基于信息化管理的矿用无轨胶轮车运输路线分析和诊断

王伟鹏

(山西煤炭运销集团 金辛达煤业有限公司, 山西 临汾 041000)

随着第四次工业革命在矿业领域拉开序幕,传统的矿业价值链正在发生重大变革—从矿产勘探到开采、加工、销售实现与互联网的深度融合,建成智慧矿山。智慧矿山是指引入物联网、大数据、移动、AI、增强现实(AR)等前沿信息通信技术(ICT),建设相应的信息系统,实现智能矿山互联化、物联化、数字化、感知化和智能化。众多学者展开了基于信息化管理的智慧矿山研究工作,安田等[1]基于WiFi无线通讯建立了大型矿井胶轮车运输监控及无线通讯系统,实现胶轮车的通、停管制,有效解决了煤矿井下交通堵塞问题;王川[2]运用蓝牙信标定位、WiFi无线通讯、工业以太网、云计算及GIS技术建立了井下运输智能管理系统,实现了胶轮车的实时调度,有效提高了运输效率;李芳威等[3]基于无线通讯建立了车辆接近预警系统,可有效防止地下矿井中的碰撞。

基于前人研究成果,建立了可以使用WiFi无线通讯和车载电话记录、分析与煤矿无轨胶轮车运输时间有关的日志数据的信息化管理系统。选取山西金辛达煤矿作为研究区域,应用开发的系统采集与无轨胶轮车运输时间相关的日志数据,利用某段时间内上传至云服务器的日志数据,对研究区域内的无轨胶轮车运输路线进行了诊断分析。

1 研究区概况

金辛达煤矿目前副斜井及胶轮车辅运大巷全长约4 950 m,主要包括副斜井井口至井底候车场600 m;东辅运大巷400 m;北辅运大巷2 250 m;2#煤层辅运大巷1 700 m. 现已建设基于RFID射频技术的车辆定位系统,但由于定位精度低,红绿灯控制混乱,且无法与司机进行远程调度,严重影响井下交通的正常运行,故重新建设一套采用WiFi无线通讯和车载电话相结合的车辆精确定位智能交通管理系统。

2 矿用无轨胶轮车运输路线的信息化管理方案

2.1 日志数据采集系统

使用WiFi无线通讯和车载电话记录与无轨胶轮车运输时间相关的日志数据,并将收集到的日志数据上传至云服务器进行管理。具体操作流程为:收集安装在无轨胶轮车上的车载电话使用过程中产生的矿井内外主要运输路线上车辆运行的信息,并将运输过程中产生的日志数据上传至位于矿井外部无线通信区域的云服务器,云服务器存储和管理云服务器的数据,根据装载-搬运系统、航拍、3D图纸和生产日志的分析结果和车载电话记录的研究区域位置、高度和起止点之间海拔高度的差异,可以判断无轨胶轮车行驶过程是上坡还是下坡运输路线。

考虑到井下湿度大、粉尘多,在尽量减少腐蚀和侵蚀的风险后,安装在矿井内外的WiFi信息接收器采用橡胶包装,防止水分和粉尘穿透设备。在因巷道规格不规则和巷道壁不平整导致信号不良的点位,使用支架对安装角度进行调整[4]. 所有安装的接收器信号强度设置为4 dBM,信号传输周期设置为200 ms. 在无轨胶轮车停车场安装WiFi AP建立无线通讯区域,允许每天至少一次将日志数据发送到云服务器。

2.2 日志数据处理程序

在生产过程中存储在信息处理器上的日志文件采用逗号分隔值格式的文本数据,分别存储各项内容,可以使用文本编辑程序或电子表格应用程序查看。在日志文件中记录了无轨胶轮车运输路线相关信息(通话时间、无轨胶轮车ID、通话内容、调度方式),每个生产日期和每个无轨胶轮车每天创建一个文件。日志文件中记录的数据按照接收到信息收集的先后顺序进行记录,因此可以根据时间间隔计算无轨胶轮车在其运输路线上连续两点之间的运输时间。

日志数据处理程序应立即检索上传到云服务器的日志文件,整理日志数据,计算每个路段无轨胶轮车的运输时间,并输出每个路段的无轨胶轮车运输时间统计。因为用户可以选择要分析的日志文件,所以日志文件可以针对特定的时间段或者无轨胶轮车进行分析。程序运行在Microsoft Excel中,使用Microsoft Office应用程序的宏语言Visual Basic for Application (VBA)进行开发。

2.3 无轨胶轮车运输时间数据分析及运输路径诊断方法

通过日志数据处理程序检查每个路段的无轨胶轮车运输时间来分析和诊断运输路线。分析主要分2个阶段进行:1) 使用对数数据处理程序计算每个路段的无轨胶轮车运输时间。2) 利用无轨胶轮车路段平均运输时间和标准差进行空间分析,并选取一个路段进行分析。对于各断面的平均运输时间,信息接收的间隔时间越短,平均运输时间越短。反之,距离越长,平均运输时间越长。因此,标准差较大的路段意味着无轨胶轮车运输时间存在较大的变化。因此,在比较各路段的无轨胶轮车运输时间和标准离差时,有其局限性,即不能考虑各路段的不同距离。因此,在该研究中,计算了每个路段无轨胶轮车平均运输时间标准差的百分比,并利用该值选择了待分析路段。

3 运输路线分析和诊断

对选取的4个运输路线,通过将日志文件划分为周单元进行时间序列分析,并对运输线路类型进行分类(图1). 图1(a)显示了数据的大量分布规律,在进行时间序列分析的15周中,无轨胶轮车的平均运输时间和百分位(P90、P10)值波动很小;图1(b)与图1(a)类似,数据波动较小;图1(c)显示从第1周到第6周稳定的无轨胶轮车运输时间数据,但从第7周开始其分布增加,最终变得不稳定,波动剧烈;图1(d)运输时间数据曲线在第13周分布增加。

图1 基于时间序列的稳定和不稳定运输路线分析结果

如图1(a)、(b)所示,在仅进行运输作业的主要运输路线上实现了稳定的运输时间。在这些路段,无轨胶轮车在行驶过程中并不经常被拦下或延误。此外,还发现巷道的宽度足以允许两辆无轨胶轮车不减速行驶。特别是,在从标记点ID 19移动到1的情况下,发现无轨胶轮车的运输时间相对稳定,原因为其位于矿井外,因此更容易确保驾驶员的能见度。

在图1(c)、(d)中,无轨胶轮车运输时间不稳定的情况下,发现在运输路线附近存在装载或倾倒区域。通过查看现场的生产日志,确认从该路段的第7周开始开启新的工作地点,从标记点ID 3移动到5,由于车辆拥堵,无轨胶轮车运输时间增加。在标记点ID为13至12的情况下,无轨胶轮车运输时间在第13周内暂时增加。在此期间,确认装载作业在该部门的两个或两个以上工作场所进行。

4 现场应用研究

通过日志数据采集系统采集的无轨胶轮车运输时间数据,可用于分析、诊断和预测矿井的无轨胶轮车运输路线。通过判断新采集到的特定运输路线的无轨胶轮车运输时间数据是否在之前积累数据的误差范围(P10～P90)之内,诊断该路段无轨胶轮车行驶是否正常。此外,还可以预测无轨胶轮车运输作业中出现问题的可能性,包括矿井维护不善、巷道拥堵、车辆维护不善以及无轨胶轮车司机的熟练程度等。

收集最新获得的日志数据对金辛达煤矿无轨胶轮车的运输路线进行了诊断和预测,使用最近收集的8周数据(2023年1月1日—3月1日)对未来12周无轨胶轮车的平均运输时间和百分位数(P90、P10)进行计算,对新采集的日志数据按日期和无轨胶轮车进行划分。结果发现,在运输作业的第10周,两辆无轨胶轮车对该段展开了作业,运输煤矸石56次(A车:36次,B车:20次)。当查看相应路段无轨胶轮车运输时间(P10-P90)的目标误差范围时,发现误差范围内的行程数为35次(A车:23次,B车:12次),其余21次(A车:13次,B车:8次)均未超出误差范围,验证了基于信息化管理的矿用无轨胶轮车运输路线分析和诊断的可行性。

5 结 论

基于WiFi无线通讯和车载电话与无轨胶轮车运输时间相关的日志数据采集系统,可用于分析和诊断矿山无轨胶轮车运输路线,改善运输作业,实现煤矿信息化管理。无轨胶轮车的运输时间可能会因为新工作面的使用而拥堵、基于日常生产计划的工作地点集中化、低效的设备调度计划或车辆故障而走弯路等因素而异常增加。然而,通过对比分析云端不断积累的日志数据文件和新收集的日志数据文件,可以提前预防无轨胶轮车运输时间的增加,提高矿山的生产率和盈利能力。