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（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司）

選擇公路汽車(chē)運(yùn)輸方式的露天礦山，其運(yùn)輸車(chē)輛數(shù)量和運(yùn)行成本分別占礦山設(shè)備總數(shù)和生產(chǎn)總成本的50%左右，且運(yùn)輸與鏟裝作業(yè)是緊密聯(lián)系的上下環(huán)兩大工序，屬半連續(xù)生產(chǎn)模式，因此，提高鏟運(yùn)設(shè)備間的工作配合度是降低生產(chǎn)成本和提高臺(tái)效的關(guān)鍵［1］。生產(chǎn)組織過(guò)程中，確保車(chē)鏟比均衡和生產(chǎn)調(diào)度有序是繁雜的線(xiàn)性方程組求解過(guò)程。借助GPS 卡車(chē)智能調(diào)度系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)計(jì)算［2-3］。本研究在充分實(shí)踐的基礎(chǔ)上，以銅街-曼家寨露天礦山為實(shí)際案例，詳細(xì)介紹不同工況條件下的車(chē)輛高效智能調(diào)度方法。

1 礦山生產(chǎn)組織概況

銅街-曼家寨礦山為山坡露天礦，1 080 m以上臺(tái)階高度為15.0 m，1 080 m 以下臺(tái)階高度為10 m，采用組合臺(tái)階陡幫開(kāi)采，5～6個(gè)臺(tái)階組合為1個(gè)工作組，組內(nèi)自上而下分臺(tái)階輪流開(kāi)采，作業(yè)平臺(tái)工作線(xiàn)垂直于礦體走向布置并沿礦體走向循環(huán)推進(jìn)，采掘帶長(zhǎng)度約為1 000 m，寬度30 m，單循環(huán)推進(jìn)寬度80～100 m，上下2 個(gè)臺(tái)階間布置2～3 臺(tái)鏟裝設(shè)備。間隔100 m 以上同時(shí)采剝作業(yè)，剝離產(chǎn)生的廢土遵循高土高排、低土低排原則，運(yùn)至東部排土場(chǎng)或東幫廢石破碎站；礦巖平均運(yùn)距3.0 km，排土場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)段高同時(shí)排土，礦區(qū)東幫設(shè)置1 290 m 平臺(tái)～1 180 m 排土場(chǎng)、1 170 m 平臺(tái)～1 060 m排土場(chǎng)（1 065 m廢石破碎站）和1 080 m平臺(tái)～970 m排土場(chǎng)3條主運(yùn)輸公路拉運(yùn)廢土；采場(chǎng)內(nèi)任一作業(yè)平臺(tái)均設(shè)置有支線(xiàn)聯(lián)絡(luò)道至主運(yùn)輸公路，且3條主道路間通過(guò)折返式的運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)道互通，但車(chē)輛在不同裝卸載點(diǎn)之間通行時(shí)，道路重合率僅10%左右。

礦山按組合臺(tái)階的分段要求分布為1 260～1 340 m、1 125～1 185 m、1 230～1 290 m、1 010～1 080 m 4 個(gè)工作面作業(yè)，每個(gè)組內(nèi)分布2 臺(tái)（或3 臺(tái)）鏟裝設(shè)備裝車(chē)；作業(yè)工作面工作參數(shù)按最大車(chē)型設(shè)置，分別配置15 m3電鏟+100 t級(jí)礦用卡車(chē)和4.5 m3挖機(jī)+60 t級(jí)礦用卡車(chē)組合生產(chǎn)，平均裝載時(shí)間3 min，車(chē)輛循環(huán)1 次20 min；平均車(chē)鏟比為6，電鏟故障時(shí)，也會(huì)將100 t 級(jí)礦用卡車(chē)分派至4.5 m3挖機(jī)處裝車(chē)，特調(diào)整挖掘機(jī)工作機(jī)臺(tái)高度不低于2.8 m，使得特殊情況下，小鏟配大車(chē)時(shí)滿(mǎn)載率達(dá)0.95以上。

2 智能調(diào)度方法確立

智能調(diào)度流程如圖1所示。

2.1 調(diào)度準(zhǔn)則及模型建立

礦山生產(chǎn)物流的完整循環(huán)為“卸載—空車(chē)返回—裝載—重載運(yùn)輸”；而智能調(diào)度系統(tǒng)的指令分配發(fā)生于空車(chē)返回階段［4］，系統(tǒng)依據(jù)運(yùn)距-速度的函數(shù)關(guān)系可逐臺(tái)測(cè)算得出卸載完成后的車(chē)輛到組內(nèi)任意1臺(tái)鏟裝設(shè)備處裝車(chē)的時(shí)間，其計(jì)算式為

式中，Tx為車(chē)流中排序第X目標(biāo)車(chē)輛完成裝載的時(shí)間，h；S為系統(tǒng)選定的最優(yōu)路徑的計(jì)算點(diǎn)至裝載點(diǎn)的道路長(zhǎng)度，km；V為系統(tǒng)捕獲的運(yùn)輸車(chē)輛平均時(shí)速，km/h；S∕V為目標(biāo)車(chē)輛到達(dá)裝載點(diǎn)的時(shí)間，h；t1為系統(tǒng)捕獲的目標(biāo)裝載設(shè)備對(duì)該目標(biāo)車(chē)輛的平均裝車(chē)時(shí)間，h；tx-1為排序第X-1目標(biāo)車(chē)輛完成裝載的時(shí)間，h。

由于礦山作業(yè)現(xiàn)狀和鏟運(yùn)設(shè)備的管理重點(diǎn)不同，有的礦山對(duì)汽車(chē)的倚重程度更大，希望將汽車(chē)派往預(yù)計(jì)能最早得以裝車(chē)的那臺(tái)電鏟；而有的礦山認(rèn)為電鏟價(jià)值更高，等待裝車(chē)時(shí)間浪費(fèi)更大，希望將汽車(chē)派往具有最小飽和度的電鏟，因此便有“最早裝車(chē)法、最大汽車(chē)法、最大電鏟法、最小飽和度法”等不同的調(diào)度準(zhǔn)則，選用何種調(diào)度準(zhǔn)則完全取決于礦山對(duì)其裝運(yùn)設(shè)備的優(yōu)先權(quán)設(shè)置［5］。

2.2 智能調(diào)度方法選擇

由于卡車(chē)調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度對(duì)象是鏟裝及運(yùn)輸設(shè)備，而調(diào)度對(duì)象的運(yùn)行軌跡和作業(yè)模式與露天采礦方法及排土場(chǎng)堆排方式密切相關(guān)［6-7］，按照調(diào)度對(duì)象的分組模式及計(jì)算方法劃分為下列調(diào)度方法。

（1）全境界組合智能調(diào)度。把境界內(nèi)所有工程設(shè)備歸入到1個(gè)組內(nèi)，規(guī)劃車(chē)流量和比對(duì)完成裝載時(shí)間的最小值，并入網(wǎng)內(nèi)的全部車(chē)輛和挖機(jī)均能形成匹配關(guān)系。其特點(diǎn)是限制條件少，求得最優(yōu)解的可能性最大，但其計(jì)算量較大且結(jié)果變化頻率高，單臺(tái)設(shè)備的狀態(tài)和速度的改變均會(huì)導(dǎo)致全系統(tǒng)內(nèi)車(chē)輛的調(diào)度指令發(fā)生變化，對(duì)駕駛?cè)藛T的配合度要求較高，適合于采用全境界開(kāi)采法和工作幫臺(tái)階依次輪流開(kāi)采法的露天礦山。

（2）分組智能調(diào)度。分組智能調(diào)度是按裝卸點(diǎn)間運(yùn)輸路徑共通性最大和目標(biāo)裝載設(shè)備相對(duì)集中2個(gè)原則人工預(yù)先分組，將相鄰臺(tái)階的鏟裝設(shè)備合并為智能調(diào)度組，組內(nèi)鏟裝設(shè)備同平臺(tái)作業(yè)最佳且最遠(yuǎn)不超過(guò)3個(gè)臺(tái)階，組內(nèi)鏟裝設(shè)備間應(yīng)設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道貫通，方便車(chē)輛在2個(gè)目標(biāo)點(diǎn)間短距離調(diào)動(dòng)。此方法只有組內(nèi)的鏟運(yùn)設(shè)備遵行匹配關(guān)系，大幅減少計(jì)算工作量，且指令變化頻率低，適用鏟裝設(shè)備相對(duì)分散的組合臺(tái)階輪流開(kāi)采法和分區(qū)開(kāi)采法的露天礦山。

（3）循環(huán)智能調(diào)度。循環(huán)智能調(diào)度的計(jì)算原則和目的是減少設(shè)備空載運(yùn)行率，其原理是將對(duì)向布置的2 臺(tái)挖機(jī)及運(yùn)輸車(chē)輛劃分為1 個(gè)小組，車(chē)輛則在2 臺(tái)挖機(jī)處交替裝車(chē)，運(yùn)行中不做任何裝載時(shí)間測(cè)算和優(yōu)化，循環(huán)至調(diào)度模式結(jié)束。此方法通常需要滿(mǎn)足不同物料的卸載點(diǎn)對(duì)向方位設(shè)置，并能夠在其卸載點(diǎn)臨近處布置鏟裝設(shè)備，滿(mǎn)足上述條件的南北循環(huán)或上下循環(huán)調(diào)度原理共通。

2.3 智能調(diào)度模式下的車(chē)流優(yōu)化分配方法

由于運(yùn)行過(guò)程中車(chē)輛并非勻速運(yùn)行，且前1臺(tái)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)及速度變化均影響目標(biāo)車(chē)輛調(diào)度結(jié)果，過(guò)程中優(yōu)化頻次的確定必不可少，車(chē)輛空載返回途中，終端數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)收集并上傳設(shè)備運(yùn)行速度等數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化測(cè)算頻次，可劃分為全路段實(shí)時(shí)優(yōu)化測(cè)算和間斷性?xún)?yōu)化測(cè)算2種方式［8-9］。

（1）全路段實(shí)時(shí)優(yōu)化測(cè)算法，即空載返回至目標(biāo)裝載點(diǎn)的全程內(nèi)進(jìn)行跟隨系統(tǒng)獲取信息的頻次測(cè)算，車(chē)輛信息每變化一次系統(tǒng)便測(cè)算一次結(jié)果，直至車(chē)輛到達(dá)目標(biāo)裝載點(diǎn)為止；具有優(yōu)化計(jì)算頻次多、準(zhǔn)確度高，但指令更改頻繁且容易存在車(chē)輛調(diào)頭的特點(diǎn)。

（2）間斷優(yōu)化測(cè)算法，即將空載返回運(yùn)輸?shù)缆穭澐譃镹個(gè)段別，單段別長(zhǎng)度取公用道路總長(zhǎng)度的1/5左右，系統(tǒng)僅在運(yùn)輸車(chē)輛經(jīng)過(guò)分界點(diǎn)時(shí)，獲取運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行測(cè)算，該分界點(diǎn)稱(chēng)成為“二次計(jì)算點(diǎn)”，最后一個(gè)“二次計(jì)算點(diǎn)”應(yīng)布設(shè)在組內(nèi)裝載點(diǎn)道路的分叉點(diǎn)前方的位置，方便操作員在最后岔路口前接收調(diào)度指令且避免車(chē)輛調(diào)頭現(xiàn)象；此方法具有計(jì)算量小、指令單一、使用容易的優(yōu)點(diǎn)，且不會(huì)出現(xiàn)車(chē)輛調(diào)頭現(xiàn)象。

3 礦山工程應(yīng)用

銅街-曼家寨露天礦山采用組合臺(tái)階輪流陡幫開(kāi)采的采礦方法，生產(chǎn)組織中傾向于為鏟裝設(shè)備留足富裕時(shí)間，以便挖機(jī)可利用裝車(chē)的空隙時(shí)間平整作業(yè)面及甩運(yùn)90°以外的物料而達(dá)成小角度裝車(chē)。該卡車(chē)智能調(diào)度系統(tǒng)選擇最早裝車(chē)法原則，建立智能調(diào)度模型，過(guò)程中依據(jù)作業(yè)場(chǎng)景，搭配分組智能調(diào)度和循環(huán)智能調(diào)度，空車(chē)返回途中采用“二次計(jì)算點(diǎn)”間斷優(yōu)化測(cè)算進(jìn)行車(chē)流優(yōu)化分配調(diào)度，礦山同時(shí)布置有3～4個(gè)智能調(diào)度組，各組分別工作、互不干擾。

3.1 同型號(hào)設(shè)備分組智能調(diào)度工程應(yīng)用

采場(chǎng)西幫1 330 m 平臺(tái)和1 340 m 平臺(tái)分別布置1 臺(tái)4.5 m3挖機(jī)剝離，2 臺(tái)鏟裝設(shè)備高差為10 m，水平距離相距200 m 左右；廢土拉運(yùn)至1 220 m 排土場(chǎng)卸載，運(yùn)距3.8 km；運(yùn)輸?shù)缆饭灿寐蔬_(dá)90%左右，單次循環(huán)時(shí)間30 min。測(cè)算得車(chē)鏟比為7，其生產(chǎn)組織方式為1臺(tái)4.5 m3挖機(jī)+7臺(tái)60 t級(jí)礦用卡車(chē)，固定派車(chē)。

本次采用分組智能調(diào)度模式運(yùn)行，2 臺(tái)同型號(hào)的裝載設(shè)備+13 臺(tái)礦用卡車(chē)合并為智能調(diào)度A 組，在共用的運(yùn)輸?shù)缆飞祥g隔700 m設(shè)置1個(gè)“二次計(jì)算點(diǎn)”進(jìn)行車(chē)流優(yōu)化分配，2臺(tái)挖機(jī)的日均剝離量達(dá)1.0萬(wàn)m3，和原14 臺(tái)運(yùn)輸車(chē)輛拉運(yùn)量持平，其挖機(jī)臺(tái)時(shí)效率達(dá)230 m3/h，60 t 級(jí)運(yùn)輸車(chē)輛臺(tái)時(shí)效率達(dá)152 m3·km/h，此模式挖機(jī)和運(yùn)輸車(chē)輛臺(tái)效同比例提升。

3.2 非同型號(hào)設(shè)備分組智能調(diào)度工程應(yīng)用

采場(chǎng)1 185 m 平臺(tái)安排1 臺(tái)15 m3電鏟和1 臺(tái)4.5 m3挖機(jī)剝離，2臺(tái)鏟裝設(shè)備間距約200 m，廢土均拉運(yùn)至1 065 m 旋回破碎站，運(yùn)距3.0 km，單次循環(huán)時(shí)間20 min，其車(chē)鏟比為6，生產(chǎn)組織方式為15 m3電鏟+6 臺(tái)100 t 級(jí)礦用卡車(chē)和4.5 m3挖機(jī)+6 臺(tái)60 t 級(jí)礦用卡車(chē)，固定派車(chē)。

本次分組智能調(diào)度模式將2 臺(tái)鏟裝設(shè)備+5 臺(tái)100 t級(jí)+5臺(tái)60 t級(jí)礦用卡車(chē)合并為智能調(diào)度B組，并將電鏟的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為“最高”，挖機(jī)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為“中”，同等優(yōu)化結(jié)果下大型的電鏟優(yōu)先裝車(chē)，同比固定派車(chē)減少1臺(tái)100 t級(jí)礦用卡車(chē)和1臺(tái)60 t級(jí)礦用卡車(chē)，但工作量持平。電鏟的臺(tái)時(shí)效率提高至584 m3/h，60 t級(jí)礦用卡車(chē)臺(tái)效達(dá)160 m3·km/h，其它工程設(shè)備臺(tái)效略微提升，此模式下電鏟和車(chē)輛臺(tái)效均有所提升，但電鏟臺(tái)效提升幅度大于組內(nèi)其它工程設(shè)備。

3.3 循環(huán)智能調(diào)度工程應(yīng)用

露天礦山西幫1 100 m標(biāo)高設(shè)有選礦車(chē)間破碎站及原礦堆場(chǎng)，而礦山東幫1 065 m 標(biāo)高設(shè)置有廢石破碎站，采場(chǎng)東幫1 080 m 平臺(tái)安排4.5 m3的1#挖機(jī)，鏟裝礦石拉運(yùn)至原礦堆場(chǎng)，運(yùn)距2.0 km，固定配車(chē)5 臺(tái)60 t 級(jí)卡車(chē)；在西幫1 070.0 m 平臺(tái)安排4.5 m3的2#挖機(jī)，鏟裝廢土拉運(yùn)至1 065 m 廢石破碎站，運(yùn)距2.5 km，固定配車(chē)5臺(tái)60 t級(jí)卡車(chē)。

由于作業(yè)環(huán)境符合物料卸載點(diǎn)對(duì)角布置的前提條件，2 臺(tái)挖機(jī)合并為循環(huán)智能調(diào)度組，設(shè)定原礦堆場(chǎng)至2#挖機(jī)，和1 065 m 廢石破碎站至1#挖機(jī)處繞行道路分別為S1 和S2，實(shí)測(cè)長(zhǎng)度約500 m，其車(chē)輛運(yùn)行模式改變?yōu)?#裝載點(diǎn)→原礦堆場(chǎng)→途徑S1→2#裝載點(diǎn)→1 065 m 廢石破碎站→途徑S2→1#裝載點(diǎn)，組內(nèi)每1 臺(tái)礦用卡車(chē)均循環(huán)往復(fù)作業(yè)，其運(yùn)距增加22%，但礦用卡車(chē)空載率減少80%，60 t 級(jí)礦用卡車(chē)臺(tái)時(shí)效率提高至209 m3·km/h，安排7臺(tái)60 t級(jí)礦用卡車(chē)即可完成原工作任務(wù)，此模式下運(yùn)輸車(chē)輛臺(tái)效提升幅度大于挖掘設(shè)備。

銅街-曼家寨露天礦山自2019年以來(lái)，始終結(jié)合礦山工作環(huán)境選用上述3種智能調(diào)度方法組織生產(chǎn)，并持續(xù)優(yōu)化工藝參數(shù)，操作方法配合調(diào)度系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，使得礦山工程設(shè)備臺(tái)時(shí)效率得到較大提高（表1、表2）。

在智能調(diào)度模式下，設(shè)備不僅臺(tái)時(shí)效率提升，其運(yùn)輸車(chē)輛等待裝車(chē)的時(shí)間亦得到大幅降低，其中分組智能調(diào)度模式下的設(shè)備待裝車(chē)時(shí)間降低幅度達(dá)60%，待裝車(chē)時(shí)間占工作時(shí)長(zhǎng)的比例最低降至1%。不同智能調(diào)度模式下的待裝車(chē)時(shí)間占工作時(shí)長(zhǎng)比例對(duì)比如圖2所示。

4 結(jié)論

（1）鏟裝和運(yùn)輸兩大工序的生產(chǎn)效率均得到同步提高，鏟裝設(shè)備平均臺(tái)效提高6.7%，運(yùn)輸設(shè)備平均臺(tái)效提高7.8%，且最早裝車(chē)法為調(diào)度準(zhǔn)則建立的智能調(diào)度模型，運(yùn)輸車(chē)輛臺(tái)時(shí)效率提高比鏟裝設(shè)備大。

（2）露天礦山卡車(chē)智能調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合礦山管理現(xiàn)狀及開(kāi)采方法，建立調(diào)度模型和選擇調(diào)度方法，作業(yè)面分散的露天礦山宜選取分組智能調(diào)度，作業(yè)面較為集中的礦山應(yīng)選用全境界組合智能調(diào)度方法。

（3）對(duì)于初期使用智能調(diào)度系統(tǒng)組織礦山生產(chǎn)的企業(yè)而言，優(yōu)先選擇間斷優(yōu)化測(cè)算法進(jìn)行車(chē)流優(yōu)化分配，以確保駕駛?cè)藛T能快速適應(yīng)智能調(diào)度方法。