基于露天煤矿高精三维地图的智能调度技术

王 星，武 讲，张 阳，谈娌娜

（1.中煤能源研究院有限责任公司，陕西 西安 710054；2.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054）

目前卡车调度系统包括生产控制、二维显示、地图编辑、实时报警、实时故障、操作日志、登陆权限、产量计算、档案管理、常用录入、报表图表等模块，虽然可以保证正常卡车的调度功能，但人工参与的工作较多，缺少智能化技术、人工智能的协同。

露天矿使用的卡车调度系统遵循的是一个电铲配若干矿卡的模式，这种台套模式，增加了矿卡的排队等待时间，降低工作效率，闲置矿卡数量上升，造成严重的资源浪费[1]。传统的调度路网更新方式一般采用车辆轨迹的方式，当有路面情况发生变化时，需要指派携带传感器的车辆重新在更新路面行驶，形成新的轨迹，用于网路的更新，并且路面的属性不能及时的感知更新，需要人工参与更新内容。调度系统对于车辆的状态的监控也是单一轨迹跟踪，缺少多维度的车辆监控，并且不能同时监测多辆矿卡的状态，不能监控路口汇车时的实时情况，不能及时发现超车、超速等违规情况。

综上所述，针对上述传统卡车调度的问题，想要从根本上实现调度系统的智能化协同，需要搭建全矿区的高精三维地图系统，可实时掌握露天煤矿矿坑内的实际生产情况，具体包括主路的路面情况、采区情况、卡车行驶情况、铲车工作情况以及排土场情况。当高精三维地图可实时反馈上述情况后，露天煤矿的生产调度系统才具备智能化协同的基础[2]。

1 智能调度系统原理

传统的露天煤矿生产工艺，包含了从生产计划到排土、破碎等一系列的生产过程。基于高精三维地图的露天煤矿智能调度系统分别从生产计划、钻爆作业、采剥作业、运输作业和排土作业5 个工艺系统进行调度指挥。露天煤矿智能调度系统原理如图1。

图1 露天煤矿智能调度系统原理

基于高精三维地图的露天煤矿智能调度系统由2 个部分组成：①高精三维地图系统:为智能调度系统提供实时数据，是一个可实时获取整个露天矿地质和地面一体的高精三维地图，相当于矿山资源及生产过程时空信息为基础的数字孪生体系，并且可以和地图进行各种数据的交互，来实现智能化煤矿资源数字化的目标；②智能调度系统：通过高精三维地图系统，从资源开采计划到生产任务执行，对露天矿开采过程进行智能调度与管控，实现采场协同化、安全生产可视化，提高露天矿开采智能管控与调度水平。

智能调度系统就可以根据三维地图提供的数字化资源，以计划为驱动，分别调度钻机、铲车、运输车辆和排土车辆，同时还可实时反馈现场的生产调度情况，同时为了快速的实现调度指令，还需要设立边缘端，在钻机、电铲、矿卡、排土机上分别安装移动终端及相应的APP，对于一些实时性要求高的数据，在边缘端进行及时计算，保证调度的瞬时性。这样以计划驱动的智能调度，打破了传统的台套概念，真正的实现了生产组织智能化。在此过程中，还需要对各类设备进行智能化配套改造以实现智能调度，具体包括钻机、电铲、矿卡和排土车。

1）钻爆作业基于三维高精地图进行生产计划，智能调度系统将计划转换为指令，发送到钻机的移动终端，钻机通过远程遥控完成钻孔作业，并将钻孔信息返回给地图，进行钻孔比对和调整。

2）电铲接收到调度指令后，会到规定位置进行作业，同时电铲会加装激光雷达和其他传感器，用来获取电铲周围实时的环境信息，并返回给地图进行局部地图更新。

3）矿卡收到指令后，会根据规划的路线进行行驶，到达电铲附近后，智能调度系统会依据电铲周围的环境信息给车辆1 个最佳的停靠位置，让车铲进行协同作业。

4）当矿卡行驶到排土场时，排土机通过加装传感器，获取周围的环境信息，再配合远程操作系统为矿卡提供最佳排土位置信息。

2 高精三维地图关键技术

高精三维地图在可视化智慧露天矿生产过程中，可实现整个矿山作业区域的三维地形以及实时变化的维护过程，并能够为其他相关系统提供需要的地图关键信息。高精三维地图可实时反馈采场及排土场变化信息，拥有精确的人员、车辆位置信息和丰富的道路参数等基础矢量数据，在为矿山短期和中长期生产采掘计划编制的同时，可同时为矿山生产调度、无人驾驶、三维地质建模、爆破设计、矿山工程验收等提供基础支撑[2-3]。

1）综合利用车载视频摄像头、激光雷达（LiDAR）设备及全球导航卫星系统（GNSS），实时获取矿区的影像和点云数据，构建露天煤矿高精度三维地图，再配合动态摄像头、LiDAR 以及多GNSS 联合定标，实现对矿区局部变化区域（如采剥工作面、排土场等）的实时高精度重建。

2）露天矿高精度三维地质模型融合构建与高性能可视化技术，实现矿区地上下全空间一体化、采矿过程的增强现实表达与预演仿真。

3）提取露天矿场路网信息，并集成车辆、人员等动目标的位置移动信息和边坡变化监测信息。

4）建立信息化、智能化的露天矿高精度三维地图系统，为露天矿开采的监控、调度、安全生产提供决策支持。

3 露天煤矿智能调度关键技术

3.1 三维可视化动态排产及执行技术

为提高资源的利用率和计划的可执行性，在一定程度上科学延长矿山服务时间，从长远角度实现计划内合理配煤及剥采比，结合煤层数字化模型和矿区高精三维地图进行精准排产计划研究。精准排产以矿山精细化模型为基础、以矿山生产目标为导向，综合考虑矿山资源储量分布情况与资源价值分布，通过构建混合整数规划数学模型和目标规划数学模型，设置煤质、产量、剥采比目标以及排产出矿量约束、排产各台阶出矿量约束、上下台阶时空关系约束、台阶平面内的时空关系约束等一系列约束条件，求解得到结果后，可以在三维环境下交互式调整计划范围，同时能够自动统计圈定的量和煤质信息，最终，通过动画模拟计划开采过程[4]。

3.2 高精路网及生产场景动态构建技术

通过露天矿动态三维场景中道路参数的实时更新技术，实现基于三维模型的语义分割，自动识别并分离出道路、爆堆、排土场、破碎站及作业面边界，实现道路矢量及相关坡度、平整度、宽度等道路指标以及各生产场景空间边界的实时更新，并标注到路网数据参与路网及生产场景动态构建。同时结合高精三维地图技术，实时提取作业面、排土场及破碎站等作业区域的生产场景要素属性与信息，动态更新包括爆堆几何边界、铲装作业面实时生产边界、排土场及破碎站作业边界及相关作业位置的属性信息，根据路网数据，维护各生产场景与路网的关联信息，实现高精度路网与生产场景的动态更新与维护，并发布到调度系统中参与调度运行与路径规划，用于指导有人及无人装备的智能化生产作业。

3.3 车铲协同作业技术

基于地图高精模型和高精路网模型构建与更新技术，使用铲装生产装备实时采集作业面及平台信息，解算有效铲装作业范围，动态生成装载区域作业边界，自动更新路网及生产场景信息。通过对车-铲装备安装精准位姿定位装置，使用电铲高精度定位及朝向确认，自动辅助下发卡车入换位姿。辅助无人卡车在装矿区域自主规划最佳入换与驶出路线，引导卡车完成精准装矿作业流程。

在排土场作业区域，使用推土机采集并动态生成排土场作业边界，通过自动或人工辅助方式标定卡车卸矿位姿。辅助无人卡车在排土场卸矿区域自主规划最佳入换与驶出路线，引导无人卡车完成卸矿作业流程。

3.4 智能调度技术

对接矿山生产计划及配煤指标，基于矿山高精三维地图路网及生产场景动态更新信息，在考虑生产装备与设施生产能力、优先级、道路通行规则等约束条件下，利用运筹学、机器学习等优化算法，动态解算最优或次优车铲分配与调度策略，打破“台套”调度模式，实现卡车根据生产计划及实时变化的采场情况灵活、自动派车，以满足矿山动态变化的实际生产需求，实现系统运行效率最优及调度控制最佳目标[5-6]。

核心算法输入静态数据和动态信息，输出实时调度指令。系统输入条件包括静态数据（如生产计划、排班计划、地质状况、司机水平）、动态信息（如路网路况、场景状况、装备工况、燃油变化、边坡异常等）；利用历史数据和实时数据（实时记录车辆行驶的速度和路况），通过特征查找，应用深度学习做最优路径规划和生产时间预估。考虑等待时间最短和卡车司机就近、运力最大等原则，求解最优车铲匹配、最优路线流量，并高效生成动态调度指令；结果输出核心功能包括生产运输全局监测与动态调度指令、实时动态产量监测、采装日计划执行监测、装备工况故障监测管理等[7-8]。

基于高精三维地图的露天煤矿智能调度系统，通过构建以矿山资源及生产过程时空信息为基础的数字孪生体系，从资源开采计划到生产任务执行，对露天矿开采过程进行智能调度与管控，实现采场协同化、安全生产可视化，提高露天矿开采智能管控与调度水平，从而提高矿山生产效益。

4 高精三维地图系统与智能调度系统的协同作业

高精三维地图系统针对当前露天矿区航测三维地图无法满足局部区域动态更新、难以有效服务露天矿智能化的问题，联合车载摄像头、LiDAR 设备及多GNSS 提取工作面高精度三维模型并实时更新。充分利用地质规则、地上场景等语义约束等，智能构建露天矿地上/下全空间三维地图。综合高精度三维模型、平路机GNSS 轨迹等信息提取矿区路网信息，集成车辆设备、人员、道路、边坡形变等典型要素的位置、参数变化和位置信息。

露天煤矿智能调度系统结合高精三维地图系统，实现对作业设备及其生产场景的高精度模型动态更新，向运输装备终端下发调度任务指令，实时生成适用于动态铲装场景的受矿位姿及动态卸矿场景的卸矿位姿，引导智能装备自主规划最佳入换及驶出路线，完成精准装矿及卸矿作业流程，闭合车-铲协同作业循环自动化流程。同时，结合动态更新的爆堆或作业面场景模型，对铲装设备进行精准作业标高控制以及高精度铲装作业轨迹可视化跟踪与引导，实现更加高效的无人化车-铲协同作业与更加精准的铲装生产。

5 结语

基于高精三维地图的露天煤矿智能调度系统不仅构建了全矿区的实时高精三维地图，而且露天煤矿针对钻机、电铲、钻机和排土机智能调度与协同生产。通过对高精三维地图关键技术与露天煤矿智能调度关键技术的研究，结合电铲和排土车的智能化改造，可实现露天矿采掘、排土作业无人化，为露天矿主要生产环节的无人化夯实了技术基础。