露天矿卡车智能调度解决方案

背景

露天矿山采区作业范围广，地点移动变化大，设备状态变化快，采用传统的生产调度与生产组织方式不能及时、全面、准确掌握现场作业条件频繁变化的情况，调度员靠个人经验调整生产，无法保障采矿生产过程的优化与高效率。人工收集信息、手工计算数据，数据准确性低，响应及时性差；人工执行配矿计划调度车辆，混矿品位波动大。为了提高生产效益，降低生产消耗，必须立足于对大规模生产的全局进行统筹管理，立足于对生产的实时信息进行最优的实时调度，形成科学智能的计算机调度系统，这样才能从根本上解决生产管理过程的问题，以确保实现高效高产的生产目标。

2001年，北京速力科技有限公司承接国家科技部“十五”科技攻关课题，开始自主研发卡车智能调度系统，2002年该于首钢水厂铁矿实施，2003年通过国家验收。经过二十多年潜心研究，已经发展至第五代卡车智能调度系统，并取得了如下成绩：

2006年北京市科委鉴定为“国内首创、国际先进”

2007年获得国家科技进步二等奖；

2011年取得露天采矿GPS卡车智能调度系统著作权

2012年取得“高精度GPS牙轮钻机自动布孔系统”发明专利

2019年获得建筑材料科学技术奖二等奖；

2019年获得“露天采场智能配矿系统”计算机软件著作登记权证书。

2019年 “露天矿燃油智能管控系统及关键技术研究” 冶金矿山科学技术三等奖。

解决方案

系统架构

系统综合利用全球卫星定位技术，无线通讯技术、云技术、人工智能和数据分析等技术，对采场空间范围内装、运、卸全过程进行智能管控。

系统由智能终端、控制中心、无线通讯系统三部分组成。

功能架构

系统采用模块化设计由众多子模块组成，包括：智能调度、二维电子地图、三维电子地图、智能报表、智能配矿、燃油管控、防碰撞、防疲劳驾驶、倒车影像、车载视频、胎压管理、称重管理、大屏幕、视频监控、钻机高精度自动布孔等模块。

网络架构

系统网络包括局域网络和采场无线网络。

根据矿山实际情况，采场无线网络支持MESH、4G自组网、5G自组网、4G公网、5G公网等方式实现采场的无线覆盖，并结合矿山管理网、控制网，实现多网合一，统一管理。

智能终端

智能终端安装在采场移动设备上，具有防水、防尘、防过热、抗震等功能，适应工业现场能力强，对过压、过流、过热、欠压具有自保护功能。采用彩色触摸屏菜单式操作，具有定位功能、设备状态自动识别、调度功能车辆状态报告功能、为其他设备代发信息、系统建立功能、计算功能、通讯功能、导航功能、接口功能、信息缓存功能、语音播报提示功能、信息查询、设备维护管理、报警功能、系统接口等功能。

生产指挥中心

生产指挥中心是采矿智能调度和未来智慧矿山系统建设的大脑，负责露天矿的生产指挥，对矿区生产进行总体协调，执行上级生产计划、管理等相关功能，是整个露天矿生产的现场直接指挥机构。

实施功能及优化提升

智能调度

实时对数据进行动态采集，综合20多个约束因子，无需人为干涉，对车辆动态智能调度。

设备状态监控

系统由北斗、GPS 跟踪系统自动进行位置监测，自动采集生产设备任何时间点的信息，如位置、状态、速度、方向、物料等,并随时在软件界面展现。

调度图表

系统能够实时自动生成各种生产数据统计报表，包括人员产量报表、车铲产量报表、设备运距查询、超速情况等，并以饼状图、柱状图、曲线图等直观方式展示，为生产决策提供依据。

管理业务驾驶舱

管理业务驾驶舱为管理者提供更全面、更直观、更具指导意义的决策数据。

智能配矿

根据露天矿开采现状、开采计划和爆堆品位分布，按照设定的矿量、品位约束条件，在多个爆堆之间进行优化计算得出最优的配矿方案，并可通过波动调节旋钮寻求配矿精细度和生产效率之间最佳平衡点。

油耗管控

系统主要由油罐车控制装置、受油车身份识别装置、受油车燃油消耗采集装置、车载终端、数据传输网络和中央管控中心组成。可以实现加油站、油罐车、自卸矿车及工程机械的油料流动和消耗的实时跟踪，能够有效防止加油过程中的油料的非正常损耗。

称重管理

系统采用激光雷达测量技术，将扫描设备安装在矿车必经之路的龙门吊上，当矿车以一定的速度匀速经过龙门吊下方时，激光雷达测量仪对矿车的车斗以扇形角度进行轮廓扫描，得出车斗所装载矿石的体积图像和数据。

胎压管理

矿用车辆轮胎作为矿山运营投入的三大消耗品之一，很多矿用轮胎报废属于轮胎早期失效,甚至自燃、爆炸、出现生命安全。胎压管理系统可以实时监测轮胎运行状态，及时发现轮胎故障，预防爆胎等突发事故，保障安全高效生产。

防碰撞

利用GPS 定位技术、无线通讯技术，并辅以语音报警和预测算法等技术，充分解决矿区作业空间复杂、作业强度大、盲区多、车型复杂以及人员长时间作业等因素造成的车辆碰撞事故等多种困扰生产管理者的问题，为露天矿的正常生产提供可靠的安全保障。

防疲劳系统

对驾驶员的危险驾驶行为进行分析预警及司机人脸考勤，采集的视频用于主机执行危险驾驶行为分析智能算法，可检测包含开车抽烟、打电话、不目视前方、疲劳驾驶等行为，及时发出报警提醒司机。

倒车影像

卡车倒车时通过智能终端展示倒车的影像，确保司机倒车安全。

钻机高精度布孔

利用厘米级高精度多系统卫星定位技术实现牙轮钻机钻杆位置精确定位，实现牙轮钻机布孔、穿孔过程，提高布孔、穿孔作业的自动化控制水平和精度，达到管理过程精细化、控制过程数字化。

应用效果与经济效益

厘米级高精度定位钻机自动布孔系统

系统简介

厘米级高精度卫星定位钻自动布孔系统主要利用高精度北斗、GPS、GLONASS多星系统实现钻机精确定位。系统软件与数字地质软件、模拟爆破软件数据共享，通过无线网络将布孔位置下发到钻机智能终端上。钻机智能终端根据布孔位置自动找到孔位，达到误差允许范围时提示开始钻孔，钻孔完成后将穿孔坐标、孔深、穿孔性质等数据上传到中心控制室，为数字地质软件提供原始数据，免去原来由测量人员实地测量摆石堆及钻孔后验收的工作。

系统将高精度定位技术应用到钻机布孔、穿孔过程，提高布孔、穿孔作业的自动化控制水平和穿孔精度，达到管理过程精细化、控制过程数字化。

图：系统原理

系统基本功能

高精度定位钻机自动布孔系统主要包四个部分组成：

第一部分：钻机检测数据

根据钻机本体设备协议，采集空压机气压、油温、油压、油位，电机电压、电流等数据。

采集穿孔深度数据。

采集孔位倾角数据。

第二部分：厘米级高精度智能终端

该部分主要完成定位信息采集、穿孔定位、钻机状态信息采集，同时与地面控制中心通讯。

图：厘米级高精度智能终端

第三部分：差分基准站

差分基准站GPS +北斗+ GLONASS多星系统坐标并与基准坐标比较，将TRK差分信息通过无线网络以一定的规约发送到智能终端，提高定位精度。

图：差分基准站

第四部分：管控中心

该部分主要完成钻机数据分析、数学模型运算、与数字地质系统交换钻穿孔孔位坐标、电子地图等功能。

图：电子地图与数据统计

投入后的效益及效果

使用新技术手段解决了复杂生产过程的自动控制问题，加快了向自动化与信息化迈进的步伐，在实现企业科技进步的前提下提高了管理水平，并通过提高生产能力扩大规模经济效益，同时，通过降低消耗获取直接利益，实现低能耗的节约型企业建设。系统投入后达到的效益、效果：

1、采矿信息化重要组成：是采矿业工艺向自动化、信息化迈进的进一步延伸，是采矿业自动化、信息化组成的一部分。

2、降低穿孔成本：提高穿孔作业效率，提高穿孔质量和爆破质量，降低穿孔废孔率和爆破根块率，进而提高铲装作业效率等具有积极的作用，可降低穿爆成本10~14%。

3、提高穿孔精度：运用高精度定位系统做引导，改变了传统的生产方式，使对孔误差达到最小。实践证明，运用高精度定位系统钻机形成的爆区孔网合格率达到100%。

4、提高设备作业效率：以GPS定位系统引导钻机对孔，消除了雨、雪、雾、白天、夜间的影响因素，实现了钻机全天候作业，提高了设备作业效率。

5、提高测量工作效率：实现了自动布孔、自动测量坐标、自动上传坐标，免除了中间过程，提高了测量工作效率和测量精度，并实现了生产过程数据共享。

6、精确孔底控制：在保证钻孔的水平定位精度的同时，还能对穿孔深度进行动态跟踪，使所穿孔深精确控制在同一个水平面或在一个水平角的坡面内。

燃油智能管理系统

背景

目前，国内大多数露天采矿在矿物运输过程中使用重型卡车，为保证生产安全有序，同时还需要大量的大型工程机械，在采矿生产成本中燃油消耗所占比重在30%以上。然而，企业在油料使用环节还存在着管理不科学、浪费严重等状况。油料管理水平的高低，将关系到企业的直接经济效益和经营生产安全。在目前国家大力提倡节能环保、降低碳排放的条件下，露天矿燃油智能管控就变得更加重要。

系统功能

燃油智能管控系统，是专门针对露天矿山企业油罐车、加油站成品油输出以及各种车辆燃油消耗过程实时管控而开发的一套监控管理系统。它即可以与矿车调智能度系统集成，也可以单独组成独立系统，有效地监控油罐车、加油站成品油输出和各种生产车辆燃油消耗的实时状况，还能为受油设备提供最优的加油方案。   系统通过对成品从油输出环节到消耗的环节的实时管控，从而规范和监督成品油输出、消耗各个环节的操作行为，防止违规操作，杜绝浪费，为企业管理提供科学依据。

系统总体架构

系统由管控中心、无线通讯网络、车载智能设备等组成。

图：系统总体架构

管控方案

燃油输出管控

燃油输出管控是露天矿燃油智能管理系统的核心之一。由受油设备身份识别模块、燃油输出控制模块、燃油输出量采集模块和罐体油位监控模块四个部分，结合地理位置信息、无线通讯模块及车载终端组成。

图：燃油输出管控

受油设备身份识别

受油设备身份识别模块用于识别受油设备的合法身份，通过身份识别后的受油设备，启动燃油输出控制，如果是系统管控的车辆可以正常加油，非系统管控车辆加油功能自动关闭，避免燃油非正常流失。

燃油输出控制

燃油输出控制模块与车载终端的开关量接口连接。在受油设备通过合法身份识别后，启动加油允许，加油允许为DC 24V高电平时，控制加油开关电磁阀打开，为受油设备加油；未通过合法身份识别的设备，加油允许为0V低电平，电磁阀关闭，不能加油。

燃油输量出采集

油罐车在总油库加注完燃油后，油罐车燃油输出管控系统就开始对罐体内燃油进行实时管控，非正常情况燃油输出，系统有记录、有报警，保证成品油输出环节的非正常流失。

罐体油位监控

罐体油位监控模块采用油位计，将油位计安装在油罐车的罐体和地下储油罐体中，通过RS485接口与车载终端RS485接口连接，实时监控罐体燃油剩余量。罐体油位监控一方面为加油员提供罐体燃油剩余量，避免人工检查导致的不安全隐患；另一方面为后续加油调度指派车辆控制流率。

油罐车、加油机终端

油罐车、加油机终端主要负责输出油量的采集、受油设备身份识别，实时与管控中心数据交换。

图：油罐车、加油机终端软件

受油设备燃油消耗管控

燃油消耗管控是露天矿燃油智能管理系统的核心之二。受油设备燃油消耗管控主要是通过控制加油量、消耗量来实现对燃油的管控。通过给受油设备配备身份识别卡，在加油时通过身份识别来启动油罐车、加油机的加油过程。在燃油消耗方面通过对燃油消耗实时采集和异常报警，杜绝燃油非正常损耗。

异常报警

燃油报警具备高、低限报警和瞬变报警功能，当加油过程中达到规定高限时，自动报警，避免溢燃油导致的非正常损失；在车辆运行时，燃油低于规定低限时，自动报警，避免因燃油不足导致的设备故障，同时启动加油调度；当燃油量瞬间发生骤变时，自动报警，避免燃油非正常损耗。

智能加油调度

智能加油调度是露天矿燃油智能管理系统的核心之三。加油调度有其特殊性，即：油罐车不能作为固定点目标来处理，在加油调度中受油设备的目标终点既不能是油罐车也不能是某一固定目标地点，必须是将油罐车与某一固定目标点绑定。因此，在加油调度中要实时掌控油罐车的空间地理位置和当前状态，才能实现智能加油调度。

管控中心

管控中心的主要作用是通过对现场控制设备的实时数据采集，运用科学的管理手段，实时管控燃油的输出与消耗，提升企业的油料管理水平，降低燃油消耗，达到节能减排的目的。

统计分析

系统可根据各油罐车、自卸矿车、工程机械车载终端提供的原数据，自动生成各种管理分析报表，对油料相关管理指标进行统计分析。主要有以下报表：

油罐车进出油量综合统计；

加油员提加油量综合统计；

受油设备加油量综合统计；

受油设备消耗量综合统计；

单位班次用油量综合统计；

单位班组用油量综合统计；

运输设备吨公里单耗等。

图：统计分析

经济效益及效果

系统已经成功应用多个大型露天矿山企业，取得了良好的经济效益和社会效益。以某露天矿为例，测算测算如下经济效益。

第一   直接经济效益

通过对燃油输出设备设备严密的自动化、智能化管控手段，精确控制燃油输出设备的燃油输出量，利用无线网络实现数据实时上传；同时对燃油消耗设备的燃油实时消耗进行全天候的智能管控，精确分析和统计燃油消耗，为生产指挥及时准确提供数据支撑，实现内燃设备的智能调度指挥，燃油成本降低了0.005升tKm,按2016年度223715848tKm计算，节约燃油1118579.24升，按平均柴油单价5.5元/升计算，年经济效益615.22万元。

第二   间接效益和社会（环境）效益

系统通过对成品从油输从出环节到消耗的环节的实时管控，从而规范和监督成品油输出、消耗各个环节的操作行为，杜绝浪费，实现了节能减排的目的。按每升柴油（10号）排放CO2：2.6765kg计算，每年减少碳排放约2993877Kg，为保护环境做出贡献。

配电室无人值守系统解决方案

背景

变电所是供电系统的重要组成，变电所的安全运行关系着企业的安全生产，也关系企业的经济运行。面对井下复杂的地质条件、恶劣的作业环境，变电所无人值守是适应企业的发展需要，变电所无人值守能有效的降低人员的使用，降低企业成本。

建设目标

为了提高全矿自动化控制水平，提高劳动生产率，对生产设备进行监控，并采取相应的技术措施，实现对电气设备及系统的参数如电流、电压、功率等的监测，以及对电气设备的运行状态、预报及故障信号的监控，通过计算机网路，送至总控制室。

系统组成

各水平变电所设置采集控制站，采集中央变电所综保系统和变电所装设的多功能监测装置系统的各种数据，将各配电回路电气数据如电流、电压、功率等传到控制系统。

通信网络

通过RS485或以太网的方式，采集综保系统和多功能电表数据

采集控制站

在各个水平变电所设置控制站，能够处理采集上来的信息，能够通过控制站进行远程停送电。

监控主机

地表控制中心放置监控主机，实时显示井下个变电所数据，用于设置参数、显示报警、远程控制停送电等，生成生产用电报表。

系统效果

高、低压配电室无人值守；

数据自动采集；

远程停送电，降低人员劳动强度。

生产智能MES系统解决方案

系统背景

随着科学技术的高速发展，全球工业进入了一个新的发展时期，德国提出了“工业4.0”，美国提出了“先进制造业国家战略计划”、日本提出了“科技工业联盟”、英国提出了“工业2050战略”，中国也提出了“中国制造2025”。第四次工业革命亦为MES的推广提供了机会， ERP和PCS在制造企业的广泛应用也为MES提供良好的基础，但就目前来说，对MES的认识及实施因行业的不同而存在差异，也因地区的不同而出现发展的不平衡，因此各行业、各企业应根据自身的条件和特点，选择适合自己发展的MES，解决传统制造信息系统和过程控制系统之间的缺少信息连接的问题，因此，制造企业中实施MES具有极其重要的意义。

首先，MES不仅是工业4.0落地的重要环节，更是两化深度融合的有效手段，得到了越来越多企业的重视，MES已成为企业转型升级、持续发展的核心管理系统。

第二，矿山行业当前市场形势，需要企业精细管理的深度落实，这就需要实施能够实现厂矿、车间生产管理信息化、制造执行过程监控信息化的MES。

第三，矿山生产过程监控不便，过程控制稳定性难以达标。MES 实现了厂矿、车间生产过程透明化，管理科学化，能够及时找出影响产品品质和消耗成本的问题根源，提高计划的实时性和灵活性，同时又能改善生产线的产出效率，从而使工艺线打出设计能力或超出设计能力的产出。

建设目标

生产制造执行MES系统解决方案为企业提供了生产过程透明化管理的有效途经，是以生产管理为核心的信息化管理系统，帮助企业建立集成的生产现场过程控制透明化管理平台,以及搭建完善的生产过程数据库，从而满足企业对生产过程的实时监控与全面追溯需求，通过数据统计分析达到不断改善产品产出与品质，从而达到企业持续提升企业的市场影响力的需求。

系统组成及架构

MES系统以生产工艺为主线；以自动化、计量、能源等工业实时数据为基础；贯穿生产、质量、调度、设备、技术、采购、销售、能源等专业管理业务；涵盖计划管理、技术管理、产品发运、生产调度、生产控制、产品库存、物料管理、设备管理、能源管理、质量管理、计量管理、系统管理十二个功能模块。

应用效果效益

主要的管理效果体现如下：

管理水平显著提升

强化集中管理，形成协作机制，促进协同管理

弱化职能式管理，加强流程式管理。

促进规范化标准化管理，提高执行力。

促进精细管理，加强管理力度。

提高管理透明度，增加管理约束力。

管理效率显著提高

系统能够实时、动态反映生产、计量、质量、物流等数据，可以随时查询和应用。

数据和信息从最基层的计量、质检、设备获取或系统自动生成，数据不落地，保持数据和信息的及时性、准确性。

各级领导、管理人员从大量的、重复性的、低管理含量的工作中解脱出来。

过去需要采用手工方式、花费大量人力和时间的工作，现在借助信息化手段，转化成简单、短暂的动作，工作效率成百上千倍的提高。

管理基础得到加强

提供真实准确的数据。由人工录入转变为通过自动化仪器仪表直接采集到系统二级库中进行加工整理，实现数据不落地、保障数据真实性。

加快数据分析和反应速度。系统自动形成可视化看板，实时随地关注现场生产实时情况。