（计算机应用技术专业论文）露天矿山车辆调度系统设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 结合露天矿山运输车辆调度的复杂性和管理监督的有效性等问题，指出了在目前技 术条件下解决露天矿山运输车辆管理调度的可行性方案。系统设计工作是在应用计算机 技术、无线数据通讯技术、全球卫星定位( g p s ) 技术及信息管理( m i s ) 技术、网络互联 等技术的基础上，充分利用现代优化理论，通过深入研究国内露天矿山的生产实际而开 发成功的一套专为露天矿山提供自动优化车辆运输与指派的生产管理系统。该系统是实 现数字矿山的关键环节之一，其主要技术指标接近国际上同类技术的先进水平。系统使 用数字化采矿的集成平台和液晶显示触摸式车辆智能终端。与国外同类技术相比较，在 终端适用性、优化算法、网络结构、价格成本上优于国外同类产品。 g p s 定位的矿山车辆调度系统主要由三个子系统：车载终端系统、无线通信系统、 调度监控系统组成。使用者可以在调度中心的电子地图上监测移动目标的运行状态、安 全状态、技术状态等信息。对车辆的运输作业进行自动化统计、分析、调度，极大地提 高了露天矿的生产效率及安全性。 系统具有定位精度高、定位连续的特点，因此能准确地统计车辆运行里程，计算空 车重车吨公里，平衡设备工作量，并可以监视车辆是否按照调度路线运行，大幅度提高 车辆管理质量。同时方便定位设备的维护，由于现场不需要设立信标，因此能适应露天 矿采场道路和装矿、卸矿点频繁变动的情况，大大提高了系统的实用性。 关键词：g p s ；露天矿；车辆调度系统；车辆通信系统；车载终端系统 大连理工丈学硕士学位论文 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fv e h i c l ed i s p a t c h i n gs y s t e mi ns t r i pm i n e a b s t r a c t t h i sp a p e rd e t a i l e dd i s c u s s e sp r o c e s so fd e s i g na n de s s e n t i a le l e m e n t sf o rw h i c h d e s i g n a t e st h ed i r e c t i o nf o ru s i n gt h en e wt e c h n i q u eo fg p si n t ov e h i c l ed i s p a t c hs y s t e m , a n d s o l v e sa c t u a lq u e s t i o n sa b o u tw a t c ho fc a r p o s i t i o nw h i c hh a v e n tb e e nr a v e l e do u tf o r m a n a g e m e n to fi ns u r f a c em i n e + t 嫩sp a p e rg i v eas o l u t i o nb a s e do nc o m p u t e ra p p l i c a t i o n , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , g p s 矗l 瑟a n dl i n e a rp r o g r a m m i n g 曩持s y s t e mi so u eo ft h ek e y f a c t o r sf o rd i g i t a lm i n i n g t h es y s t e mi sd i v i d e di n t o t h r e ep a r t s w h i c hi sv e h i c l ed i s p a t c h i n gs y s t e m , v e h i c l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dv e h i c l et e r m i n a ls y s t e m u s e r sc a nm o n i t o rt h ei n f o r m a t i o nf r o m t h ee l e c t r o n i cm a p si nd i s p a t c h i n gc e n t e r , f o re x a m p l e , r u n n i n gs t a t e ，s e c u r i t ys t a t e ，t e c h n i c a l s t a t e ，e t c 。a l s oi tc a l lb ea u t o m a t i cs t a t i s t i c s ，a n a l y s i s , a n dd i s p a t c ht ot h et r a n s p o r t a t i o n o p e r a t i o n , w h i c hi r e p r o v e sp r o d u c t i v ee f f i c i e n c ya n ds a f e t y i f s o m e o n ec h o o s e st h ed i s p a t c hs o l u t i o nb a s e d0 ng p s ，t h a tw i l li n c r e a s et h eo r i e n t a t i o n p r e c i s i o na n do r i e n t a t i o nc o n t i n u u n l ，t h es y s t e mc 黼w e l la n dt r u l yc o u n td i s t a n c ef o rc a r ， c a l c u l a t ek i l o m e t e ro fe m p t yc a ra n df u l lc a r , b a l a n c et h ee a r sw o r k l o a d ，a n dw a t c ht h ec a r f o ra b i d i n go r d e r , i n c r e a s et h em a n a g e m e n tq u a l i t yf o rc a r t h es y s t e mw i l lc o n q u e rt h e q u e s t i o nw h i c hc 缸tw a t c hc a l - i na l lp a t h sa n dt h ed e f e c tw h i c hi sc o m p l i c a t e di no r i e n t a t i o n d e v i c es e t t i n gi ne n n l l n o nd i s p a t c hs o l u t i o nt h a ti sa d v a n t a g e o u sf o ro r i e n t a t i o nd e v i c e s m a i n t e n a n c e b e c a u s et h e r en e e d n ts e tb e a c o n i n g s oi tc a nf i ti nw i t ht h es t a t eo fc h a n g i n g p a t hc o n t i n u a l l yi ns t t r f a e em i n e i n c r e a s et h es y s t e m sv a l u e t h es y s t e mc r e a t i v e l yu s c sm a n ya l g o r i t h m sf o rt h ev e h i c l es c h e d u l i n g i n t e g r a t i o n p l a t f o r mf o rt h ed i g i t a lm i n i n g ，t h et e c h n i q u eo ft h ed i f f e r e n t i a lw a v ef b 噱a n dv e h i c l e t e r m i n a ll c ds y s t e m 。i ti sa d v a n t a g et ot h ef o r e i g nd u m pa tt h et e r m i n a la p p l i c a b i l i t y , o p t i m a la l g o r i t h m , a n dn e t w o r ks t r u c t u r e , p r i c e - c o s t 。i th a sb e e nf m i s h e & a n d 珏s e di nm a n y m i i 1 e s k 呵w o r d s ：g p s ；s u r f a c em i n e ；v e h i c l ed i s p a t c h i n gs y s t e m ；v e h i c l ec o m m a n i c a t i o n s y s t e m ；v e h i c l et e r m i n a ls y s t e m - i l l * 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名： 大造理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教癖完全了解“大连理工大学磺壬、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文麓复窜侔孝电予版，允许论文被查鬻和借阕。本人授粳大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入肖关数据库避行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 槠麓名：墨垄塑墨 导师签名塑垒壹 盟年卫月丛日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 项目背景 目前，我国重点矿山2 8 个露天矿大都进入凹陷或深凹开采，采场空间逐渐缩小， 使本来就具有短而窄特点的我国矿山露天矿采场作业空间更加狭窄，线路展线非常困 难，造成了线路曲线半径小、回头线路多。另外进入凹陷开采后，造成了严重的重车上 坡情况，使得牵引力减少。冶金矿山每年排除废石3 亿多吨，排土场越来越远，地势越 来越高。这些因素导致矿山运输成本大幅度提高，使本来就占作业成本很高的运输作业 的成本进一步提升。尤其是汽车状况不好的矿山，运输成本更大。目前，大多数矿山运 输成本占作业成本的百分之四十左右，有的竟高达百分之七十。 可以说，露天矿山采场逐年进入深凹，开采条件日趋恶化是矿山企业最终要面临的 问题，矿山运输也将成为当今深凹露天矿突出的矛盾，也是制约矿山降低成本、提高经 济效益的关键所在，如何充分挖掘卡车的运输能力，提高运输效率：优化卡车的运行路 线，减少轮胎损耗及油耗；合理地调配运输资源，提高设备利用率，是许多矿山迫切需 要解决的问题。针对露天矿山存在的主要问题，只有依靠自动化程度的提高，来提高矿 山设备利用率，完善管理手段，才能大幅度降低成本，增加企业效益。因此针对露天矿 车辆调度系统的研究势在必行。 该项目研究的铁矿是国家在“八五计划”中新兴建的大型铁矿，主要生产铁等元素 的矿粉。露天采矿厂设计占地面积1 0 4 k m 2 。设计年生产能力1 7 0 0 万吨矿石，剥离量 3 4 0 0 万吨。为适应大规模开采的需要，该采矿厂引进了一系列大型钻、爆、铲、装、运 工程机械设备。其中电动轮运输车共3 3 台；斗容1 6 8 m 3 2 9 5 b 电铲8 台；现场混装炸药 车及钻机若干台；推土机及前装机共十余台；大型圆锥破碎机及其它辅助设备若干。该 铁矿作业方式为钻机穿孔，装药车添药，定向爆破，电铲装车，车辆运输，卸矿，粗碎， 捧土等几个过程。露天采矿工艺流程如图1 1 所示。 臣p 臣p 四日匿p 厂- 、一广 睇巴 图1 1 露天采矿工艺流程图 f i g 1 ip i d 镕f l o wd i a g r a mi ns t r i pm i n e 过u 露天矿山车辆调度系统设计与实现 在整个作业过程中，运输是生产瓶颈，因为一方面该铁矿根据矿脉的分布情况和为 了降低开采成本，采用了陡坡和窄台阶开采技术，使得运输道路窄、运输坡度大，另一 方面，铁矿采用1 5 4 吨电动轮卡车运输，燃油消耗和设备维护费用高昂，如何进行合理 的调度，最大限度地提高电动轮的运输效率，用最少的车辆，完成计划的产量就是企业 铁矿目前需要面对的问题。 1 2 国内外露天矿山车辆调度的现状与发展趋势 露天矿早在7 0 年代就开始研究利用计算机解决矿山中的实时控制问题。其中，以美 国模块采矿系统公司开发成功的计算机自动化调度系统( d i s p a l r c h ) ，在矿山生产应用 中取得令人瞩目的效果。后来加拿大温科公司也开发出类似系统。进入9 0 年代， d i s p a t c h 又有了新的发展，从最初仅用于露天矿卡车电铲调度作业系统，现今已发展 成为全方位的采矿生产管理控制系统集成化决策平台，e p l n t e u i m i n e 。除了控制卡车 电铲、辅助设备( 前装机、推土机等) 、钻机、爆破作业外，平台还为维护人员提供了很 多功能来提高设备的利用率。目前该系统已在世界范围的8 8 个矿山使用，据国外用户报 道，d i s p a t c h 可提高采矿生产率6 多扛_ 3 2 ，并显著提高管理水平。 我国在露天矿车辆调度系统的研究与应用方面与世界相比还落后较多。八十年代中 期，一些学者在车流调度优化、实时调度准则、系统模拟方面作了大量研究工作。奠定 了良好的理论基础。同时，国内也在摸索开发实用调度系统，如1 9 9 0 年由南芬露天矿、 马鞍山研究院、东北工学院联合开发的“南芬露天矿生产调度计算机辅助系统”；1 9 9 5 年由煤科西安分院、中国矿大、霍林河矿务局联合开发的“霍林河矿务局计算机卡车调 度系统”；1 9 9 8 年由煤科抚顺分院、伊敏煤电公司联合开发的“伊敏河露天矿卡车调度 系统”。 由于本系统采用了基于o p s 技术并利用无线电台通信的计算机优化的车辆调度设 计方案l 】j ，提高了车辆监控和跟踪的实时性和跟踪精度，进而提高了车辆调度系统的整 体准确度，优化了设备能力，降低了运输成本，提高了综合效益。同时对其他领域中采 用g p s 技术具有重要的参考价值。 1 3 系统研究意义和技术路线 1 3 1 系统研究意义 大连理工大学硕士学位论文 露天矿山的生产过程中，由于矿区面积大、卸点分布广、地形复杂等原因，运输车 辆的调度和管理长久以来一直是一个难于解决的问题。随着采场逐渐进入深凹，开采条 件日趋恶化，运距增加，运输周期增长，使本来就占作业成本很高的运输作业成本进一 步攀升，这都将直接严重影响到矿山的整体生产成本；运输作业是生产过程中最关键的 环节，运输效率决定了生产效率的高低；运输车辆还是主要的生产设备，在管理成本和 维护修理成本中占有最大的份额，因此运输调度和车辆管理是露天矿山生产管理中的重 中之重。 管理差的矿山会长期存在油耗居高不下、车辆完好率较低、运输效率低下、运输成 本较高、司机缺乏考核、生产节奏混乱，生产计划不能按时完成，计划频繁改动，没有 约束力等现象；这些都与运输车辆的管理和控制好坏密切相关。相反，要管理好运输的 问题，则需要投入巨大的人力和物力，同样增加成本，g p s 和计算机优化管理的结合， 为这个难题找到了一个既可以管好、管到、管出效益，又不增加日常管理费用甚至减少 管理费用的最佳方案。 该系统能适应采矿生产过程中情况的变化，在露天矿设备数量一定的情况下，实现 对卡车、电铲等采矿设备的实时优化调度，自动、及时、高效地安排矿山设备的生产作 业，达到优化管理矿山生产过程、提高产量、节省费用、取得较高经济效益之目的。该 系统提高了对大型运输车辆的监控力度，通过优化提高了车辆的运输效率，提高了出矿 品位的稳定性，降低了油耗和维护费用，是露天矿进行自动化改造的重要组成部分，运 行后提高生产效率8 以上。 利用g p s 车辆定位技术来进行计算机优化调度，是目前能充分发挥矿山大型电动 轮自卸汽车优势的最好途径。对于矿山企业而言，目前的露天采矿厂调度系统主要由人 工协调，由于采区面积大，无法准确地掌握开采量，无法准确知道采矿点需要多少台运 输车参与作业，也无法准确知道正常作业的运输车辆台数。往往出现采矿点运输量不足 或车辆过剩的情况，如此反复空车空跑的油耗浪费是惊人的，通过g p s 进行调度可以 解决运输量调控，能源消耗，车辆维修、环境污染、节省资金等一系列实际问题。对于 矿山装载车而言，它可以解决汽车装载量的合理程度，汽车运输路线的优化程度等问题， 最大限度地降低车辆机械部件的磨损和轮胎损耗等与经济效益相关的指标，这将决定着 整个生产过程的合理程度。 利用g p s 的车辆定位技术【2 】，可以计算车辆的运距，从而可以保证车辆的运距互相 平衡，使设备处于同一使用状态中，工作量的平衡使得车辆寿命得到最大得延长。同时， 由于车辆运行能随时显示在调度终端，并能存储回放，由此还可以提供超速报警、停车 报警、不按调度指令运行报警等各种报警信息，从而避免了驾驶人员弄虚作假，帮助调 露天矿山车辆调度系统设计与实现 度人员更好地、及时地掌握和管理运行车辆，提高运输效率。通过g p s 数据还可以统 计设备的效率，可以及时发现多余的低效率设备和超负荷设备，从而可以减少设备的投 入而减少消耗或者增加设备投入而解决生产瓶颈，提高工作效率。 1 3 2 系统研究技术路线 系统是在应用计算机技术、无线数据通讯技术、全球卫星定位g p s 技术及信息管理 m i s 技术、网络互联等技术的基础上，充分利用现代优化理论，通过深入研究国内露天 矿山的生产实际而开发成功的一套专为露天矿山提供自动优化车辆运输与指派的生产 管理系统。 在生产组织管理方面，系统具有全面监视功能，能让调度人员和生产管理人员以动 态的图形方式了解采场情况，所有车辆的行走、等待、超速以及停靠的地点情况都能同 时显示在计算机屏幕上，为生产管理提供了最直接的第一手资料。生产调度人员通过车 辆运行状态就能从宏观上把握生产运输的各个环节，这是以前人工调度所不能实现的。 系统采用线性规划结合任务驱动的优化算法，能根据生产计划和设备状态，及设备 的实时运转情况，解算并进行运输车辆和电铲的最佳分配，最大限度地避免车等铲或铲 等车情况的发生，这样既能保证生产任务的完成，又能使用最少的设备，从而节约大量 能源、降低设备消耗，节省人员费用和维护费用。 系统采用计算机网络技术和数据库存储技术，能将现场信息和生产情况自动处理存 档，并根据需要打印输出，实现矿山生产数据的计算机管理，这样不仅节省了大量的人 力物力，而且使生产数据更加准确，使管理效益更加明显。在正常组织生产活动中，一 些重复性的工作由系统自动完成，例如：采场设备的有序运转，运输车辆的合理分配， 计划产量的完成情况分析，当前生产过程的监控等。这样一方面可以大大减轻调度管理 人员的工作量，另一方面还能提高调度的合理性，对降低能耗、提高产量有重要意义。 在运输车辆管理和控制方面，系统采用了道路网信息和最佳路径算法，以运输路径 的最短为首要条件，使原来装点与卸点之间的两点调度改变成装点卸点，再装点卸点的 四点调度，减少大量的空车运行路程，能提高车辆运行效率，节省了油料支出、轮胎磨 损、设备维修方面的费用。 车辆运距的自动运算结合吨公里平衡技术能使设备处于同一使用状态中，车辆运输 作业工作量的平衡使得车辆寿命得到最大的延长。由于车辆运行能随时显示在调度终 端，并能存储回放，从而避免了驾驶人员弄虚作假，同时超速报警、停车报警、不按调 大连理工大学硕士学位论文 度指令运行报警、怠工报警等各种报警信息，能帮助调度人员更好地、及时地掌握和管 理运行车辆，既提高运输效率，又能间接提高司机的作业积极性。 通过查看每台设备的效率实时统计数据，和系统完成产量预测信息，可以及时发现 多余的低效率设备和超负荷设备，通过班中生产计划的调整，可以减少设备的投入而减 少消耗，或者增加设备的投入而解决生产瓶颈，提高工作效率，使矿山生产按计划进行， 做到有序，连贯。 通过品位数据图的自动提取和采掘计划的合理平衡，能更好地控制出矿品位，在产 量和品位之间找到一个较佳的平衡点，并通过对车辆的自动调度来准确控制品位数据， 直至满足每个卸矿点的配矿品位要求，实现对质量的控制。 网络技术的应用和数据库分布式管理使得本g p s 调度管理系统与企业内部局域网 的联网成为可能，各生产相关部门可以方便地使用计算机终端，查看采厂各种实时生产 数据和分析图标，查询并打印各类统计报表。 总之，利用g p s 系统可以充分挖掘电动轮自卸汽车的运输能力，提高运输效率； 优化运输车的运输路线，减少轮胎损耗及油耗：合理地调配运输资源，提高设备利用率， 减少不必要的浪费；不但可以最大限度地保证这些大型运输车辆的完好率、出勤率，还 可以为矿山企业带来可观的经济效益。 露天矿山车辆调度系统设计与实现 2 系统需求分析 2 1 6 p s 技术简述 g p s 系统原是美国国防部为其星球大战计划投资1 0 0 多亿美元而建立的。其作用是 为美军方在全球的舰船、飞机导航并指挥陆军作战。g p s 工作卫星及其星座由2 l 颗工作 卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。这2 4 颗卫星分布在 高度为2 万公里的6 个轨道上绕地球飞行，每条轨道上拥有4 颗卫星。 g p s 卫星定位系鲥习由地面控制站、g p s 卫星网和g p s 接收器三部分组成。地面监控 系统对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历来 描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗g p s 卫星所播发的星历，是由地面监控系统 提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要 由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间 标准3 p s 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面 注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 g p s 卫星网向地面发射两个频率的定位导航信息，包括两个定位码信号：c a 码( 供 世界范围内的民用) 和p 码( 只供美国军方使用) 。g p s i 作卫星的地面监控系统包括一个 主控站、三个注入站和五个监测站。 g p s 信号接收器 4 1 的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星 的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以 便测量出g p s 信号从卫星到接收器天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电 文，实时地计算出监测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 2 2 露天矿山车辆调度系统原理组成 针对企业铁矿的具体情况分析，露天矿山车辆调度系统的原理组成如图2 1 所示。 2 3 露天矿山车辆调度系统功能模块 按照结构简单，运行可靠，操作方便的原则，我们将整个系统控制过程分解为以下 三个功能模块，如图2 2 所示。 ( 1 ) 车载终端系统功能模块 针对露天矿山电动轮卡车的外围条件而开发的车载计算机终端的组成结构，包括车 一6 大连理工大学硕士够拯论文 瞬2 1 露天矿车辆调度系统原理图 f i g 2 1p r i n c i p t e 越耀，鼬o f v 罐蠡l e 或印粕c l 斑肇毋s 幻盛i ns u - i p m i n e 童 季 鐾 簧 簸 篱2 2 露天矿车辆调度系统动能摸块分解鹜 f i 9 2 2f u n c t i o o a l m o d u l e o f v e h i c l e d i s m h i n gs y s t e m i ns c i p m i n e 一7 一 露天矿山车辆调度系统设计与实现 载电源部分、车载计算机、无线通信部分、g p s 数据采集部分等设备，介绍其工作原理 与工作特性，列举车载计算机终端软件的部分功能和特点，并对软件处理流程做出简要 描述。关键技术是如何利用前相差分技术提高定位精度的技术，介绍了在使用g p s 接 收器时如何进行配套的软硬件设计的问题。 ( 2 ) 无线通信系统功能模块 介绍如何设计带有一级中继站的无线电台通信系统，详细讲解在g p s 应用中车载终 端、调度中心的无线通信系统构成，介绍了在无线电台通信系统设计中应该注意的问题 以及如何设计g p s 系统的通信协议，并且介绍无线数传通信模块将移动物体的位置信息 以“控制中心主动查询”的方式通过集群通讯系统传送至控制中心，并以特定的象标形 式展示在显示屏上的电子地图上。如何将差分信息编入通信协议发送到移动终端，如何 计算平均响应时间及容量的问题，以及移动终端发送数据延迟控制算法等问题。 ( 3 ) 调度监控系统功能模块 包括无线数传通信服务器、中心计算机及差分基准站，总控数据服务器、监控显示 终端，数据管理终端等设备。调度中心是完成系统通信控制、车辆监控、优化调度、生 产管理的核心，该部分主要介绍硬件系统组成和完成的功能，并针对车流规划的算法和 最佳路径的算法，空车重车调度模型，在显示系统软件中的卡车移动轨迹的显示、道路 拟合技术、路段时间数学模型的建立等关键技术进行重点讲解。 2 4 露天矿山车辆调度系统工作过程 2 4 1车载终端系统工作过程 在工作班开始，每一个电动轮、电铲、前装机、推土机司机都要在车载终端上输入 唯一的司机代码，并进行入网操作，以登陆到车调系统当中来。电动轮、电铲等司机输 入的司机代码通过无线通讯系统传输到调度中心的服务器当中，服务器接收数据，并且 检查班前设定数据库以确定是否为本班司机，且司机代码是否正确。如果司机代码非本 班司机，则系统发送“非本班司机代码”异常信息到终端屏幕。如果系统检查发现数据 库中不存在该司机代码，意味着司机输入了错误的代码，则系统发送“司机代码错” 司机入网成功后，显示屏幕会自动进入到道路网界面状态，当司机准备工作一切就 绪后，需要通过车载终端点击“选择”键，再点击“请调申请”键，发送请调请求，用 来通知车辆调度系统电动轮已做好运输准备或电铲已做好采掘作业的准备，要求调度系 一8 大连理工大学硕士学位论文 统分派作业任务。当司机接收到“请调批准”内容的调度指令后，就可以按照屏幕上显 示的作业任务开始工作了。 车载终端软件为d o s 程序，c + + 编程，利用串口中断采集g p s 信息、电台信息和 触摸屏信息，需要发送信号时，采用直接写串口的方式将数据以9 6 0 0 波特率写入，经 过数传m o d e m 转换、缓存，以2 4 0 0 波特率发送到电台。 2 4 2 无线通信系统工作过程 通信控制系统按照轮询原则负责分配通信时段给移动终端，通信控制计算机同时负 责接收g p s 差分台的信号，将差分信号编入轮询信号中，通信控制计算机定时向所有终 端发送轮询信号。 移动终端利用集成的g p s 模块接收当前的位置信息和速度信息，并将司机的请求任 务和通信回送信息一起编入一条信息，当移动终端从轮询信号获得通信时段以后，就将 当前最新的信息通过无线电台发送出去，无线信号经过中继站转发，到达调度中心，由 通信控制计算机通过无线电台接收，将司机请求信息、位置信息、速度信息等还原，再 将这些信息送入调度计算机。 调度计算机进行位置信息处理、解算以后将调度指令发送到通信计算机，通信计算 机将调度指令、差分信息、轮询信号编入一条信息中，在定时时间发送出去，系统通过 中继站，到达移动终端。 移动终端从接收到的轮询信息中分解出调度指令、差分信号，将差分信号写入g p s 模块，将调度指令以图形、文字、声音等形式进行显示，指导司机完成工作，并向通信 控制计算机回送“已收到指令”信息。 2 4 3 调度监控系统工作过程 ( 1 ) 班前设定 车辆调度管理信息系统，是一个自动系统。在工作班开始前必须完成必要的设置工 作，以确保车调系统的正常工作，并使其在工作班期间处在最佳的状态。因此，必须要 做的工作是： 为即将到来的工作班安排人员和设备。 检查和修改所要求的电动轮的操作状态 检查和修改所要求的电铲，作业点的操作状态 检查运输路径及道路的状态 一9 一 露天矿山车辆调度系统设计与实现 通过班前的设定，让车调系统知道哪些设备和作业点是有效的，配矿的要求是什么， 计划的产量是多少，以及电铲出货的物料类型及供货量，作业点的容量等等信息。车调 系统优化算法在运算时将充分考虑这些设定的数值。 ( 2 ) 班中查询调整 在工作班期间，车辆调度管理系统不要求调度员的干预。但是需要对生产状态屏幕 中的“异常信息”做出响应，并且当它们在异常信息屏幕中显示时要及时给予处理，同 时要将作业点的状态变化信息给予及时的输入。也可以通过查询班中生产报表实时掌握 生产的进程。 在班中，可以选择查询和调整的内容包括： 观察车调系统交互信息屏幕以监控采矿生产情况 观察二维道路网显示屏幕以监控电动轮、电铲等设备的位置与状态 通过调度管理程序完成对优化算法的干预 使用班中查询表格或图形了解生产的实时情况 通过发送调度指令完成对设备的人工调度或调整 使用三维地图显示程序实现对现场作业情况的真实模拟 查看设备的分派任务情况，来了解或进行人工干预。 ( 3 ) 班后统计 调度员在工作班结束后要根据需要产生汇总报表或直方图，以保持对采矿生产情况 的了解。车辆调度管理系统可以提供的生产报表和图形报表包括： 车辆，路段统计报表 油耗统计报表 出矿点配矿设备故障统计报表 车辆调度图表 产量分布图 车辆运输情况汇总 生产e t 、月、年报表 作业点产量统计报表 车问产量统计报表 车辆锁定情况汇总 大连理工大学硕士学位论文 3 车载终端系统设计与实现 3 1 硬件系统设计原理 3 1 1 硬件系统结构 车载计算机是整个调度系统的关键所在，它集计算机、调度导航、地图信息于一体， 应具有可靠性高、硬件平台稳定、环境适应性强等特点，因此整体设计应符合工业控制 用机标准【5 】。车载终端硬件结构组成包括： ( 1 ) 车载计算机终端构成：p c 1 0 4 总线工业用计算机主板、7 2 英寸彩色液晶显示 屏、四线电阻式触摸屏、8 m 电子硬盘、恒温电热膜及相应控制电路、g a r m i ng p s 卫星 信号接收器、2 4 0 0 b p s 无线通讯用调制解调器、高压电源模块、软驱，串口扩展功能板、 稳压电源模块、亮度调节板、信号转换板等单元部件。 ( 2 ) 车载电源终端构成：大功率隔离电源模块、抗干扰模块、复位保险电路、电台 保护电路、高精度可调稳压模块、显示，开关单元、m o t o r o l a9 5 0 i 通讯电台等构成： ( 3 ) 通讯天线系统：采用g a r m i no n c o r e 系列g p s 接收天线 ( 4 ) 通讯电台及其机械结构：通信电台、计算机终端外壳、计算机终端支架、电源 终端外壳、电源终端支架、g p s 天线支架、电台天线支架等。 ( 5 ) 车载电气连接线构成：电瓶电源线、计算机电源线、g p s 天线、电台天线、电 台控制线、电台电源线等。 3 1 2 硬件系统性能指标 ( 1 ) 由于车载终端工作在复杂的现场环境中，因此要求车载系统硬件设计上要满足 三防的要求，即防尘、防水、防震动； ( 2 ) 采矿场处于东北地区，冬夏温差达6 0 一7 0 1 2 ，因此要求车载系统硬件要进行 宽温设计，既要有良好的散热，又要有低温自动补偿单元。 ( 3 ) 电气设计上要考虑有过压、过流，过热保护电路，要求防辐射、抗干扰。 ( 4 ) 软件设计上要求界面简捷，易操作，可视性好，并有冗佘措施及闭环测试功能。 ( 5 ) 车载终端性能指标要求如表3 1 表述。 3 1 3 硬件系统结构设计 ( 1 ) 车载计算机终端设计：( 举例说明g p s 接收器嘲) og p s 接收器原理介绍 露天矿山车辆调度系统设计与实现 表3 1 车载终端性能指标 t 曲3 1p c 响m l a n c ei n d e x o f v e h i c l et e m l j n a l 性能指标参数内容 定位精度 速度极限 使用温度 存储温度 抗冲击 竞争延时 开机定位时间 轮询周期 5 米 9 0 0 公里，j 、时 1 0 一5 0 4 0 一5 0 5 0 ：g 1 6 秒 4 5 秒 1 0 秒 本系统拟采用g a x m mo n c o 他系列g p s 接收器。卫星接收器的主要功能是对车辆进 行实时定位，车载终端中的定位模块接收g p s 卫星信号( 三颗以上) ，求出当时该移动 点的经纬度坐标、速度、时间等信息，定位精度仅为2 5 米5 0 米。为适应采矿厂的功能 需要，定位模块提供差分g p s ( d g p s ) 功能【”，以提高定位精度。 由于g p s 卫星导航所测的车辆位置坐标数据与实际行驶的路线轨迹存在一定的误 差，为修正这两者的误差，与控制中心地图上的路线统一，系统采用了地图匹配技术， 对汽车行驶的路线与电子地图上道路误差进行实时相关匹配作自动修正，得到车辆在电 子地图上的正确位置。除此以外，g p s 提供了差分接口，通过差分接口可为g p s 接收器 提供差分信息将车辆位置精度提高到5 米以内，满足用户对精度的需求。 g p s 接收器性能介绍 g a r m i np l 峭o n c o r e 采用1 2 通道设计，使用了m o t o m l a 独有的t - r a i m ( 接收器自主完 善性监测) ，确保g p s 测量的有效性和可靠性。另外，g a r m i np l mo n g o r e 对干扰信号具 有免疫性。g a r m i np l mo n c o r c 在机械、电气方面有着良好的表现，并具有低功耗和良好 的嵌入特性。 g a r m i np l l i s0 n c o r cg p s 接收器性能指标要求如表3 2 表述。 g p s 接收器使用的n m e a 0 1 8 3a s ci i 码协议说明： s g p r m c 、 、 、 、9 、 、 、h 1 1 定位时u t c 时间h h m m $ $ 格式 t 2 状态a - 定位v = 导航 大连理工大学硕士学位论文 表3 2g a r m i np l u so n c o r eg p s 接收器性能指标 t a b 3 2p e f f o r m a n c ei n d e xo f g a r m i np l u so n c o r eg p sr e c e i v e r 性能指标参数内容 接收板结构 跟踪能力 动态性能 捕获时间 定位精度 天线要求 坐标基准 l ，o 信息 操作温度 并行1 2 通道、l i1 5 7 5 4 2 m h z 、c a 码( 1 0 2 3 m h z 码片速率) 同时跟踪1 2 颗卫星 速度：5 1 5 米秽 高度低于1 8 2 8 8 米时，大于5 1 5 米缈 加速度：4 9 、振动：5 米，秒 1 5 秒( 当拥有当前的天历、位置、时间和星历数据时) 纬度d d d r n m m m m m 纬度方向e 或w 速率 四 方位指向( 二维方向指向，相当于二维罗盘) 当前u t c 日期d d m m y y 格式 太阳方位 太阳方向 ( 2 ) 车载电源系统设计 一1 3 一 露天矿山车辆调度系统设计与实现 在电动轮车辆自动优化调度系统中，车载计算机，传感器，智能终端，g p s 接收器 等正常工作都需要有一个强大的，稳定的工作电源来支持，而电动轮汽车本身的电磁干 扰又比较严重，因此在进行设计过程中，专门设计了电源管理模块。利用电动轮车辆内 部的蓄电瓶为系统提供能源，其技术特点为： 输入电压由车内2 4 v 电瓶提供，设计了完善的过流，过压，欠流，欠压等保护 电路： 输出电压为8 组，分别输出+ 5 v ，5 v ，+ 1 2 v ，1 2 v ，+ 9 v 电压。输出电压稳定 度为+ 0 i v 一0 1 v ； 采用先进的d c - d c 电源模块，使输入与输出完全隔离，避免了因为电器故障而 损坏其它电气单元； 完善的保护，抗干扰功能，如电铲配u p s 电源，应急供电2 0 分钟； 电瓶电压指针显示，方便观察，各路电压输出指示灯显示直观明了。 ( 3 ) g p s 通讯天线设计 系统采用g a r m i no n e o r e 系列g p s 天线1 8 1 ，该类天线性能指标要求如表3 3 表述。 o n c o r eg p s 天线有极强的抗树荫、抗遮挡能力。在高楼林立的城市或深不可测的大 峡谷均能收到满意的信号。o n e o r eg p s 天线所具有的磁性吸座，特别适用于车载。 g a r r n i no n e o r e 系列g p s 天线能够提高g p s 在测量、定位等应用中的精度。在低仰 角多路径效应影响系统精度时，它的独特结构可以增强g p s 信号以减少多路径效应。 表3 3g a r m i no l w o l e 系列g p s 天线性能指标 t a b 3 3p e r f o r m a n c ei n d e xo f g a r m i no n e o r eg p s 孤咖m 性能指标参数内容 普通特性 工作频率 主要参数 电缆 使用温度 安装选项 低外型有源薄型天线、微波天线屏蔽器、带l n ap w b ( 低噪声放大器) l 1 ( 1 5 7 5 4 2 m h z , + - 2 m h z ) + 3d b i c 最小量在天项、0d b i c 最小量在3 0 度高度、1 0 d b i e 晟小量在0 高度 r g 1 7 4 u 长6 米( 在1 5 7 5 4 2 m h z 时，l ( k t b 最大损耗) ，r g 1 7 4 u 长2 0 3 毫米 埘度- - - - + 1 0 0 度 磁吸座安装直接固定安装 ( 4 ) 通讯电台及其机械结构( 举例说明通信电台和天线支架) 无线数据传输电台安装及性能指标 丈连理工大学硕士擎娆论文 考虑到无线频点的宝贵及使用费用，为了掇高通讯系统的可舷性，这里采用了 m o t o r o l a 的9 5 娃壁无线电台，弗配接s e e k t o 无线专粥调蒂解调器( 内台调毒4 解调、发射，接 浚擎元，鑫令控囊l 等免一铬 ，翔之完善豹遂镪蠢式，篌系统每逶邀莰舂弱嚣令售遂。 强大静发射功率傈障了通讯豹连续和稳定。透鞘鹃通讯模式可_ | ：王自豳定义所需要的通讯 协议。1 6 路信道可以自由切换。仅需一个r s 2 3 2 接口。数据在空间传输率达到2 4 0 0 b p s ， 接口数据传输率高达9 6 0 0 b p s 。无线数据传输电台性能指标要求如表3 4 表述。 褒3 。4 无线数据传赣壤密经戆指标 t a b 3 4p e r f o r m a n c ei n d e xo f w i r e l e e , sd i 垂t a lb r o a d c a s t i n gg 峨 性能指标参数内容 率载电台发送频率 率载电台接收频率 调度中心发送频攀 调疫孛心接毅颓攀 数据收发波特率 调制解调方式 电台可选信道 电台功率 逶撬可靠毪 4 6 5 2 2 5 m h z 4 5 5 2 2 5 眦z 4 6 5 。1 2 5 划匿 臣 4 5 5 1 2 5 知氍z 1 2 0 0 b p s 2 4 0 0 b p s f s k m s k 1 6 路信道，参数可编稷 2 5 w 双镄稳塔辍程v o c 缝掏，频率稳定可靠 无线数传通信模块将移幼物体的位置信息以竞争模式和控制中心主动查询两种方 式通过集群通讯系统传送至控制中心，并以特定的像标形式展示在显乐屏上的电子地图 上。无线数据传输台分成中心电台及移动电台嬲种，各端口均为标凇接日、安装、连接 分甓攀。 灭线支架安装配置 实际测量中g p s 天线接收到的信号是直射波和反射波产生干涉质的组合信号，从 而产生“多路径误差”。多路径效应将大大损害( m s 定位的精度，严重时还会引起信 号的失锁。尽量减少多路径谈麓是天线支架设计的关键。为了防止从地面反射的卫星信 号送入天线产生多路径误差，凹s 天线支粱应裁爨籀径嫒。测量野簸瞧褰度燕z = 1 0 。， 接枝嚣天线相位孛心至捧经投的高度h = 2 0 m m ，簧| j 抑径叛豹半径r 毖须丈于或等予 2 0 m m s i n l o 。= 11 6 m m 。 露天矿山车辆调度系统设计与实现 卡车天线支架的安装位置在电动轮卡车驾驶室的左前方，固定在车辆护栏上，天线 顶端高度不低于车斗。该位置无障碍物遮挡，有利于信号的接收。电铲天线支架的安装 位置在电铲驾驶室的屋顶，固定在电铲的护栏上。 3 2 软件系统设计原理 3 2 1 软件系统功能模块 车载终端的软件包括人机界面设计、车辆状态判断处理、触摸屏显示处理、通讯实 时控制、差分电文处理、容错处理、数据加解密处理、数据编解码处理、定位数据处理 等单元构成。具体完成的功能模块： ( 1 ) g p s 定位解算 g j 模块：以定时方式访问g p s 接收器，接收$ g p r m c 指令，对 接口数据进行处理，解算出经度，纬度，速度，时间等信息。 ( 2 ) 差分数据处理模块：对接收到的差分数据进行校验，解码，并以定时方式传递