露天煤矿自动卡车数据采集系统设计与实现.pdf

专业学位硕士学位论文 露天煤矿自动卡车数据采集系统设计与实现 D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fA u t o m a t i cT r u c k D a t aA c q u i s i t i o n S y s t e mf o rS u r f a c eC o a lM i n i n g 作者姓名捏蓥 学4 1 4 1 7 2 7 8 指导教师夔光远 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 万方数据 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目 作者签名 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 数据采集在煤矿产业_ 直是一个重点和难点。为了提高数据采集的有效性，很多公 司做出了大量投资用于改进矿井数据采集系统。将采矿产业和信息技术以及信息系统相 结合可以有效地提高生产效率和降低运营成本。本研究着眼于自动化信息系统的设汁， 从运载卡车收集生产数据，通过无线网络 W L A N 将现场数据实时传输到位于办公室 环境的中央服务器。 生产记录的数据管理己成为露天采煤作业的一个关键凶素。信息系统 I n f o r m a t i o n S y s t e m ，I S 和信息技术 I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y ，I T 在工人工作效率和设备性能的 监测和分析中发挥了很重要的作用。本研究设计开发了一个用于露天煤矿开采的自动卡 车数据采集系统 A u t o m a t i cT r u c kD a t aA c q u i s i t i o nS y s t e m ，A T D A S ，采集露天煤矿卡 车作业周期和延迟数据采集系统。本研究提出的A T D A S 能够采集卡车的生产数据，延 迟时间，装载和卸货次数，行驶距离，以及矿区生产活动的G P S 坐标。它能够通过无 线网络将数据传送到位于办公室中的服务器。此外，该系统与既有的综合生产管理系统 I n t e g r a t e dP r o d u c t i o nM a n a g e m e n tS y s t e m ，I P M S 兼容。作业数据存储在每个卡车当 中，然后数据被同步和复制到包含数据库管理系统的中央服务器，并做出分析和报告。 该系统依赖于运动传感和行驶距离，以便自动确定作业周期的起始／结束点、周期长度、 定位及延迟时间。装载设备和卡车之间的连接和通信也己建立。同时也为设备操作员和 A T D A S 系统之间的通信开发了一个用户友好的图形界面。该系统开发所涉及的基础设 施包括一台便携式计算机，2 ．4 G H z 的无线电发射器天线以及一个高灵敏度的商用G P S 接收机。该系统在山西省一个露天煤矿开发，测试和部署。 通过在露天煤矿的实地应用和测试表明，本论文所设计的系统成功地完成了卡车作 业周期的数据采集，架构稳定性强，可扩展性好，满足预期的管理目标和要求。 关键词露天煤矿；卡车；数据采集；G P S 万方数据 露天煤矿自动卡车数据采集系统设计与实现 D e s i g no f A u t o m a t i cT r u c kD a t aA c q u i s i t i o nS y s t e mf o rS u r f a c eC o a l M i n i n g A b s t r a c t D a t aa c q u i s i t i o nh a sa l w a y sb e e nak e yp o i n ta n do b s t a c l ei nc o a lm i n i n gi n d u s t r y ．T o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fd a t aa c q u i s i t i o n ，m a n yb i gc o m p a n i e sh a v ei n v e s t e d al o ti n o p t i m i z i n gc o a lm i n ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ．P r o d u c t i o ne f f i c i e n c yC a l l b eg r e a t l yi n c r e a s e d a n dc o s tr e d u c e db yc o m b i n i n gm i n i n ga n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ．T h er e s e a r c hi sf o c u s e d o nt h ed e s i g no fa u t o m a t i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，w h i c hc o l l e c t sd a t af r o mt h et r u c ka n d t r a n s f e r st h ed a t at oc e n t r a ls e r v e ri nt h eo f f i c ee n v i r o n m e n tt h r o u g hW L A N ． D a t am a n a g e m e n tf o rp r o d u c t i o nr e c o r d sh a sb e c o m eak e yf a c t o ri ns u r f a c ec o a lm i n i n g o p e r a t i o n s ．I n f o r m a t i o ns y s t e m i s a n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y 1 T p l a yav e r yi m p o r t a n t r o l ei nm o n i t o r i n ga n da n a l y z i n gw o r k e re f f i c i e n c ya n dd e v i c ep e r f o r m a n c e ，A na u t o m a t i c t r u c kd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m A T D A S i sd e v e l o p e di nt h i ss t u d yt or e c o r dt r u c kc y c l ea n d d e l a yd a t ai ns u r f a c ec o a lm i n i n g ．T h eA T D A Sp r o p o s e di n t h i ss t u d yc a nc o l l e c tt r u c k p r o d u c t i o nd a t a ，d e l a yt i m e ，l o a d i n ga n dd u m p i n gt i m e sa n dG P Sc o o r d i n a t e s f o rm i n e p r o d u c t i o na c t i v i t i e s 。I t i sp o s s i b l et ot r a n s f e rd a t ao v e rt h ew i r e l e s sn e t w o r kt oas e r v e r l o c a t e di nt h eo f f i c e ．I na d d i t i o n ，t h es y s t e mi sc o m p a t i b l ew i t he x i s t i n gi n t e g r a t e dp r o d u c t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m I P M S ．O p e r a t i o nd a t aa r es t o r e di ne a c ht r u c k ，a n dt h e ns y n c h r o n i z e d a n dr e p l i c a t e dt oac e n t r a ls e r v e rt h a tc o n t a i n sd a t a b a s en - l a n a g e m e n ts y s t e mf o ra n a l y s i sa n d r e p o r t i n g ．T h es y s t e mr e l i e so nm o t i o ns e n s i n ga n dt r a v e ld i s t a n c e ，t oa u t o m a t i c a l l yd e t e r m i n e t h eb e g i n n i n g ／e n dp o i n t ，c y c l el e n g t h ，p o s i t i o na n dd e l a yt i m e o ft h eo p e r a t i o nc y c l e s ． C o n n e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h el o a d i n ge q u i p m e n ta n dt r u c k sh a v ea l s ob e e n e s t a b l i s h e d ．W ea l s od e v e l o p e dau s e r f r i e n d l yg r a p h i c a li n t e r f a c e f o rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e ne q u i p m e n to p e r a t o r sa n dA T D A Ss y s t e m ．T h ei n f r a s t r u c t u r ei n v o l v e di nt h es y s t e m d e v e l o p m e n ti n c l u d e sat o u c hs c r e e nP C ，a2 ．4 G H zr a d i oa n t e n n aa n dac o m m e r c i a lG P S r e c e i v e rw i t hh i g hs e n s i t i v i t y ．T h es y s t e mi sd e v e l o p e d ，t e s t e da n dd e p l o y e di nas u r f a c ec o a l m i n ei nS h a n x iP r o v i n c e ． T h eA u t o m a t i cT r u c kD a t aA c q u i s i t i o nS y s t e md e s i g n e di nt h i sr e s e a r c hi sa p p l i e da n d t e s t e di nar e a ls u r f a c ec o a lm i n ei nS h a n x iP r o v i n c e ．I ti Si n d i c a t e dt h a tt h es y s t e m a c c o m p l i s h e st h et a s ko fd a t aa c q u i s i t i o ns u c c e s s f u l l y ．T h es y s t e ma r c h i t e c t u r e i so fg o o d r e l i a b i l i t y a n de x t e n s i b i l i t y ，w e l lm e e t i n gt h ee x p e c t e dd e m a n d so fp r o d u c t i o n a n d m a n a g e m e n t ． 一I I 万方数据 大连理一卜人学专业学位硕I ．学位论文 K e yW o r d s S u r f a c eC o a lM i n i n g ；T r u c k ；D a t aA c q u i s i t i o n ；G P S l l I 万方数据 露天煤矿自动卡车数据采集系统设计与实现 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．⋯．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅳ l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 露天煤矿数据采集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．3 研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 系统需求分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2 卡车数据采集技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．3 实现要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．4 硬件要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．4 ．1 便携计算机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．4 ．2G P S 接收器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 ．3P C 调制解调器和2 ．4 G H z 无线电天线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 2 ．4 ．4 其他硬件设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l O 2 ．5 软件要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 3 系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 3 ．1 卡车运输周期表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2 卡车延迟数据表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一l8 3 ．3 卡车通信数据表⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 3 ．4 临时数据库架构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．5 数据库同步⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．6 身份冲突问题解决方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 3 ．7 系统应用结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 4 系统实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．1 ．1 装载机环境应用系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．1 ．2 卡车环境系统应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1 ．3 同步导向⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 万方数据 人连理工人学专业学位硕士学位论文 4 ．2 用户图形界面实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 4 ．2 ．1 装载机应用系统G U I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 4 ．2 ．2 卡车应用系统G U I ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 4 ．3部署⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 攻读硕上学位期问发表学术论文情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 大连理工大学学位论文版权使用授权档⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． V 8 9 ，3 6 8 0 ，3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 ● ● ． ● ● ● 一 ～ 一 一 一 ～ 一 ～ 一 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 ．1研究背景 数据采集在煤矿产业一直是一个重点和难点。为了提高数据采集的有效性，很多公 司做出了大量投资用于改进矿井数据采集系统。对于露天采矿来说，作业需要采集多种 不同的数据，如生产速率，能量／燃料消耗，循环次数，延迟，作业小时数和其他。在写 日报、周报、月报以及年报之前，需要对原始数据进行分析和提炼。报告信息代表了作 业的趋势和模式【。此外，报告分析也可以很容易地显示出设备异常和员工绩效。尽管 如此重要，数据采集和分析还处于初期发展阶段，现有系统也需要在有效性和灵活性方 面做出改进，以适应不同的作业场景。 煤矿产业采用的技术手段主要有计算机硬件和软件，以及生产监控设备【】。在作业 现场，生产数据采集和传输可通过自动化信息系统 A u t o m a t e dI n f o r m a t i o nS y s t e m ，A I S 来实现。信息技术的发展为煤矿产业引入了计算机领域相关技术，如硬件，软件和网络 组件。此外，信息系统的应用使得采矿作业能够通过硬件和软件来采集和处理数据。信 息技术和信息系统也带来了现场实时数据检索的优势，从而取代了基于纸张的作业报 告。恒定、准确以及实时的数据采集将采矿产业的发展前进一步，能够有效地检测作业 故障。此外，优良的数据采集系统也可以降低运营成本。当技术达到最佳水平时，无人 作业采矿也将成为现实。 1 ．2 露天煤矿数据采集 将采矿产业和信息技术以及信息系统相结合可以有效地提高生产效率和降低运营 成本。著名煤矿专家门罗指出，采矿设备的生产效率可以通过现场测量来确定。卡车和 铲车的生产力都可以通过装载、运输、倾倒以及返回平均次数来计算。设备的性能并不 仅仅取决于作业循环次数，而且也取决于配套设备、路况和梯度、运输阻力和作业成本。 然而，先前研究并没有提出如何采集现场数据的具体方法。 在露天采矿研究中，预测卡车周期最常用的方法是计算机仿真【3 】。仿真系统能够模 拟运输条件，为装载时间、运输时间、卸货时间及设备磨损设定随机值，所有这些参数 可以被用来估计设备的性能和生产率。当然，仿真结果和实际作业场景会有一些差异， 这主要是由于作业现场会有突发事件，比如延迟和故障，而仿真中没有这些突发状况。 因为露天采矿的物理环境因素一直在随着时间变化，这些变化对运输路况有很大的影 响，进而影响卡车的作业效率。理想的情况下，应该通过实时连续采集煤矿作业数据来 监测各方面设备的性能。 万方数据 鼯天煤矿自动卡_ 二数据采集系统设计‘刁实现 煤矿作业数据采集有多种方法，第一种方法是操作员的生产口志、工程师现场勘测 以及自动化信息系统。一些露天煤矿要求司机每次运输都要记录开始和结束时间，但是 增加了工作量且信息难以维护。第二种方法需要工程师不断地采集卡车运输数据，否则 数据不可靠，这种方法同样非常耗时。最后，将信息系统和信息技术相结合的自动化信 息系统能够直接从运输设备采集准确和详细的数据，简单有效。 目前市面上有多个公司供应自动化的煤矿卡车数据采集系统，但性能和用户友好性 都有很大的优化空间。澳大利皿的A P S 公司开发了一系列设备能够跟踪和采集卡车运 输信息，比如G P S 定位、运输时间、空闲时间、延迟时间和生产记录[ 2 ．3 1 。该系统的主 要构件包括触摸屏显示器、G P S 监控天线、无线电通信，以及位于设备结构内的多个传 感器盒。整个系统能够实时向中央服务器反馈数据。虽然该系统复杂度高、实用性强， 且使用方法也非常复杂，需要对员工进行大量的培训，显著增加了生产成本。 W e n c o 国际采矿系统有限公司开发了另一种自动化信息系统一车辆控制系统，能够 直接从采矿现场收集活动、地点、时间和生产数据等信息1 1 , 4 1 。该系统可以同时控制几个 采矿活动，并能直接连接到现场和非现场的一个M SS Q LS e r v e r 数据库操作系统 一W e n c o D B 系统1 5 】。W e n c o 控制系统能够采用数据库管理系统 D B M S 生成定制的现 场报告，也可以和其他报告系统连接。类似A P S 公司的产品，W e n c o 公司的监测系统 非常适合较大的表面矿井，但系统的应用需要大量的员工培训。 在煤矿作业中采用监控系统可以显著提高生产力1 4 , 6 1 。在研究卡车和铲车等设备的生 产效率时，应该准确测定周期时间、装载时间、卸货时间、空闲时问、故障、延迟时问、 移位变化、车辆保养以及卡车位置等参数。然而先前研究没有针对煤矿现场数据采集提 出一个假设模型或方法。先前研究建议使用市面上现有的各类信息系统如A M S K A N 、 D I S P A T C H 和P M C S 3 0 0 0 1 7 1 。 许多大型露天采矿公司实现了各种自动化数据采集系统。例如，位于西澳大利亚的 F i m i s t o n 金矿已经于1 9 9 7 年开发并使用了自己的露天采矿报告系统【8 】，这个系统由多个 数据采集子系统组成，分别应用于采矿的不同阶段。工作原理是基于一个连接到不同数 据采集子系统的本地O r a c l e 数据库。但是，目前尚不确定该系统是否可以直接用于周期 和延迟监控。现代露天矿场多采用各种数据库引擎如M SA c c e s s 、O r a c l e 和M SS Q L 服 务器来实时存储作业现场数据【，】。但仍然有一些技术不太发达的矿场采用表格和纸质报 告。 现如今，诸如V I M S 重要信息管理系统 、A P S 自动定位系统 以及车辆控制 系统等数据采集系统多用于设备数据管理。这三个系统都可用于收集、挖掘、分析和报 告数据。但是，现有的数据采集系统将客户限制于使用既有的数据分析和报告功能，降 2 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 低了进一步数据分析和定制报告等弹性特征{ l 】。采矿公司可以定制数据采集系统以适应 其具体需求。 由B o g u n o v i c 公司开发的综合生产管理系统 I P M S 能够管理露天开采环境中的各 种数据。最初此设计的目的是旨在创建一个数据库系统，管理多个设备的产量、能源消 耗和二氧化碳排放等数据。但是，该设备所需要的一些数据基于纸质媒介，并且需要手 动输入。综合生产管理系统的目标是近乎实时地生成数据报告，这样有利于提高管理决 策【s 】。然而，开发定制技术不仅有助于自动数据采集以及作业现场数据的直接传输，而 且能够与现有的数据管理系统 即I P M S 兼容。开发信息技术 I T 解决方案可以处 理新的和现有信息系统之间的不同点。定制的数据管理系统能够以更加集中和交互的方 式实现信息共享，这种方式也称为信息系统业务流程。然而，现有系统需要进行标准化， 实现更加用户友好的信息访问【加】。 定制自动数据采集系统通常比现有生产监控系统效率更高。定制自动数据采集系统 允许用户根据特定公司的商业模式进行修改和调整，产生更有效的结果。此终，开发工 作也会主要集中在开发满足矿井实时需要的系统。定制自动数据采集系统不仅投资成本 较低，而且具有用户友好的优势。 1 ．3 研究的主要内容 本研究开发和实现的自动化信息系统 A I S 能够从运载卡车收集生产数据，并通 过无线网络 W L A N 将现场数据实时传输到位于办公室环境的中央服务器。数据收集 包括装载和卸货时间、运输时间、运输距离、设备位置、材料说明、卸货位置、负载计 数、延迟时间、作业小时数和司机工号。并且自动化信息系统 A I S 与I P M S 设备兼 容，实现数据互换和共享。 该研究的目标如下 通过无线网络建立卡车、铲车以及远程服务器之间的通信。 开发一个软件应用程序收集卡车的作业记录，包括装载时间、卸货时间，运输时间、 运输距离、装载位置和卸货位置。 开发软件应用程序识别正常作业的延时和延时类别。 为铲车和卡车作业员开发用户友好的前端接口。 选择并集成计算机硬件，例如触摸屏显示器、便携式计算机、G P S 天线、无线调制 解调器P C 卡以及无线电天线。所有的硬件必须安全地安装在卡车和铲车上。 与现有的I P M S 之间建立通信，并且必须能够实时同步数据。 可靠的数据传输路由可以避免现场数据损坏，对整个行业来说至关重要。数据路由 的不稳定性可能会导致数据丢失，自动化数据采集系统和数据库管理系统之间的数据交 万方数据 露天煤矿自动卜车数据采集系统设计与实现 互依赖于一个可靠的无线网络。无论设备在矿场的任何位置，也必须能够和中央服务器 相互通信。但是一些突发事件可能会破坏作业现场的网络组件，然而网络管理员对这些 事件不具有完全的控制权。在露天矿场，无线网络组件很容易受天气、电源故障或硬件 损坏等事件的影响。在突发事件存在的情况下，自动化数据采集系统还应包含本地数据 存储功能。本设计不包括现有的采矿技术，如安全警报系统和轮胎压力传感器等。然而， 这些技术可以用作本设计的扩展。 沦文章节划分 第1 章简要介绍了露天开采作业所采用的不同信息技术 I T 和信息系统 I S 。 这些技术旨在提高卡车和挖土机的生产效率。本章还阐述r 采用新技术提高控制没备和 操作员效率的重要性。本章重点阐述定制A J S 的发展，及其用于卡车周期和延迟数据采 集所面临的问题，同时介绍了卡车数据采集领域的先前研究。最后，明确了本研究的工 作范围。 第2 章提出了自动化数据采集系统的实现方案。提出了一个定制化软件开发方法， 实现了卡车作业周期和延迟报告的无纸化。开发方法分为设计、开发、测试和集成几个 阶段。此外，本章还介绍了信息技术开发的技术要求，这些要求包括软件以及硬件构件。 第3 章介绍了自动化数据采集系统的应用。本章还介绍了卡车系统应用和装载机系 统应用的图形用户界面。简要介绍了露天煤矿以及开采方法和设备。此外，本章还给出 了一些实时数据同步的样本数据。 最后，第4 章简要总结了本研究的主要内容。此外，本章简要介绍了露天煤矿定制 化信息系统的后续研究及展望。 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 系统需求分析 2 ．1 简介 本研究目标是为露天煤矿开采开发一个卡车自动数据采集系统，设计基于对山西省 某煤矿的实地考察。该设计是一个定制的系统，满足露天煤矿的作业模式。该系统集成 了数据流、命名规则、各种代码以及其他常用数据处理细节。 2 ．2 卡车数据采集技术 本设计所采用的方法是受I P M S 系统的启发，该系统已经成功部署并应用于露天煤 矿环境。I P M S 的扩展使无纸化卡车生产报告成为现实，能够通过现场无线网络实时完 成数据收集和数据库同步⋯】。数据编辑、数据管理和分析仍然是I P M S 的主要任务。将 本设计和I P M S 系统相结合能够采集到准确和最新的作业数据。将采集的数据进行整合 和转换，为管理决策提供有效信息。图2 ．1 所示为原始数据的转换过程。 现场办公环境现场 原始数据匿黪数据分析 纛矧一息霆姒 潮 行动 l T C P A D C S I P M S 数据分析工具 I P M S 播报工具决策制定管理 图2 ．I 原始数据转换过程 F i g ．2 ．1 R a wD a t aT r a n s f o r mP r o c e s s 自动化数据采集系统的开发主要分为四个阶段设计、开发，测试和集成。每个阶 段都包含多个研究任务，如图2 ．2 所示。 万方数据 露天煤矿I 。| 动卡0 i 数据采集系统设计’‘j 实现 j i | u 任务 _ 。 j 一_ _ - 阶段、。_ 『 数据采集 数据结构 ● I M P S 数据库 墼脊 系统语言选择 硬件选择 ； i i ● 卡车应用 ； ／ 生产周期和 ／’ S Q L 服务器数据库 ／ 数据延迟 ， T D u cf W i n d o w s 应用 ● S Q LC E 数据 ⋯～ ≯ 库 V B ．N E T 7 ／i ；5 ．．慧A l T D T n ／几 ／ ’ j ．- ～ 用户界面 u 1 墼曩 i j ‘j 善誊．浮 ● 数据分析工具 ● 土 ● 装载机／铲 车应用 窘敕寓旦簪柙乏嫁 材料描述 ／U 芷，日日七t 刀i 习b 数据； ● S O LC E 数据 分析工具} 库 } 数据l 囊毒蔓i o 。。．攮萤互具 ￡i‘、。“一 堕婆 在实际露天煤矿环境进行验证 蓬鑫 在露天煤矿环境部署自动卡乍数据采集系统 图2 ．2自动卡车数据采集系统的开发流程 F i g ．2 ．2D e v e l o p m e n tF l o wf o rA T D A S 6 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 ．3 实现要求 将现有的信息系统集成到新的信息系统时，数据兼容性始终是首要考虑的问题。因 而，自动化数据采集系统的主要数据结构应该和I P M S 环境的数据结构是相同的。I P M S 环境数据结构的构件是基于M SS Q L 服务器数据库引擎，所以自动化数据采集系统也应 该采用相同的机制。如果两个设计相互不兼容，则数据会被隔离在两个独立重复的数据 库【1 2 ，1 3 J 。在实现自动化数据采集系统和I P M S 之间数据互换的过程中，必须保证两个数 据模型共享相同的表名、主键 P K 、外键 F K 和数据类型。为了避免不同的以及 毫无意义的数据积累，实现过程中应该加强原始数据、过滤和动态集成的处理。 2 ．4 硬件要求 自动化数据采集系统的硬件选取基于目的、大小、灵活性和耐久性等因素。在自动 化数据采集系统和I P M S 的集成过程中，硬件构件分为两类设备硬件和非设备硬件。 非设备硬件包括局域网 L A N 、无线网络 W L A N 、服务器，调制解调器、路 由器以及其他有源和无源网络构件【1 4 】。大多数网络构件位于办公室环境，如图2 ．3 所 示。一些网络构件遍布矿区，比如无线接收器和转发器。本设计中自动化数据采集系统 的集成需要使用矿区中的整个W L A N 。此外，采用永久和集中式服务器以及主数据库管 理系统 如M SS Q LM a n a g e m e n tS t u d i o 用于信息系统的数据库管理。 本地服务器网络服务器 图2 ．3 办公室环境硬件要求 F i g ．2 ．3 O f f i c eE n v i r o n m e n tH a r d w a r eR e q u i r e m e n t 万方数据 嚣火煤矿I 匀动卡年数捌浆集系统设计’j 实现 设备硬件是指集成到采矿设备 例如卡车和装载机 的无源和有源的电脑构件。该 构件集成类似于一个办公室环境 例如计算机、调制解调器和接收器 。本研究项目设 计和开发阶段 第一阶段和第二阶段 需要安装硬件无线通信、G P S 信号读取、数据存 储和最终用户交互界面，如图2 ．4 所示。因而，现场设备的硬件构件主要有便携式触 摸屏电脑 也可以作为远程服务器 ，G P S 接收机，无线电发射天线，W L A NP C 调制 解调器以及其他被动计算机构件。 图2 ．4 设备环境硬件要求 F i g ．2 ．4E q u i p m e n tE n v i r o n m e n tH a r d w a r eR e q u i r e m e n t 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 ．4 ．1 便携计算机 设备的机载计算机必须包括触摸屏显示器，使用M SW i n d o w s 作为操作系统 O S ， 具有P C 无线调制解调器和无线电天线的兼容性以及抗振动。 松下公司的T o u g h b o o k s 便携式计算机配有10 ．4 英寸的触摸屏，具有高耐用性，如 图2 ．5 所示。非常适合用于用户和自动化数据采集系统之间的互动。 图2 ．5 松下T o u g h b o o k s 便携式计算机 F i g ．2 ．5T o u g h b o o k sP o r t a b l eC o m p u t e r 2 ．4 ．2G P S 接收器 对于本研究而言，定位精度不是首要考虑的问题。因而采用低精度和高灵敏度的 G P S 接收机不仅更加实用，而且降低了开发成本。自动化数据采集系统需要一个能够读 取多个格式G P S 信息的接收器。G P S 接收器的集成能够使得信息系统获取例如经度、 纬度、海拔和地面速度等信息I ”，1 6 】。G a r m i nG P Sl8U S B 接收器配备有一个磁性基底结 构，能够很好的附着到移动装置上，如图2 ．6 所示。 图2 ．6G P S 接收器 F i g ．2 ．6 G P SR e c e r i v e r 万方数据 露天煤矿自动卜1 数据采集系统设计’I 实J | I J d 便携式电脑没有配备R S 一2 3 2 串行端口，因此自动化数据采集系统需要一个支持 U S B 接口的G P S 接收机。G a r m i nG P S18U S B 接收器支持标准的U S B 2 ．0 接口。此外， 在本设计中需要一个通信端口 C O M 端口 来访问外部硬件 如G P S 接收器 。G a r m i n 公司开发了用- 2 二解决硬件不兼容问题的软件系统。该公司的G P SG A T E 客户端软件能够 创建一个“虚拟C O M 端口”，实现了G P S 接收器和自动化数据采集系统之问的交互1 1 7 1 。 2 ．4 ．3P C 调制解调器和2 ．4 G H z 无线电天线 在自动化数据采集系统中，采矿设备和办公环境之问的可靠利持续通信至关重要。 由于露天煤矿覆盖的面积广阔，矿场可以建立一个开放的无线网络。例如，J 羽，- 可以通 过M e s h 广域网 M W A N 与宽带网络进行无线通信。摩托罗拉公司开发了多种硬件可 以实现M W A N ，例如摩托罗拉M e s h 6 3 0 0 无线调制解调器- t - 1 1 8 】。此外，P C T E L 公司开 发了2 ．4G H z 的超薄无线天线，为移动和固定设备提供了很好的功能覆盖1 1 9 1