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地下金属矿智能开采技术及装备2011年11月28日战凯提纲六、技术路线四、三、智能开采的原理和核心内容九、前期研发基础五、预期目标七、进度计划八、可行性分析一、研究的意义二、国内外技术现状及趋势总体目标和总体技术方案一、研究的意义党的十七大明确指出：“实现未来经济发展目标，关键要加快转变经济发展方式，坚持走中国特色新兴工业化道路，加快推进信息化和工业化融合。”胡锦涛总书记强调：“当今世界，各国都在积极追求绿色、智能、可持续的发展。智能发展就是要推进信息化和工业化融合，使人依靠机器生产产品变成机器围绕人生产产品成为可能。”2010年10月10日，国务院发布《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》,明确了要加大培育资源能源环境和高端装备制造产业等七大战略新兴产业,并将智能装备制造列为了高端装备制造产业的重点方向。《决定》的出台对加快推进我国智能装备的开发和产业化带来了前所未有的发展机遇。一、研究的意义传统开采技术装备无法承载我国矿产资源和矿业面临的这一十分严峻的形势，迫切需要先进的技术和装备。我国现有矿产资源逐渐转入地下开采，并向深部和难开采资源延伸，开采条件恶化、矿石品位降低、市场价格波动和安全标准提高资源全球性地紧缺，矿产资源已成为制约我国经济发展的瓶颈一、研究的意义一、研究的意义3、研究成果可加速矿山企业采矿装备与技术的升级换代，大大提高矿山企业的现代化管理水平2、提高我国矿山企业和装备制造业的核心竞争力，带动相关产业发展1、研究成果可使矿山数字化、智能化、无人化开采成为可能改善环境设备利用率劳动生产率生产安全性生产效率资源利用率芬兰智能矿山技术研究计划(IM)、实施研发技术计划（IMI）加拿大采矿自动化项目五年计划（MAP）瑞典“Grountecknik2000”战略计划国家战略计划AtlasCopcoABB企业策略AutoMineOptiMineMineLanSandvik提高了国家在矿业领域的竞争能力提高了企业的核心竞争能力，由单一的设备供应商向技术解决方案提供商转变二、国内外技术现状及趋势CaterpillarMinegem1、国外研究现状地下无人采矿设备高精度定位技术和无人操纵铲运机的模型大型地下铲运设备的研制关键配套采矿设备的研制…国家科研计划企业开发的技术与装备在某些方面已经取得一定进展软件Dimine3DmineGeos3D蓝光龙软…装备通讯T150潜孔钻机CSY50凿岩台车CY2/3铲运机DQ20井下汽车…KT25小灵通中兴PHS泄露通讯WI-FI无线通讯…二、国内外技术现状及趋势2、国内研究现状二、国内外技术现状及趋势我国采矿装备总体水平落后，信息化、智能化及自动化水平低1缺乏智能开采技术与装备的系统性研究2缺少地下矿山高度集成的智能调度、管理系统和相应软件4缺少适合地下智能开采的无线网络通讯平台333、国内存在的问题•国外：从20世纪70年代开始，先进技术和高端军事技术开发智能采和装备矿技术，实现了地下采矿设备向远距离遥控发展，甚至无人操纵实现全过程自主控制。国外•我国：无轨采矿装备的研制主要集中在机械化、大型化、系列化的研究开发和完善等方面，设备自动化、智能化的研究刚刚起步,与发达国家相比，技术水平差距非常大。国内我国今后地下矿山向着自动化、智能化及无人化方向发展。二、国内外技术现状及趋势2006年,北京矿冶研究总院和北京科技大学共同承担了国家高技术研究发展计划（863计划）课题“地下无人采矿设备高精度定位技术和智能化无人操纵铲运机的模型技术研究”总体目标自主研究地下无人采矿设备的精确定位和导航技术，研究地下智能化铲运机的自主控制技术和智能化实现方法；初步建立我国智能采矿技术和装备的开发体系和技术平台，获得智能化采矿的关键技术和方法，为今后实现我国地下矿山智能提供技术支撑。二、国内外技术现状及趋势具体目标：1）开发具有自主知识产权的地下无轨设备的定位技术2）掌握井下电子地图的构建方法3）地下智能铲运机的设计理论和方法4）开发智能铲运机的自主导航技术5）智能化铲运机总体集成技术及设备铲、装、运各工况的全过程动态模拟技术6）可为今后建立工业应用集成系统提供技术支撑。二、国内外技术现状及趋势生产调度系统数据采集系统地面智能控制中心通讯系统远程遥控定位与导航智能采矿主体装备综合检测监控系统三、智能开采的原理和核心内容三、智能开采的原理和核心内容核心•信息化、自动化、智能化的采矿装备载体•高速、大容量、双向综合数字通讯网络平台•智能采矿设计与生产管理软件系统手段•对矿山生产对象（矿石资源、人与装备）和生产过程进行实时、动态、智能监测、控制与管理目标•实现矿山安全、高效、清洁生产和经济效益最大化智能开采的核心内容四、总体目标和总体技术方案初步建立我国地下金属矿智能开采技术体系促进我国采矿技术向智能化方向发展，增强我国矿业行业的核心竞争能力推进产学研相结合，形成我国地下金属矿智能开采技术创新团队和创新基地凿岩台车智能调度与控制智能采矿爆破井下无线通讯精确定位与导航泛在信息系统潜孔钻机地下铲运机地下汽车地下装药车主体采矿装备关键核心技术四、总体目标和总体技术方案五、预期成果五大核心装备智能中深孔全液压凿岩台车地下高气压智能潜孔钻机地下智能铲运机地下智能矿用汽车地下金属矿智能装药车五、预期成果五大系统泛在信息采集传输控制系统井下无线通讯系统智能爆破系统智能控制与调度系统精确定位与智能导航系统获得国家专利50项以上，其中发明专利20项以上软件著作权13项以上学术论文220篇以上，其中SCI/EI/ISTP收录50篇以上博士研究生20人以上、硕士研究生80人以上形成我国地下金属矿智能开采领域的研发创新团队和创新基地五、预期成果提出国家或行业标准1~2项预期成果六、技术路线总体设计各系统动态仿真样机和系统研制模型试验设计完善工业试验子系统建模模型试验工业试验设计完善样机和系统研制各系统动态仿真总体设计子系统建模2011完成项目技术方案设计与论证，确定所有课题的技术实施方案；完成关键理论的研究，攻克理论上的难点，奠定项目的理论基础；展开相关技术原理的研究；2012完成各大系统与装备的详细设计和结构单元设计；完成相关装备的核心部件和结构单元的研发与测试；完成信息采集与无线通讯系统和定位与导航系统主体装置的研发；实现软件功能模块的划分与核心算法的设计；2013完成设备定位与智能导航系统的研制工作；完成地下泛在信息采集和无线通讯主体装置的研发；进行各类装备的样机设计，完成核心部件的制造和调试；全面进行软件系统的开发与调试；2014全面完成信息采集与无线通讯和定位与导航系统的研制与测试；完成相关装备的样机制造，进行整机的集成测试与改进；完成各类软件系统的研发，并进行应用测试；全面展开智能化开采软硬件系统的集成与测试；2015全面进行工业试验，在多个矿山进行系统验证；全面测试和改进完善，并初步建成我国能开采技术创新基地；总结整理项目相关资料，撰写结题报告准备项目评审验收。七、进度计划八、可行性分析21345总体目标技术可行矿业发展趋势研究基础扎实支撑条件好符合产业政策风险小6团队构成科研院所大专院校装备制造企业矿山企业•北京矿冶研究总院（牵头单位）•长沙矿山研究院•北京科技大学•中南大学•东北大学•湖南有色重机•合肥工大高科•北京华诺维•铜陵有色•梅山铁矿•山东黄金产、学、研、用相结合九、前期研发基础团队构成2006年,北京矿冶研究总院和北京科技大学共同承担了国家高技术研究发展计划（863计划）课题“地下无人采矿设备高精度定位技术和智能化无人操纵铲运机的模型技术研究”总体目标自主研究地下无人采矿设备的精确定位和导航技术，研究地下智能化铲运机的自主控制技术和智能化实现方法；初步建立我国智能采矿技术和装备的开发体系和技术平台，获得智能化采矿的关键技术和方法，为今后实现我国地下矿山智能提供技术支撑。九、前期研发基础具体目标：1）开发具有自主知识产权的地下无轨设备的定位技术2）掌握井下电子地图的构建方法3）地下智能铲运机的设计理论和方法4）开发智能铲运机的自主导航技术5）智能化铲运机总体集成技术及设备铲、装、运各工况的全过程动态模拟技术6）可为今后建立工业应用集成系统提供技术支撑。九、前期研发基础（一）、井下电子地图构建技术研究在ARCGIS地理信息平台基础上进行二次开发，建立以巷道某层面特性为基础的巷道电子地图。已知巷道环境平面图纸扫描后，将数据输入ARCGIS进行矢量化，未知巷道的数据采集可采用激光雷达扫描系统扫描得出。通过巷道区域对铲运机形态区域的叠加分析、区域专业属性分析和空间查询实现GIS系统空间分析，同时实现精确的位置显示和报警。（一）、井下电子地图构建技术研究激光扫描器激光扫描平面通风管路电气开关柜路面中线铲运机巷道中线某井下巷道横断面图实验室走廊环境二维电子地图（一）、井下电子地图构建技术研究实现了电子地图的缩小、放大、漫游；采矿设备的实时位置在电子地图上的标识；实时坐标数据的显示；设备的轨迹路线跟踪功能；实现图层动态添加修改删除等功能；（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究铲运机位置：铲运机在二维电子矿图中的绝对位置坐标，或铲运机相对于井下巷道内某已知位置的相对位置；分为横向位置和纵向位置。铲运机姿态：偏离角：前进方向和巷道中轴线夹角前后铰接夹角角度：前后车体夹角（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究横向位置：铲运机的定位中心点离巷道壁的相对距离（铲运机的定位中心点定义为铲运机后桥中心连线的中点）。巷道壁为坑坑洼洼，凹凸不平，相对于巷道壁的距离测量必须采用激光扫描系统对巷道壁平面扫描的方式后进行拟合确定。（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究纵向位置：激光扫描测量系统定位、航迹推算、无线电定位等组合定位方式来实现铲运机的高精度定位在巷道内每间隔一定距离设置一个节点（大于45度的转弯角也设置为节点），节点与节点之间的定位主要依靠无线电定位、装载于铲运机的里程计及车载惯性导航单位进行信息融合计算得到，在每个节点对航迹推测的定位结果进行修正。（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究在巷道两侧墙壁上安装ZigBee路由节点，每个路由节点间隔5秒向其子节点进行一次广播通信。目标收到父节点的广播通信后，首先确认发射源，并读取器信号强度RSSI值来确认发射源与自己的位置，最终将自己的位置信息发送至最近的的ZigBee节点，由该节点将目标位置传送给铲运机车载单元。无线电定位：基于ZigBee网络的无线定位系统（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究将铲运机的运动看作是二维平面上的运动，因此如果已知铲运机的起始点和初始航向角，通过实时测量铲运机的行驶距离和航向角的变化，就可以实时推算出铲运机的位置。航迹推算法定位：1001000**cos**sin*nniiinniiinixxvTyyvTwT需要实时测量铲运机的航向角和行驶速度（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究实时速度：里程计和惯性导航单元融合确定实时航向角：陀螺仪直接测量航迹推算法定位：依据编码信标识别的位置修正，利用激光扫描测量系统扫描条码信标，得出绝对位置信息。航迹推算法定位修正：光点扫描光模拟电信号整形为矩形脉冲电信号（数字信号）信标工作原理及实物（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究激光扫描器编码信标侧壁开始识别特征点扫描点二值化特征点归类计算距离标志位与模板匹配距离匹配TrueFalse识别结束信标安装示意编码信标识别流程图（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究姿态确定技术：转向角：铲运机采用铰接车架液压动力转向，转向时，根据活塞杆的相对位移来确定转向夹角，活塞杆的相对位移大小和车体转向角度一一对应。可以将转向角的测量转化为测量活塞杆的位移。在铰接处安装编码器，通过读取编码器信息也可以得到转向角大小。（二）、地下采矿设备自主定位及导航技术研究姿态确定技术：偏离角：前进方向和巷道中轴线夹角四个顶点：A,B,C,D四测距仪：