卡车GPS智能调度系统在矿山的应用

1.2 国内相关研究

根据国内矿山的发展形势，有较多大型露天矿山根据自身生产实际逐步开始配置了GPS矿车调度管理系统，通过调度协调管理车辆以提高矿山的生产效率，降低生产中的浪费环节。矿车调度系统对矿山生产效益的影响程度约为15%左右。通过生产计划灵活设置车铲的比例来管理矿山生产过程中车辆和电铲之间综合利用效率具有较大的研究价值。

国内相关GPS卡车调度系统的硬件组成主要包括以下几个方面：露天矿车卡调系统由移动智能终端、调度中心通讯系统和调度中心计算机网络系统三个部分组成^[3]，其中移动终端主要包括卡车的终端和电铲的终端，它们分别被安装在卡车和电铲设备上^[4]。考虑到矿车设备可能发生故障时的要求，一般需要在矿车终端再配有一台备用电源，保证矿车设备在发生故障后设备还能继续工作一段时间。调度中心通讯系统主要包括安装在通讯塔上的无线通讯电线、GPS电线、安装在调度室内的专用电台、负责各智能终端信息收发、坐标位置等信息交换等处理。

国内研究显示矿山GPS矿车调度系统可以减少作业成本，提高效率，降低职工劳动强度，具体有以下几点比较突出^[5]：一是员工操作难度低，调度员根据生产计划可以较快高效的安排生产任务并下发指令；二是实用性较强，系统根据调度员的指令对现场生产进行合理分配；三是沟通简便安全性高，终端通过简单的人机信号有效的反馈到调度中心，为实际解决问题提供了方便快捷的平台^[6]。

1.3 国外相关研究

国际上一些大型露天矿山已可在办公室生成矿床模型、矿山采掘计划，并与采场相关设备进行联系，形成动态管理和遥控指挥系统^[7]。国际著名矿山---加拿大国际镍公司（Inco）从20世纪90年代开始研究遥控采矿技术，目标是整个矿山系统进行遥控作业^[8]。现在，Inco公司已经研究出样机系统，并在加拿大太略省的萨德泊里盆地的几家镍矿使用，实现了对镍矿采掘的远距离控制^[9]。Inco公司分别在两个矿山投入6台和8台遥控矿山设备^[10]。1999年6月，Inco 公司在地面的一东大楼里设立了一个中央控制站，对该公司所属矿山、多个矿体的开掘进行集中自动控制^[11]。由此，矿山的采、掘、运均实现了无人采矿，无人驾驶，仅当设备出现故障时，维修人员才会到达采掘现场。

 

2 选题的目的与意义

2.1选题的目的

巴润矿业是包钢（集团）公司一个主要的原料生产基地，生产管理的范围较广。在露天开采的生产过程中，各种参数，如卡车、电铲等设备的位置、状态等信息，是卡车调度的主要依据。这是一个动态的过程，在传统的人工调度过程中无法及时、高效的把控生产过程中的各种因素，面对多发的问题点没有一个很好的管理方案，在这种不能掌控现场所有生产数据的情况下，无法做到生产运营的逐步优化。然而GPS矿车调度管理系统恰恰弥补了其中的不足，它可以借助安装在卡车、电铲等设备上的车载终端，广泛收集各种数据，通过系统的无线通信，将这些数据传送到中央控制室，中央计算机根据反馈信息及时安排生产。

选此题目的目的是在生产任务一定的情况下，使用最少的卡车和电铲，完成生产任务；并保证卡车运行的安全性，降低司机的操作难度。卡车智能终端提供了决策数据，降低等待时间，大大提高设备运转率。通过GPS矿车调度管理系统的调度指挥，使得整个采矿系统作业效率最高。通过进一步的分析和了解，提高该系统的效率，减少故障问题的发生。

2.2选题的意义

GPS矿车调度系统应用了现代管理技术，将露天采矿过程中的各种数据高效、准确的采集并反馈到调度中心，从而实现了管理的智能化。在这个生产过程中，实现了一个动态优化的过程，这是传统调度系统所不能做到的，且传统调度也不能及时优化调度指令，减少等待、闲置的浪费。GPS智能运输系统在矿山生产中的使用，它通过安装在卡车电铲等的设备，广泛收集各种数据，通过系统的无线通信反馈到调度中心。大大提高了现场的安全系数，主要原因是驾驶员不能对车辆之间距离做出准确的判断，尤其是大雾天或夜间，碰撞矿山交通事故的主要形式之一，当发现问题紧急制动时，车辆间距离已小于安全制是由矿山环境复杂本身的特点所决定的。鉴于上述状况，预防卡车交通事故发生及对面经过车辆的有效措施之一，就是研究开发汽车安全距离自相撞的事故极少。自动制动等相关操作，从而避免事故发生。该系统应通过对油气门的控制，使车辆控制在安全范围之内。

3 需求分析

3.1概述

通过对巴润矿业公司进行了现场考察和技术交流。对巴润矿业公司露天采矿进行了调研，并与巴润矿业公司进行了深入的交流和对矿坑地形的调研。

3.2自然环境条件

巴润矿业公司矿区位于包头市区北部。常年太阳日照比较充分，并且矿区常年晴朗天气较多，可利用绿色环保的太阳能为坑下取电困难通讯基站进行供电。

3.3生产调度现状

巴润矿业公司露天矿调度室负责露天矿的生产指挥，对矿区生产进行协调，执行公司的调度功能，并负责统计所有的生产数据和生产报表。现有调度方式以人工为主，比较落后，仍采用传统的人工配车、调度员喊话及跑现场的方法进行，对讲和手机为主要的通讯手段。生产过程中调整和新的调度指令的传达需要到现场找车或通过对讲直接或间接传话。

运输方式：

矿石通过自卸汽车运输至选矿厂破碎站

岩石通过自卸汽车运输至排土场

岩石通过自卸汽车运输至半移动破碎机，破碎后通过边帮胶带运输至排土机进行排岩。

但随着生产的不断扩大，调度生产和管理面临如下问题：

Ø 采用传统的固定配车方案，难以适应采场设备的变化情况，经常会出现铲等车或车等铲的情况，卡车运输效率难以提高；

Ø 由于有的卡车多，生产调度任务的下达需要人工协调，沟通起来繁忙而困难，经常需要到现场传达；

Ø 卡车出现设备故障后，消息不能及时上报，一个小时可以解决的故障，往往要等待更长的时间才能检修到位；

Ø 计量产量由人工手动记录，无法做到客观准确，容易作弊、误记、漏记,运距计算存在误差；

这些问题将严重影响露天矿生产指挥的正常运转，直接关系到每一个员工的切身利益，工人核查产量的情况时有发生，生产效率低，消耗大，成本高，矿山管理决策水平不能提升到更高的层次，伴随相关的一系列问题随之而来。

基于以上问题，引入露天矿GPS 卡车调度系统，必将是巴润矿业公司在生产调度与信息化管理水平上上升到一个更高的层次。

3.4作业环境

设备主要在露天开采条件下使用，工作环境灰尘大、温差大、高温、严寒、雨雪频繁、振动大。因此设备从设计到安装都应能够满足防尘、防水、抗震、耐高低温。

4 卡车智能调度系统总体设计

4.1项目总体描述

卡车智能调度系统控制的设备为矿车和电铲。系统通过计算机对装、运、卸的全过程进行控制与管理，自动实现各种生产资源的合理配置利用，从而实现效率最高，消耗最低, 产量最大的智能派车的目标。并为进一步促进采场加强生产组织；提高采场安全管理水平；加强设备管理能力；加强企业管理，促进管理提升；实现提高生产效率、降低生产成本、提升管理、决策水平并为数字矿山奠定基础。

4.1.1系统架构

卡车智能调度系统主要由三部分组成：数据采集与通讯系统（以下简称GPS系统），调度与管理信息系统，核心调度软件系统。

1、数据采集与通讯系统

数据采集与通讯系统的主要功能是完成实时数据与信息的采集、通讯，其基本组成包括车载计算机系统、无线数据通讯系统和GPS 定位系统。

(1)车载终端系统

移动式车载智能终端系统安装于作业现场的卡车、电铲、钻机等主要设备上。用于实时、多任务、分布式计算，采集生产设备运行状态及监控信息，实时地将信息传递给中央计算机和设备司机。车载智能终端系统主要包括图像显示/触摸屏输入控制盘和移动式计算机等。

(2)无线数据通讯系统

无线数据通讯系统在中央计算机系统及车载计算机系统间提供可靠的无线数据通讯。

(3)GPS定位系统

GPS 定位系统跟踪卡车、电铲、钻机的位置，通过无线数据通讯系统送至中央计算机系统。

2、调度与管理信息系统

从整个卡车智能调度系统看，调度与管理信息系统处于信息与控制的中心。基于GPS系统采集的各种实时数据和信息，其主要任务是对接收到的数据进行分解、存储、发送等处理，并对露天矿装、运、卸的全部目标、全部过程进行实时的生产管理和调度管理，以实现各种资源的合理配置，使系统在优化的状态下运行。

3、核心调度软件系统

在卡车智能调度系统中,核心调度软件系统采用了自主设计的一种卡车优化调度模型，该模型由最短路算法、车流规划模型和实时调度准则组成。

为了实现整体设计的目标，整个核心调度软件系统分为三个主要模块：最短路算法模块，车流规划模型模块和实时调度准则模块。它们之间的关系如图所示：

 

 

5.防碰撞体系的控制过程

防碰撞控制系统组成图主要由探测、接收模块、安全距离估算、危险估计、语音警报和制动控制组成。

 

防碰撞控制原理图

5.1系统安全车距模型的建立

本系统的特性是在驾驶员疏忽或不能辨明环境情况下的一种自动安全车速控制，它要求在尽量不改变汽车本身制动系统下，实现这种动作。因此，它实现的这种制动与在驾驶员的操纵下的制动情况大体相同。

 从两车速度判断，为避免追尾碰撞事故，所探测到的本车到前方车辆的距离D必须大于最小安全距离D。距离D就是指在同一条车道上，同向行驶的前后两车间的距离(后车车头与前车车尾问的距离)；而最小安全距离Dr是在保证既不发生追尾事故，又具有最大道路通行能力的适当距离D>Dr，Dr=Vl(td+tf1)+(V1²／2a1)一(v2²／2a2)，其中：D为两车之间的实际距离，Dr为对前车的安全距离，vl为本车速度，v2为前车速度，td制动协调时间，tf1为驾驶员对前方车辆的反应临界时间，al为本车减速度，a2为前车减速度。当前方为静止物体时v2=O，到静止物体的安全距离应为：

                      D>Ds  Ds=Vl(Td+Tf2)+V1²／2al

    其中：Ds为到静止物体的安全距离，Tf2为驾驶员对静止物体的反应临界时间。Dr或Ds时，信号处理器就会判断出潜在的危险情况并给驾驶员发出警告；如果情况比较紧急时，信号处理器就会自动减小油门开度，自动减档或自动制动等相关操作。此外系统中还存在由高频引起的干扰，应采用低通滤波器去掉高频部分，以消除系统中的干扰。

5.2 前方车速V2的确定

    在本系统中前方车辆的速度V2不是直接测量出来的，它是通过本车速度Vl和实车距S经过计算得出的。我们知道两车之间的距离S是一个变量，它与本车速度V1和前方车速V2有关。△s是车辆距离的增量，△t是很短的时间段，VI，V2是在△t时间内的平均车速．车距的增量为：

△S=△t(V2-VI)，当时间△t趋于O时，△s减小，VI，V2趋近于某一点的瞬时速度V2-VI，即：

 

 

当ds dt＞0时，此时的V2＞V1，车距增大，当ds＞dt时，车距变小，由于车距S与本车车速V1已知，可以通过此公式计算出前车车速V2。本车速V1是通过车速传感器直接测量出来的，而实际车距S是通过红外线传感器直接测量出来的。所以，前车速度是实际测量与计算相结合得出来的。

5.3前方车辆加速度a2的确定

前方车辆的速度是通过对本车速度和车距的实际测量，且由推导出的公式dS／dt=V2一V1计算得出．前车速度是一个变量，对它进行微分计算，就得出前方车辆的加速度a2：计算公式为：dV2／dt=a2。由上可知，前方车辆加速度的确定也是实际测量和计算相结合。

5.4红外线防碰撞控制器的设计

现代测距方式有5种：超声波测距、毫米波雷达测距、双CCD摄像系统测距、激光测距、红外线测距。红外线测距是效果好、无污染、成本低的测距方式。本系统采用红外线测距方式进行测距。

5.5红外线测距的基本原理

红外线测距的原理是根据红外线发光二极管发出40 kHz的红外线脉冲调制光，当红外调制光遇到前方车辆后反射回来，红外线接收器接收到反射信号，并将其转变为电信号。测出发射波与接收到的反射波的时间差△T,利用公式S=C*△T÷2，计算出距离，其中C为光速。

5.6红外线测距硬件电路的设计

5.6.1红外线发射电路

单片机间断发出编码不同的脉冲，经8155输出。8155P口的高4位I／O线作为数据的发送端，低4位I／O线作为数据接收端。从8155PA口的高4位I／O线输出的信号输入到YYH26编码器的数据端进行编码。CIMOll是频率为40 kHz的振荡器，用于调YYH26产生的编码信号。已调制的红外信号经8550放大由红外线发光二极管PH发送去。YYH26的A0-A7为地址编码端，地址编码为10001101，它的地址编码由硬件控制，可以任意选择其数值，数据端为D0-D3脚，其10脚闭合，Do为高电平。由于输出控制端接地，所以只需将电源接通，YYH26就会将Ao—A7及Do～D3的编码状态由17脚输出，对CD4011振荡器产生的40Hz的载频进行调制后，由红外线发光二极管PH向外发射。红外线在发射时发生散射，在经过一段距离后它的发射面积增大，使控制信号的能量分散，单位面积上的能量强度减弱，因此失去控制功能。所以为了保证红外线在远程发射时具有足够的发射功率。在发射端，采用多个发光二极管并联以增大发射强度。并安装聚光镜使红外线成束发射，以增大发射功率。

5.6.2红外线接收与处理电路

电路工作原理如下：VD为多个红外线接收二极管并联，用来接收在电磁阀驱红外线发射电路端发射出，并遇到前方车辆反射回来的红外线脉冲调制信号，其收到的信号经CX20106单片机输出的信号经放大后控制电磁回来的红外线脉冲调制信号。其收到的信号经 阀的启动。由于电磁阀需要的驱动电压较高，电流CX20106解调放大后，输入译码器YYH27的14脚，如果接收到的地址码(A0-A7)与YYH27本身的地址编码相同，并经连续4次比较(由硬件设）无误时，即表示解码成功。由YYH27的17脚输出一个正脉冲vT，同时把接收到的数据Do～D3 经8155PA口的低4位I／O线，输入单片机8051 中。在8051中收到的编码信号与以前发送的编码脉冲信号相比，如果不同，收到的信号丢掉不管；如果相同，则可以计算发出此编码脉冲到接收到此编码脉冲的时间T，根据公式计算出车距。YYH27的地址编码由硬件控制，它与YYH26的地址编码相一致。为了提高接收功率，在接收端采用多个红外线接收二极管，与发射端相同也安装聚光镜使较分散的红外光束能够聚焦于一个较小的面积。

5.7时钟电路和复位电路的设计

本系统采用内部时钟方式。单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电压，单片机便实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。本系统采用自动复位。当RESET引脚为低电平时(低于0.8V)电容开始充电，到RESET为高电平，且要保持10ms以上，就能使单片机有效复位。电容器放电后，RESET引脚变为低电平，这样周而复始的充放电，就可以实现单片机的自动复位。

5.8执行器电路的设计

当汽车车距小于安全距离时，为了能向驾驶员报警，并在紧急情况下自动执行制动，设计了电磁阀驱动电路、单片机语音报警和显示电路，并由单片机控制启动。由于机械部分的节气门、离合器、制动器都采用电磁阀驱动，所以，在系统执行电路中，以上三者采取相同的电磁阀驱动电路。

5.8.1电磁阀驱动电路。

隔离电路：在电磁阀驱动电路中，单片机输出的信号经放大后控制电磁回来的红外线脉冲调制信号。其收到的信号经阀的启动。由于电磁阀需要的驱动电压较高，电流也较大，如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电气干扰、冲击干扰等，轻则影响计算正常进行，重则导致计算机和接口的损坏。所以，要在接口电路与功率放大器之间加光隔离器。功率放大器：单片机输出的功率很小，远不能满足电磁阀的需要，必须将其输出的信号放大产生足够的功率，才能驱动电磁阀正常工作。本系统采用ITPl47三极管，它的工作电流为1A一3A。电磁阀驱动电路：电磁阀驱动电路中采用 TILIl3光隔离器，它是由发光二极管和复合晶体管组成的。在光隔离器的发射极接1TPl47三极管，在1TPl47的集电极接电磁线圈。当单片机输出为高电平时，发光二极管Dl因导通而发光，光敏三极管因光耦合而导通，故可在发射极输出端口4输出高电平。因此1TPl47三极管导通，启动电磁阀工作。否则，光敏三极管截止，发射极输出端口4输出低电平。1TPl47三极管截止，电磁阀不工作。其中二极管Dl的作用为续流，避免电磁阀线圈发生损坏。

5.8.2语音报警器。

为了使车辆距离在小于安全距离时，系统能够发出预警信号，以提醒驾驶员采取相应的措施，在控制器中设计了语音报警器。单片机语音报警系统并不复杂。它是由一位A／D转换器外加一个滤波放大和扬声器组成。74LS74为D型触发器，其Q端和放大滤波电路的输入端相接，放大滤波电路的输出推动8欧姆扬声器。当8051从P17输出一个脉冲时，74LS74输出端改变一次状态(一位A／D转换)，经放大滤波使扬声器发出语言报警声。

5.8.3显示电路显示电路

为了显示车辆之间的实际距离，设计了显示电路。由红外线测量出来的车距，通过8051单片机驱动显示器指示出距离。

5.9总结分析

本系统就是通过红外线测距确定两车之问的距离，当车辆间距离小于安全距离时，系统将发出预警信号通知驾驶员采取相应措施。如果情况比较紧迫时。它还会采取自动减少油门开度、自动减档或自动制动等相关操作，从而避免事故发生。该系统对汽车车距能够预警和自动操作，从而保证了卡车的通车效率以及车辆的安全性和舒适性。该系统在防追尾碰撞方面已显示出一定的潜力，可以肯定，这一系统的最终完善，必定在保护人员安全、防止在能见度较低的情况下和因驾驶员疏忽大意而造成车辆事故方面取得明显效果。

 

 

 

 

 

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