.5 多维数据报表

系统根据自动采集的相关生产数据生成矿山所需数据格式报表，报表系统可实现基础档案的管理、调度日志的管理、生产事件的管理、分类检索、数据汇总、设备效率分析、轮胎燃油消耗管理等。支持各类报表的导出，以及相应数据曲线的自动生成。

3.6 路网地图编辑

GPS智能调度系统之所以能够自动调配矿车与电铲，使其达到最佳效率，依赖于许多的基础数据，地图路网数据是其中最重要的数据之一。而矿山采场的实际情况使路网的变化十分频繁，道路和铲装的位置经常发生变化。因此经常编辑路网，使其保持最新状态，对智能调度系统正确派车是最基本的条件。本系统支持路网的地图编辑功能，操作流程为：先加载轨迹，待轨迹加载完成后根据轨迹所显示的路迹进行新建路网，在地图路网编辑完后点击保存即可。路网编辑功能涵盖：新建路段、新建围栏、新建节点、新建地标、新建区域、下发地图等功能。

4 实例应用

神华北电胜利能源有限公司胜利露天矿煤田于 2021年对其“卡车智能调度管理系统”进行升级改造，系统投入使用以来，实现对驾驶司机违章行为智能识别36次，智能调配卡车运行27次，减少电铲欠车现象，提升WK35电铲效能12%。同时，系统自动生成月度产量报表，时间由原人工手动统计3 d减少至1 d。系统的应用大大提升了矿山生产系统效能。随着新系统的投入使用，将在车辆运行工况、燃油及轮胎成本分析等方面进行多维统计，提升露天矿山生产环节效率，降低生产成本。

5 结论和展望

本文对基于多源数据融合的露天矿山智能卡车调度系统进行了介绍，通过部署在车辆前端的数据采集、网络设备实现对数据的智能采集，通过融合无人机影像图、产量信息、车辆工况信息，实现设备GIS一张图、车铲智能匹配、生产仿真回放、智能识别报警、多维数据报表以及路网编辑等功能，实现了露天矿多维数据的集中展示、车铲的智能调度及违章行为的早期干预，提升了露天矿的生产效能，降低了事故风险。

随着露天矿多维数据的融合汇聚，今后将逐步深度挖掘数据的关联关系，研究内容主要有：建立露天矿知识图谱及构建深度学习模型，对露天矿设备进行故障诊断，实现故障超前预警；通过实时采集路网标高信息，构建录完下沉量、通过量、油耗、车辆运行速度之间的关系，构建道路维护成本与运行成本的关系曲线，分析露天矿路网对生产成本及效率的影响关系。