2. 洛阳栾川钼业集团公司, 栾川 471542;
3. 中国神华神东煤炭集团公司, 榆林 719100
2. Luoyang Luanchuan Molydbenum Industry Group Inc., Luanchuan 471542, China;
3. Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited, Yulin 719100, China
0 引言
露天矿日常生产中的运输车辆可大致分为两类: 主运输车辆和辅助运输车辆,前者运输矿石和岩石,后者运输人员和物料. 两类车辆在露天生产工艺中承担了主要的运输任务,起着至关重要的作用.
通常情况下主运输车辆从起点到终点的运输路线如下: 供矿设备到碎矿站; 供矿设备到存矿场;供矿设备到排土场;碎矿站到选矿厂.这些起点通 常情况下在采区内部, 而有些终点(如选矿厂和存矿场)往往部署在采区外部. 由于车辆驾驶人员的主观利益思想,在运往区外的地点途中, 失矿现象屡见不鲜. 同时辅助运输车辆也存在着严重的盗矿现象. 据统计, 自2002 年至今, 我国钼资源露天矿由于该现象造成的平均财产损失达人民币2千万元/年.
目前来讲, 国内外露天矿山的防盗管控方案主要有视频监控、跟踪定位和起降道闸等手段[1, 2, 3, 4, 5, 6], 视频监控的典型应用是近年来流行的工业电视和大屏幕系统, 该类系统主要通过在关键点安装摄像头, 将这些点一定视线范围以内的真实画面实时传往监控中心, 监控人员需要对全部运输路线的所有关键点进行全面、全过程、全天候的监视, 这样劳动力成本较大,且可能导致人为误差, 同时软硬件成本随着运输路线的增长(或增多)而增大; 跟踪定位技术应用较广,例如国外的Dispatch 调度系统、国内丹东测控公司开发的露天矿GPS车辆智能调度系统和西安建筑科技大学开发的卡车电铲智能调度与监控系统等, 该类系统可对车辆进行实时定位(如GPS定位、WIFI定位或RFID 定位等), 调度人员可掌握运输车辆的实时行走路线,并查询车辆的历史行驶轨迹, 但仅监测其行走路线无法准确地监控车辆的盗矿行为; 起降道闸方案包括手动型和自动型两种, 手动型是在采区进出口安设起降道闸,起降道闸值班人员通过检查票据, 结合主观辨识手动放行车辆,车辆能否通行由值班人员决定, 无法保证车辆通行的客观性和公正性; 自动型的典型代表是目前应用较广的自动道闸车辆通行智能管理系统, 该类系统由闸杆、道闸驱动器、驱动控制器、射频读卡器、射频卡和服务器组成, 每个车辆各自配备射频卡并注册入库,车辆通行时首先扫描射频卡号, 系统根据数据库中信息自动分析该卡号的权限类型,符合权限时, 向驱动控制器发送开闸指令,驱动器便将闸杆开起并放行车辆, 该类系统的权限分析需要操作人员事先指定, 车辆的出入控制最终没有摆脱人为干预,且出去的车辆有无盗矿, 系统无法获知.
针对以上问题, 本文提出了基于"三点有序管控法"的露天矿车辆运输智能防盗管控系统———— 3PGS (three points guarding system),该系统无人值守, 全自动化管控,能够有效控制人为的运输设备盗矿现象, 实现偷盗现象的过程监测与控制和事后评价与分析, 为露天矿山避免不必要的财产损失. 1 三点有序管控策略模型 1.1 基础理论研究
整个策略围绕"一次运输过程中车辆负载的矿石重量在起点与终点相等"理论展开, 设字母$T$代表车辆,$W$ 代表矿石重量,$S$代表起点,$E$代表终点, 第$i$个车辆的第$j$次负载矿石重量表示为,起点: $S\_W(i,j)$,终点: $E\_W(i,j) $.
推论1 任一车辆$T_i$,在第$j$次运送过程中, 若起点运量等于终点运量即:
| \begin{equation}S\_W(i,j)=E\_W(i,j)\end{equation} | (1) |
推论2 任一车辆$T_i$,在所有$n$次运送过程中, 若起点运量之和等于终点运量之和即:
| \begin{equation} \sum_{j=1}^{n}S\_W(i,j)=\sum_{j=1}^{n}E\_W(i,j) \end{equation} | (2) |
推论3 所有$m$个车辆$T_1,T_2,\cdots,T_m$, 在所有$n$次运送过程中,若起点的总运量之和等于终点运量之和即:
| \begin{equation} \sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^nS\_W(i,j)=\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^nE\_W(i,j) \end{equation} | (3) |
推论4 在实际生产运输过程中,由于一方面称重测量误差, 另一方面车辆运输途中矿石轻微损耗等现象, 再加上计算机浮点型数据本身浮动原因, 起点矿量与终点矿量的测量值不可能完全相等,在一定的误差范围内, 我们认为不存在盗矿现象,例如公式(3)可演变为:
| \begin{equation} \left|\dfrac{\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^nS\_W(i,j)-\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^nE\_W(i,j)}{\sum_{i=1}^m\sum_{j=1}^nS\_W(i,j)}\right|\leq\delta \end{equation} | (4) |
基于以上推论, 本文提出"3点有序管控模型", 即区内过磅点-通行验证点-卸车过磅点有序配合模式,其基本思想是: 在采区内部署电子磅秤(区内过磅点),对外出主运输车辆进行自动称重; 采区进出口部署通行验证机制(通行验证点), 对进出的所有车辆进行自动通行验证; 在卸车点部署电子磅秤(卸车过磅点),对卸载车辆进行自动称重. 借助以太网,将3点有机配合, 对车辆运输进行事先预防、过程监测与控制、事后全面评价与分析等. 其设备布置图如图 1所示.
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| 图 1 三点有序控制设备布置图 |
本文借助UML (unified modeling language, 统一建模语言)对3点管控模型进行描述与设计, 3点管控下的车辆运输顺序机制如图 2所示,现对其文字解释如下: 1、运输车辆在采区过磅点请求过磅,过磅点将称重数据进行本地存储, 同时传往远程数据中心; 2、运输车辆在通行验证点请求外出, 通行验证点对该车进行智能审核验证, 根据通行验证协议采取相应的放行措施. 3、运输车辆在卸车点请求过磅, 卸车过磅点将称重数据进行本地存储,同时传往远程数据中心;
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| 图 2 三点有序管控模型顺序图 |
另外,根据车辆的运输业务不同, 有些车辆由采区过磅点和通行验证点管控,有些车辆由通行验证点管控, 有些车辆需要3点共同管控. 所以可将车辆划分为以下三类:
类型I: 区内主运输车辆,该类车辆只能在区内运输,禁止外出,有特殊情况需要外出时,需经多级 部门电子审核. 类型II: 辅助运输车辆,该类车辆不需要过磅,只由通行验证点管控,外出时需要相关电子 审核. 类型III: 区外卸车主运车辆,该类车辆由3个点共同管控. 该类车辆外出时,当且仅当其在区内过磅 后方可通过通行验证点.
数据中心实时显示各通行验证点的通行情况,并根据推论4, 实时统计单车单次、单车多次和多车多次运输状态, 也可对整个运输情况进行事后评价与分析. 通行验证点的验证机制较为复杂,本文使用UML活动图对其进行描述, 如图 3所示. 现对其文字解释如下:
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| 图 3 通行验证点运行机制活动图 |
1、获取该车ID号;
2、检查该ID是否已注册入库,若注册转3,否则转8;
3、根据ID,查询该车类型,若为类型III (区外卸车主运型)转4, 若为类型II (辅助运输型)转5,若为类型I (区内主运型)转6;
4、检查该车是否过磅,若过磅则转7,否则转8;
5、检查是否为特殊值班卡,若是转7,否则转6;
6、检查是否被所有部门授权,若是转7,否则转8;
7、放行,开闸;
8、禁止通行. 2 3PGS的硬件搭建与软件开发
根据上文3点管控模型机理, 我们可借助电子称传感技术、射频识别(RFID)技术、串口通信技术、局域网组网与通信技术和数据库技术和系统工程理论与思想 [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]开 发出基于3点管控模型的露天矿车辆运输智能管控系统————3PGS. 如图 4所示(UML部署图), 区内过磅点、通行验证点、卸车过磅点和数据中心连接到同一交换机, 组建为3PGS以太局域网, 局域网下的各点之间可进行TCP/IP基础上的双向通信.
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| 图 4 3GPS软硬件部署图 |
区内过磅点和卸车过磅点软硬件一致,主要构成有: 电子称重传感器、RFID读卡器、PC机、MS SQLServer软件、称重数据采集软件、称重数据上传软件. 其部署结构如图 4中区内过磅点所示, 称重传感器与RFID读卡器分别通过串口COM1和COM2与PC机相连, 前者用于称重,后者用于身份识别,两者配合使用, 数据采集软件可自动采集具有身份信息的车辆称重信息. 本文借助C#.net与 SerialPort技术实现过磅点串口通信、借助ADO.NET完成数据的存储与上传. 称重传感器、RFID读卡器与上位机(PC机) 的数据通信是数据采集软件的重点和难点所在. 对于不同厂家不同型号的称重传感器,其通讯方式和协议封装各不相同, 为了能够适应千变万化的传感器,设计通用的称重传感采集软件尤为重要, 借助C#语言的接口技术可解决该问题. 首先定义解析接口如下:
public interface ITranslator{
decimal Translate(byte[] buff,int index,int count);
}
该接口规定了解析方法Translate的解析结果为decimal型数字(带小数的十进制数), 参数buff为原始待解析的字节数组,index为buff的起始位置, count为buff中数据实际存储的长度.
每一种型号设计一个解析类实现Itranslator接口, 以梅特勒托利多地磅KX3130型传感器为例,可这样实现
public class KX3130Translator: Itranslator{
public string m\_ComSettings = "9600,n,8,1";
public decimal Translate (byte[] buff,int index,int count)
{
byte beginCh = 0x2,endCh = 0xD;//起始标志,结束标志
string strRaw = Encoding.ASCII.GetString (buff,index,count); //以ASCII编码解析
string strResult = strRaw.Split((char)beginCh)[1].Split((char)endCh)[0]; //截取数据串
return Convert.ToDecimal(string.Format("{0}.{1}",strResult.Substring (1,5),strResult.Substring (5,1)));
}
}
属性m_ComSettings记录了COM口通讯设置类型,即波特率为9600, 无校验位,数据位数为8,停止位数为1. 方法Translate实现了该型号传感器的数据解析, 主程序将根据用户指定的传感器型号自动调用该实现类进行解析. 考虑到SerialPort控件通信时数据的后台线程UI显示的不安全性, 和软件设计的低耦合高内聚观点,本文使用委托方法进行反馈式UI显示. RFID读卡器的通信与称重传感器类似,这里不再赘述. 2.2 通行验证点
通行验证点的构成主要有: 进口RFID读卡器、出口RFID读卡器、道闸控制器、自动通行控制软件和MS SQLServer数据库软件. 如图 5所示, 通行验证点分别装有进口道闸和出口道闸,默认情况下, 两个道闸均为红灯亮且闭合状态. 车辆申请进入时, 首先由RFID读卡器扫描该车的卡信息,然后进行验证, 验证通过后进口闸门绿灯亮,开闸放行, 地感线圈监测车辆通过后立即闭合闸门, 同理可知车辆的外出申请验证顺序.
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| 图 5 通行验证点车辆行驶路线鸟瞰图 |
道闸控制器通过COM1口与上位机相连, 该控制器同时控制进口道闸和出口道闸, 进口RFID读卡器和出口RFID读卡器分别通过COM2和COM3 与上位机相连. RFID读卡器与上位机的通信与2.1节讲述相同. 道闸控制器与上位机的通信主要体现在: 上位机发送指令, 进出口道闸便做出相应的回应. 指令格式主要由字节数组构成, 即{闸门地址,指令},如{0x02,0xBF,0x01},其中0x02表示出口闸门地址, 0xBF,0x01 表示亮红灯,其整体含义为出口闸门亮红灯, 我们只需通过SerialPort控件向COM1输出以上格式的指令数据即可控制道闸.
如图 5所示,通行验证点的进口和出口分别装有RFID读卡器, 可能造成误扫描现象,例如车辆出去时被进口读卡器扫到, 以至于进口闸杆被打开. 该问题可通过软件解决,即: 开闸前首先判断该车的上次进出类型,在上例中该车的上次进出类型为进, 所以忽略进口读卡器扫描的数据,这个方法称为"进出类型辨别机制", 该车出去时由于距离进口扫描卡较近, 将继续面临被进口读卡器扫到的可能,此时该车的进出类型为出, 进口闸杆将被打开,不符合需求,所以我们继续引进"重复刷卡忽略机制", 即成功起杆后开始累积记录上次刷卡时间, 距离上次刷卡时间小于指定时间段(如5min)的刷卡信息将被忽略. 这样, 只要初始化好各车辆的进出类型后, 通过这两个机制即可解决误扫描卡问题. 2.3 数据中心
如图 4所示,数据中心主要由PC机1和运行在其上的MS SQLServer, PC机2和运行在其上的3PGS管控客户端,MS SQLServer存储的数据主要有: 过磅点传送的称重信息、通行验证点传送的通行信息和电子审核信息. 3PGS管控客户端供监控人员进行远程电子审核与授权、实时车辆通行监测与控制、事后查询统计与分析. C#.net技术开发软件方便灵活,其集成了丰富的控件, 使程序员从繁杂的代码编写中解放出来, 更加专注于业务逻辑的分析与处理, 本文借助了C#.net的Reportviewer、Chart、DateGridView和 DataSet等控件, 对运输通行情况进行了报表设计、图形显示、数据列表实时汇总等功能, 这些不是本文研究的重点或难点,这里不再赘述. 3 3PGS在三道庄露天矿的应用
栾川三道庄露天矿区地处河南省栾川县赤土店镇和冷水镇交汇处,为栾川钼钨矿田三大矿区之一,是洛阳栾川钼业集团股份有限 公司的主要原矿开采基地,生产规模为30000 t/d,年采剥总量达5000万t,属特大型有色金属露天开采矿山. 2006年以来, 栾川三道庄露天矿与西安建筑科技大学矿山系统工程研究所建立了良好的产学研联合技术攻关关系[14, 15], 引进了GPS 定位技术,无线通信技术,GIS地理信息技术,电子秤称重技术, RFID身份识别技术, 系统工程理论以及最优化技术等一系列先进理论与高新技术, 共同研发了三道庄露天矿数字化采矿集成系统, 实现了可视化生产计划编制,配矿计划自动生成, 卡车电铲智能调度及监控,矿岩运量自动计量及统计分析, 生产计划实时监控等目标. 2012年3月,3PGS系统研发完成, 并得到了成功的应用.
矿山已组建了企业以太网络, 研发了区内自动过磅电子称和区外卸车点自动过磅电子称等条件, 采区共两个进出口: 309出口和1801出口, 所以只需在这两个出口分别安设通行验证点所需设备即可, 部署方法如图 4所示. 软件平台的部分截图效果如图 6所示, 其中(a)为3PGS电子称自动称重数据采集界面, (b)为3PGS智能管控客户端界面. 自2012年3月至今,系统运行状态良好, 矿山运输车辆矿石偷盗问题得到了有效解决, 车辆运输的规范管理得到了进一步加强.
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| 图 6 3PGS操作平台部分界面图 |
3PGS中的3点管控模型思路清晰,且其涉及技术成熟可靠, 它的应用能够有效管控露天矿车辆运输人为盗矿问题, 将给矿山企业带来较大的使用价值. 由于篇幅有限, 有一些地方文中尚未触及,现进行补充如下:
1) 3PGS中的3点(区内过磅点、通行验证点和卸车过磅点)对立统一、相辅相成、缺一不可, 必须有序配合,一个矿山实例下的3类点各自数量并不唯一,但不能小于1.
2)论文中DBMS (数据库管理系统) MS SQLServer在过磅点、通行验证点和数据中心都进行了部署,其主要目的是: 一方面对于一些日志信息,本地存储较快,软件运行效率较高; 另一方面一旦网络发生故障,在授权部门本地授权情况下, 软件便自动切换到本地方式运行,而不至于由于网络问题而造成系统瘫痪.
3)本系统支持应急开闸授权,一旦采区内发生重大灾情, 通过各级快速电子授权,系统将自动切换到应急开闸状态,闸杆持续升起, 且自动记录进出车辆信息,直到关闭应急状态.
4)实际上,3PGS系统不仅可应用于露天矿山, 满足如下条件的场景实例皆可借助3PGS来进行车辆管控: 1)车辆往返于区内区外; 2)区内和区外之间进出口数量有限.
| [1] | Gu Q H, Lu C W, Li F B. Monitoring dispatch information system of trucks and shovels in an open pit based on GIS/GPS/GPRS[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 18(2): 288-292. |
| [2] | Gu Q H, Lu C W, Guo J P, et al. Dynamic management system of ore blending in an open pit mine based on GIS/GPS/GPRS[J]. Mining Science and Technology, 2010, 1: 132-137. |
| [3] | 吴文君,井石滚,顾清华.基于WiFi技术的露天矿数字化生产调度系统[J].金属矿山, 2010(8): 116-119.Wu Wenjun, Jing Shigun, Gu Qinghua. The digital dispatching system of open pit mine based on WiFi[J]. Metal Mine, 2010(8): 116-119. |
| [4] | 卜艳阁. RFID技术在露天矿卡车运输中的应用[D]. 西安:西安建筑科技大学, 2008: 1-67.Bu Yange. The application of RFID technology in the truck transportation system of the open-pit mine[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture & Technology, 2008: 1-67. |
| [5] | 郭稳涛,何怡刚.基于RFID的智能停车场管理系统的研究与设计[J].自动化技术与应用, 2010, 29(6): 60-64.Guo Wentao, He Yigang. The research and design of management system of intelligent parking based on RFID[J]. Techniques of Automation and Applications, 2010, 29(6): 60-64. |
| [6] | 李建祥,吴会江,唐立新.考虑规整性的露天矿短期生产调度模型[J].系统工程理论与实践, 2005, 25(3): 119-124.Li Jianxiang, Wu Huijiang, Tang Lixin. A model with regularity for open pit mine short term production scheduling[J]. Systems Engineering——Theory & Practice, 2005, 25(3): 119-124. |
| [7] | UML metal model (in Chinese) [EB/OL]. URL: http://www.soft-hr.cn/handbook/uml/uml/uml metamodel003.htm. 2010-3-14. |
| [8] | 宛海宁,舒振,黄力,等.元模型理论及其在企业体系结构开发设计中的应用[J].系统工程理论与实践, 2012, 32(4): 847-853.Wan Haining, Shu Zhen, Huang Li, et al. Theory of metamodel and its application in the development and design of enterprise architecture[J]. Systems Engineering——Theory & Practice, 2012, 32(4): 847-853. |
| [9] | 谭跃进,吴俊,刘忠,等.大型复杂人机系统结构、过程建模与组织设计方法研究现状与展望[J].系统工程理论与实践, 2011, 31(1): 73-81. Tan Yuejin, Wu Jun, Liu Zhong, et al. Status and prospects on modeling of structure and process and design of organization in large complex man-machine systems[J]. Systems Engineering——Theory & Practice, 2011, 31(1): 73-81. |
| [10] | Meier J D, Alex H, David H, et al. Application architecutre guide 2.0[EB/OL]. URL: http: //msdn. microsoft. com/en-us/library/dd673617. aspx, 2009. |
| [11] | Andrew S, Jennifer G. Head First C\#[M]. New York: O'Reilly Media Inc., 2007. |
| [12] | 赵泰洋,郭成安,金明录.一种基于 RFID 原理的交通信息获取系统与车辆定位方法[J].电子与信息学报, 2010, 32(11): 2612-2617.Zhao Taiyang, Guo Chengan, Jin Minglu. A RFID based traffic information acquisition system and vehicle positioning method[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2010, 32(11): 2612-2617. |
| [13] | 杨进宝,汪鲁才.称重传感器非线性误差自适应补偿方法[J].计算机工程与应用, 2011, 47(16): 242-245.Yang Jinbao, Wang Lucai. Method for adaptive compensation of load cell's nonlincar error[J]. Computer Engineering and Applications, 2011, 47(16): 242-245. |
| [14] | 高建敏,张新光.信息技术在三道庄露天矿中的应用[J].有色金属(矿山部分), 2010, 62(3): 55-58.Gao Jianmin, Zhang Xinguang. Application of information technology in the Sandaozhuang open pit mine[J]. Nonferrous Metals (Mining Section), 2010, 62(3): 55-58. |
| [15] | 李发本,阮顺领.基于GPS的露天矿动态路径生成算法[J].计算机工程, 2012, 38(1): 236-238.Li Faben, Ruan Shunling. Dynamic path generation algorithm for open pit based on GPS[J]. Computer Engineering, 2012, 38(1): 236-238. |