韓新平 吳 崇 王明君

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天礦山研究院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

基于物聯(lián)網(wǎng)的露天礦智能爆破系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

韓新平1,2吳 崇2王明君2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)露天礦山研究院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

以礦山物聯(lián)網(wǎng)、礦山智能化和采礦自動(dòng)化、無人化的發(fā)展趨勢為背景，以實(shí)現(xiàn)露天礦爆破的智能化為方向，以解決目前露天礦爆破在管理、安全和信息處理方面存在的問題為目的，以現(xiàn)代通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和軟硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究了露天礦智能爆破的總體架構(gòu)、核心內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)等。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：①露天礦用鉆機(jī)的自動(dòng)鉆進(jìn)與行走流程、鉆孔精確定位與導(dǎo)航、穿孔數(shù)據(jù)記錄、易損件和消耗件信息記錄等功能;②適用于露天礦爆破工程的通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫;③露天礦監(jiān)控與爆破設(shè)計(jì)軟件。該系統(tǒng)在實(shí)踐中得到了良好應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng) 礦山智能 爆破系統(tǒng) 露天礦

目前，我國露天礦山的全自動(dòng)化系統(tǒng)尤其是千萬噸級(jí)全自動(dòng)化系統(tǒng)，主要采用國外先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)成本高、維護(hù)不便，亟需進(jìn)行自主研發(fā)和裝備研制[1]。爆破是露天礦山生產(chǎn)自動(dòng)化與智能化的重要環(huán)節(jié),穿爆工作的好壞直接影響礦山后續(xù)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全與效益,如露天作業(yè)計(jì)劃、采裝、運(yùn)輸、邊坡穩(wěn)定等。雖然近些年來我國在露天礦山安全生產(chǎn)和和爆破技術(shù)上有了很大的提高，但在數(shù)字化、自動(dòng)化，信息化和管理等方面仍有不足，在自動(dòng)穿孔、定量裝藥、現(xiàn)場監(jiān)控、人員設(shè)備管理、安全管理、穿孔爆破設(shè)計(jì)等方面的水平需進(jìn)一步提高，以實(shí)現(xiàn)露天礦爆破的智能化[2]。

1 總體結(jié)構(gòu)

以物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)[3]為紐帶，構(gòu)建以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)的智能化露天礦爆破施工體系。如圖1所示。

1.1 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

應(yīng)用層主要包括管理和技術(shù)人員需要的爆破設(shè)計(jì)軟件，監(jiān)控軟件，可通過網(wǎng)頁瀏覽當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的信息以便了解工程施工狀態(tài)；也包括鉆機(jī)自動(dòng)化的各種應(yīng)用[4]。

網(wǎng)絡(luò)層采用了支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)，即第三代移動(dòng)通信技術(shù)，能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上，同時(shí)信號(hào)覆蓋面積大，保證了大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)姆€(wěn)定性。同時(shí)，與有線互聯(lián)網(wǎng)和辦公局域網(wǎng)相結(jié)合，完成了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層與感知層間的通信。

圖1 智能爆破系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

感知層主要包括了人員和設(shè)備的定位與通信模塊，以及滿足智能爆破需求的鉆機(jī)上的各種傳感器[5]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

技術(shù)人員通過爆破設(shè)計(jì)終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)，鉆機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)將穿孔設(shè)計(jì)讀入到鉆機(jī)工控機(jī)內(nèi)，鉆機(jī)操作人員根據(jù)導(dǎo)航界面提示自動(dòng)或手動(dòng)定位到炮孔位置，鉆機(jī)根據(jù)相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)完成設(shè)計(jì)鉆深的鉆孔工作。在現(xiàn)場意外變動(dòng)時(shí)，可根據(jù)設(shè)備人員管理終端的授權(quán)快速布孔或額外鉆孔。

爆破組工作人員從網(wǎng)絡(luò)接收鉆孔的裝藥設(shè)計(jì)，根據(jù)GPS定位模塊和裝藥車自動(dòng)化設(shè)備，逐孔定量裝藥。在起爆時(shí)，通過平板電腦接收爆破警戒線和人員設(shè)備的位置信息?，F(xiàn)場的相關(guān)信息，包括鉆機(jī)的各種傳感器數(shù)據(jù)，火工品用量，鉆機(jī)組和爆破組成員的工作情況和記錄等相關(guān)信息，以及視頻和音頻等相關(guān)資料通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器中[6]。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 鉆機(jī)平臺(tái)主要包括的功能

鉆機(jī)是露天礦穿孔爆破的核心設(shè)備，是大量傳感器、監(jiān)控設(shè)備、顯示設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、通信設(shè)備的載體，是露天礦智能爆破的重要組成部分。如圖3所示，工控機(jī)通過can接口與控制器通信，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送指令，接收攝像錄音數(shù)據(jù)，與3G無線網(wǎng)絡(luò)相連，通過觸屏液晶顯示器、can數(shù)據(jù)線相關(guān)驅(qū)動(dòng)庫函數(shù)、Visual Studio應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)、新一代Windows 8觸控操作系統(tǒng)相結(jié)合開發(fā)相關(guān)功能軟件。

圖3 控制顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 履帶鉆機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

履帶鉆機(jī)采用履帶作為行走裝置，可以實(shí)現(xiàn)整體向前，向后，轉(zhuǎn)彎行駛和原地轉(zhuǎn)向等。履帶鉆機(jī)通過控制左右履帶的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，由于爆破現(xiàn)場的地面起伏，轉(zhuǎn)向軌跡的可控性較差。忽略了轉(zhuǎn)向離心力、阻力、接地壓力、縱向滑移、橫向滑移等非線性因素，采用理想模型分析。見圖4所示。

圖4 履帶行走參數(shù)

圖4中，P為履帶對(duì)稱中心，O為轉(zhuǎn)向瞬心，R0為P點(diǎn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑，R1為鉆孔X的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑，B為履帶跨距，D為X到直線OP垂直距離，C為P點(diǎn)到履帶中心線的距離，V1和V0分別表示外內(nèi)側(cè)履帶速度。其中，

(1)

(2)

在非理想狀態(tài)下，R1存在實(shí)測經(jīng)驗(yàn)誤差μ，那么實(shí)際的鉆孔X的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑為

(3)

2.2 鉆孔的精確定位與導(dǎo)航

GPS定位模塊通過露天礦現(xiàn)場RTK技術(shù)的精度修正，抗干擾能力強(qiáng)，可以使孔間的定位精度誤差達(dá)到厘米級(jí)。根據(jù)技術(shù)人員傳輸過來的穿孔設(shè)計(jì)，顯示在鉆機(jī)操作人員面前。顯示界面包括鉆機(jī)坐標(biāo)、鉆桿坐標(biāo)、鉆孔孔口坐標(biāo)、鉆孔傾斜方向和角度、設(shè)計(jì)鉆深、已鉆進(jìn)深度、設(shè)計(jì)裝藥量、已裝藥量、鉆渣范圍、鉆機(jī)自動(dòng)行走路線、鉆孔鎖定狀態(tài)、爆破邊界線[7]。

如圖5所示的導(dǎo)航界面,A為鉆孔位置，P為已鎖定的目標(biāo)鉆孔位置，AC和AD分別為R2±μ的誤差邊界線，當(dāng)P點(diǎn)位于AC、AD誤差邊界線所夾范圍內(nèi)時(shí)，保持當(dāng)前左右履帶速度，否則可在手動(dòng)模式或自動(dòng)模式下調(diào)整左右履帶速度使得P點(diǎn)鉆孔重回范圍內(nèi)。

圖5 鉆機(jī)的導(dǎo)航與搜索方式

如圖6所示，當(dāng)鉆機(jī)距離導(dǎo)航鎖定目標(biāo)鉆孔距離小于2 m時(shí)，導(dǎo)航行界面為大圖標(biāo)顯示，便于觀察。界面實(shí)時(shí)顯示鉆機(jī)距該孔距離，鉆機(jī)開始減速。界面中已完成裝藥鉆孔為實(shí)心圓孔，已完成作業(yè)鉆孔顯示為實(shí)際鉆深的環(huán)形孔，未作業(yè)鉆孔顯示為實(shí)際鉆深圓形孔。實(shí)線為坡頂線，虛線為坡底線，當(dāng)鉆機(jī)機(jī)身距離坡頂線最短距離為1 m時(shí)，發(fā)出危險(xiǎn)預(yù)警。

圖6 鉆機(jī)鎖定與抵達(dá)鉆孔顯示

如圖7所示,當(dāng)鉆機(jī)距離導(dǎo)航鎖定鉆孔距離小于1 m時(shí)，界面切換到實(shí)際比例導(dǎo)航模式。黑色圓環(huán)為已鉆孔鉆渣范圍，左側(cè)顯示設(shè)定鉆深，右側(cè)顯示實(shí)際鉆深。矩形框?yàn)殂@機(jī)大小，內(nèi)部為履帶大小、運(yùn)行方向。鉆機(jī)到達(dá)目標(biāo)導(dǎo)航鉆孔后，鉆孔顯示十字鎖定，同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示實(shí)際鉆深和設(shè)定鉆深。

圖7 鉆機(jī)鎖定鉆孔并進(jìn)鉆顯示

鉆機(jī)可在自動(dòng)行走程序的控制下，按照穿孔設(shè)計(jì)自動(dòng)設(shè)計(jì)行走路線，行駛到鉆孔坐標(biāo)附近并逐漸鎖定鉆孔位置自動(dòng)鉆進(jìn)。在必要情況下，如存在散落石塊、地形起伏較大和電纜阻礙的情況下可切換到手動(dòng)導(dǎo)航與行走狀態(tài)。手動(dòng)導(dǎo)航狀態(tài)下鉆機(jī)的全景式行走系統(tǒng)工作，最大程度地避免駕駛員的視覺盲區(qū)。當(dāng)鉆機(jī)在行走超出爆破邊界線范圍，鉆機(jī)停止行走并警報(bào)，指示回退到爆破邊界線范圍之內(nèi)。

2.3 鉆機(jī)的自動(dòng)穿孔

以中大型的露天礦用鉆機(jī)為例，其鉆桿與地面角度為90°～70°，無托架。鉆機(jī)采用3個(gè)GPS定位模塊和傾角傳感器定位鉆機(jī)、鉆桿和鉆孔三維空間位置，接收爆破設(shè)計(jì)，按設(shè)計(jì)路線自動(dòng)行走穿孔。由于鉆機(jī)自動(dòng)調(diào)平速度緩慢，在鉆機(jī)與水平傾角較小情況下，將省去調(diào)平環(huán)節(jié)。自動(dòng)穿孔的流程如圖8所示。

圖8 鉆機(jī)自動(dòng)穿孔流程

當(dāng)鉆機(jī)的工作面為斜孔時(shí)，行走路線如圖9所示。設(shè)計(jì)鉆孔傾角為70°，鉆機(jī)從1號(hào)節(jié)點(diǎn)位置出發(fā)，到2號(hào)節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作，經(jīng)過2號(hào)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)導(dǎo)航至4號(hào)節(jié)點(diǎn)完成穿孔動(dòng)作，向后行走返回5號(hào)節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)向向后行走至6號(hào)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向7號(hào)節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)行走與穿孔動(dòng)作。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)1個(gè)動(dòng)作，節(jié)點(diǎn)位置可以重合，按照數(shù)字順序完成行走和穿孔設(shè)計(jì)。

當(dāng)鉆機(jī)工作面為垂孔時(shí)，行走路線如圖10所示。由A點(diǎn)出發(fā)經(jīng)過各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成行走穿孔動(dòng)作。當(dāng)鉆機(jī)與邊界線過近時(shí)也可采用斜孔的行走路線。

圖9 鉆機(jī)鉆進(jìn)斜孔路線

圖10 鉆機(jī)鉆進(jìn)直孔路線

2.4 快速布孔功能

由于爆破施工現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，當(dāng)需要對(duì)單孔位置調(diào)整或爆破方案臨時(shí)變更時(shí)，需要向技術(shù)人員申請(qǐng)權(quán)限，重新快速布孔。

2.5 全景式行走影像

鉆機(jī)在自動(dòng)行走或手動(dòng)行走時(shí)，可能會(huì)遇到石塊、土堆、水坑、電纜等情況，全景式行走影像解決了鉆機(jī)駕駛?cè)藛T的視角盲區(qū)，減輕了鉆機(jī)操作人員的工作壓力，精簡了工作人員數(shù)量，提高了工作效率和安全性。

2.6 濕式除塵裝置

采用變頻供水濕式除塵裝置，能根據(jù)工作氣壓和巖石狀況精密調(diào)節(jié)供水量，既不影響鑿巖速度，又能最大限度地降低工作面粉塵。

2.7 鉆機(jī)設(shè)備與人員管理

記錄易損件、消耗件生命周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、工作時(shí)長、鉆進(jìn)距離，更換信息，記錄鉆機(jī)各個(gè)設(shè)備的工作時(shí)間、工作參數(shù)、維修情況等等。鉆機(jī)工作人員需要通過指紋識(shí)別啟動(dòng)鉆機(jī)、完成考勤記錄、鉆孔作業(yè)日志等。記錄穿孔過程中的穿孔數(shù)量，當(dāng)班產(chǎn)量，鉆進(jìn)總數(shù)，鉆孔信息爆破方量等。通過攝像頭和音頻設(shè)備記錄現(xiàn)場工作人員狀態(tài)，以及管理人員實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看現(xiàn)場情況[8]。

3 爆破相關(guān)功能設(shè)計(jì)

3.1 鉆孔的定量裝藥

裝藥車裝配3G通訊與GPS導(dǎo)航模塊，通過工控機(jī)接收鉆機(jī)裝藥設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并導(dǎo)航至鉆孔位置，發(fā)送指令給PLC控制器控制炸藥的裝藥量，大大降低了裝藥成本。

3.2 爆破預(yù)警

爆破組工作人員通過平板電腦爆破預(yù)警軟件接收爆破警戒線和人員設(shè)備的位置信息，在確認(rèn)所有人員和設(shè)備在設(shè)定警戒線范圍外時(shí)，將相關(guān)信息傳輸?shù)浆F(xiàn)場監(jiān)控終端，向管理人員申請(qǐng)起爆權(quán)限。顯示界面如圖11所示，實(shí)心十字圖形表示鉆機(jī)與裝藥車當(dāng)前位置，六角形為1號(hào)鉆機(jī)工作人員，六邊形為1號(hào)爆破組工作人員。

圖11 爆破警戒范圍顯示

3.3 穿孔爆破設(shè)計(jì)與監(jiān)控平臺(tái)

平臺(tái)軟件基于AutoCAD二次開發(fā)，采用AutoCAD.NET在Visual Studio應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)下使用C#語言開發(fā)，并以SQL為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫支持。將鉆機(jī)傳感器數(shù)據(jù)、視頻音頻資料、人員與設(shè)備管理數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、穿孔爆破設(shè)計(jì)圖紙等存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫內(nèi)，對(duì)工作人員依據(jù)權(quán)限開放數(shù)據(jù)資料內(nèi)容，從而加強(qiáng)了數(shù)據(jù)資料的保密措施。工作人員也可通過互聯(lián)網(wǎng)和web服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容，從而得知當(dāng)前的爆破作業(yè)情況、相關(guān)人員資料和相關(guān)歷史數(shù)據(jù)等。

3.4 作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過3G無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)可將爆破作業(yè)現(xiàn)場的視頻音頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，控制傳輸畫面質(zhì)量，可有效減低畫面延遲與卡頓。監(jiān)控終端實(shí)時(shí)顯示鉆機(jī)操作人員、設(shè)備運(yùn)行情況與現(xiàn)場情況，通過遠(yuǎn)程操控獲得所需畫面，對(duì)違反相關(guān)規(guī)定的行為提供證據(jù)，對(duì)現(xiàn)場突發(fā)情況做出判斷與決策。

鉆機(jī)、車輛和工作人員的GPS定位信息實(shí)時(shí)顯示在屏幕界面上，以礦區(qū)地圖為背景,當(dāng)鉆機(jī)車輛發(fā)生故障或事故、人員發(fā)生事故時(shí)，便于快速定位與搜尋。數(shù)據(jù)更新時(shí)間設(shè)定為默認(rèn)1 s，并可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。當(dāng)界面縮小至整個(gè)礦區(qū)圖時(shí)，人員、設(shè)備和車輛概要顯示，六角形為鉆機(jī)1、2組，六邊形為爆破1組，三角形為經(jīng)理車輛。如圖12所示。

圖12 工作設(shè)備與人員顯示

當(dāng)界面在選定位置放大時(shí)，選定單個(gè)或多個(gè)圖像，可得知對(duì)象的詳細(xì)信息。如圖13所示，白色圓點(diǎn)表示鉆孔已裝藥完成，空心圓表示鉆孔完成，實(shí)心十字圖形與矩形表示鉆機(jī)與裝藥車當(dāng)前位置，六角形為1號(hào)鉆機(jī)工作人員，六邊形為1號(hào)爆破組工作人員。

圖13 工作設(shè)備與人員的實(shí)時(shí)監(jiān)控

4 穿孔爆破設(shè)計(jì)終端與數(shù)據(jù)庫

計(jì)算機(jī)終端穿孔爆破設(shè)計(jì)軟件通過測量人員所測得作業(yè)現(xiàn)場的地形坐標(biāo)數(shù)據(jù)形成地形平面圖，并在平面圖上進(jìn)行布孔設(shè)計(jì)，使用終端軟件完成裝藥設(shè)計(jì)、起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，由鉆機(jī)完成穿孔和裝藥計(jì)算后，數(shù)據(jù)傳至爆破組工作人員最終確認(rèn)或修改起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[9]。將整個(gè)智能爆破系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地記錄、傳輸并保存到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，這些歷史數(shù)據(jù)作為研究資料為以后的爆破技術(shù)發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[10]。

5 結(jié) 語

研究露天礦智能爆破的總體架構(gòu)、核心內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)等主要問題，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在現(xiàn)代通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和軟硬件技術(shù)的支持下，以露天礦用鉆機(jī)為主要技術(shù)平臺(tái)，使得露天礦爆破實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、精細(xì)化和智能化。促進(jìn)了露天礦爆破的安全、高效發(fā)展，在露天礦的應(yīng)用中收到了良好的效果。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Design of Intelligent Blasting System in Open Pit Mine Based on Internet of Things

Han Xinping1,2Wu Chong2Wang Mingjun2

(1.ResearchInstituteofOpenPitMine，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China；2.MiningInstitute，LiaoningTechnicalUniversity，F(xiàn)uxin123000，China)

With the trend of the development of Internet of things in mine，intelligent mining，mining automation and unmanned mine as background，in order to achieve intelligent direction and solve the problems in management，security and information processing of open-pit blasting，modern communication technology，automation technology and software and hardware technology are used to focus on the overall architecture，core content and key technology of open-pit mine intelligent blasting.Functions such as the open pit mine drill automatic drilling and walking process，drilling precise positioning and navigation，perforation data record，wearing parts and consumable parts information records and others are investigated and designed.Research and design on communication network and database for the open-pit blasting，and blasting monitoring and blasting design software of the open pit mine are made.The system has good performance in practical application.

Internet of things technology，Intelligent mining，Blasting system，Open pit mine

2015-01-04

韓新平(1956—)，男,教授，碩士研究生導(dǎo)師。

TD235.1

A

1001-1250(2015)-04-250-05