Xây dựng hệ thống giám sát hướng tới tối ưu hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ thiên
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.77 MB, 62 trang )
..
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN THỊ PHƢƠNG BẮC
Nguyễn Thị Phƣơng Bắc
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT HƢỚNG TỚI TỐI ƢU HÓA
HỆ THỐNG BỐC XÚC VẬN TẢI CỦA MỎ LỘ THIÊN
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Cơng nghệ Thơng tin
KHĨA 2017B
Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nguyễn Thị Phƣơng Bắc
XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT HƢỚNG TỚI TỐI ƢU HÓA
HỆ THỐNG BỐC XÚC VẬN TẢI CỦA MỎ LỘ THIÊN
Chuyên ngành: Công nghệ Thông tin
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Chuyên ngành Công nghệ Thông tin)
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS Phạm Quang Dũng
2. TS Lê Hồng Anh
Hà Nội - 2019
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn “Xây dựng hệ thống giám sát hƣớng tới tối ƣu
hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ thiên” là công trình nghiên cứu khoa học,
độc lập của tơi.
Đây là đề tài của luận văn Thạc sĩ ngành Công nghệ Thông tin. Kết quả
nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn này chƣa từng đƣợc cơng bố dƣới bất kỳ
hình thức nào.
Hà Nội, tháng 06 năm 2019
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Phƣơng Bắc
3
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành Luận văn thạc sĩ này trƣớc hết em xin gửi đến quý thầy cô giáo
trong Viện Công nghệ và Truyền thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận
tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập. Vốn kiến thức tiếp thu đƣợc
khơng chỉ là nền tảng cho q trình nghiên cứu mà cịn là hành trang q báu để em
bƣớc đi một cách vững chắc và tự tin.
Đặc biệt với tất cả tấm lịng mình, em xin gửi đến thầy Phạm Quang Dũng,
thầy Lê Hồng Anh, những ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận
văn này lời cảm ơn sâu sắc nhất.
Em xin cảm ơn lãnh đạo Khoa, bộ mơn Khoa học Máy tính và các anh chị em
đồng nghiệp trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em
trong suốt quá trình học tập.
Em cũng xin chân thành cảm ơn nhóm nghiên cứu đề tài cấp bộ Mã số:
CNKK.003/19 “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý điều hành
công tác xúc bốc, vận tải nhằm nâng cao hiệu quả khai thác ở các mỏ than lộ thiên
vùng Quảng Ninh” đã giúp đỡ em trong quá trình đi khảo sát, hỗ trợ các thiết bị để
thu thập dữ liệu và những đóng góp kiến thức quý báu đã tiếp thu đƣợc trong thời
gian tham gia nghiên cứu cùng nhóm đề tài.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và tập thể lớp 2017B
CNTT, những ngƣời đã ln ở bên khích lệ và động viên em rất nhiều.
Hà nội, tháng 6 năm 2019
Học viên
Nguyễn Thị Phƣơng Bắc
4
MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..............................................5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.....................................................................................6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ...............................................................................8
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................9
CHƢƠNG 1 CÔNG TÁC BỐC XÚC VẬN TẢI Ở MỎ LỘ THIÊN ......................13
1.1 Tóm tắt ............................................................................................................13
1.2 Hiện trạng sử dụng thiết bị máy xúc ...............................................................13
1.3 Hiện trạng sử dụng thiết bị ô tô mỏ ................................................................14
1.4 Quy trình nghiệp vụ công tác bốc xúc tại mỏ lộ thiên ....................................15
1.5 Đề xuất xây dựng hệ thống giám sát điều hành ..............................................18
1.6 Kết luận chƣơng ..............................................................................................19
CHƢƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT .....................20
2.1 Phân tích hệ thống giám sát ............................................................................20
2.1.1 Mơ tả quy trình nghiệp vụ bốc xúc vận tải tại mỏ lộ thiên .....................20
2.1.2 Xác định các yêu cầu chức năng .............................................................24
2.1.3 Sơ đồ các trƣờng hợp sử dụng .................................................................25
2.1.4 Mơ hình dữ liệu của ứng dụng Transport Tracker ..................................26
2.2 Thiết kế hệ thống giám sát ..............................................................................26
2.2.1 Kiến trúc hệ thống ...................................................................................26
2.2.2 Thiết kế ứng dụng thu thập dữ liệu .........................................................28
2.2.3 Hoạt động của một chu trình ...................................................................29
2.2.4 Thiết kế dữ liệu giám sát hành trình ........................................................29
2.2.5 Thiết kế dữ liệu các chu trình vận tải ......................................................30
2.3 Triển khai hệ thống giám sát ..........................................................................32
1
2.3.1 Triển khai thiết lập cấu hình Firebase cho ứng dụng Web và iOS..........32
2.3.2 Triển khai thiết lập tích hợp bản đồ cho ứng dụng Web .........................36
2.3.3 Triển khai đồng bộ Firebase Realtime Database cho ứng dụng Web .....40
2.3.4 Triển khai đồng bộ Firebase Realtime Database cho ứng dụng iOS ......44
2.4 Kết luận chƣơng ..............................................................................................47
CHƢƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ ...............................................49
3.1 Thực nghiệm thu thập dữ liệu hành trình .......................................................49
3.1.1 Mơi trƣờng thực nghiệm..........................................................................49
3.1.2 Kết quả thực nghiệm ...............................................................................49
3.2 Thực nghiệm giám sát hành trình ...................................................................51
3.2.1 Mơi trƣờng thực nghiệm..........................................................................51
3.2.2 Kết quả thực nghiệm ...............................................................................51
3.3 Phân tích các kết quả ......................................................................................53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................57
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................58
2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
TKV:
Tập đoàn Than khoáng Sản Việt Nam
TMS:
Transport Monitoring System
TMS Open- Pit Mines
Hệ thống giám sát bốc xúc vận tải mỏ lộ thiên
CURD:
Create, Update, Read, Delete
CSDL:
Cơ sở dữ liệu
Idle:
Trạng thái nghỉ chờ
Loading:
Trạng thái chất tải, nhận tải
Loaded:
Trạng thái di chuyển có tải
Unloading:
Trạng thái dỡ tải
Empty:
Trạng thái di chuyển khơng tải
Dump:
Bãi đổ thải
Excavator:
Máy xúc
Truck:
Ơ-tơ mỏ
5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Cơng tác bốc xúc tại mỏ than Cao Sơn.....................................................14
Hình 1-2: Minh họa chu trình vận tải kín ..................................................................17
Hình 1-3: Minh họa chu trình vận tải hở ...................................................................17
Hình 2-1: Sơ đồ các trƣờng hợp sử dụng ..................................................................25
Hình 2-2: Mơ hình dữ liệu của ứng dụng Transport Tracker ....................................26
Hình 2-3 Các thành phần hệ thống giám sát bốc xúc vận tải mỏ lộ thiên ................27
Hình 2-4: Hoạt động giám sát vận tải theo thời gian thực ........................................28
Hình 2-5: Thiết kế giao diện của ứng dụng Transport Tracker ................................28
Hình 2-6: Cấu trúc dữ liệu hành trình của một chu trình vận tải ..............................30
Hình 2-7: Cấu trúc dữ liệu các chu trình vận tải .......................................................32
Hình 2-8: Bảng điều khiển của Firebase ...................................................................33
Hình 2-9: Giao diện của cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase ................................34
Hình 2-10: Giao diện thiết lập cấu hình ứng dụng iOS và Web với Firebase ..........35
Hình 2-11: Giao diện thiết lập cấu hình Google Maps API ......................................36
Hình 2-12: Giao diện lấy key API của Google Maps ...............................................38
Hình 2-13: Giao diện cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase .....................................41
Hình 2-14: Khởi tạo Firebase trong ứng dụng Transport Tracker ............................45
Hình 2-15: Chuẩn bị đọc và ghi dữ liệu vào Firebase từ ứng dụng iOS ...................46
Hình 2-16: Triển khai ghi dữ liệu vào Firebase ........................................................46
Hình 2-17: Dữ liệu đƣợc gửi lên từ ứng dụng Transport Tracker ............................47
Hình 3-1: Kết quả Firebase nhận dữ liệu hành trình .................................................49
Hình 3-2: Dữ liệu chu trình đƣợc gửi lên từ ứng dụng Transport Tracker ...............50
Hình 3-3: Giao diện màn hình giám sát vận tải ........................................................52
Hình 3-4: Dữ liệu các chu trình khởi tạo ..................................................................53
6
Hình 3-5: Thời gian và trạng thái của phƣơng tiện trong chu trình đầu ca ...............55
Hình 3-6: Thời gian và trạng thái của phƣơng tiện trong chu trình giữa ca .............56
7
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1: Tổng hợp số lƣợng máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn ............14
Bảng 1-2: Tổng hợp số lƣợng ô tô đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn ....................15
Bảng 2-1: Các thông số của một số máy xúc ............................................................21
Bảng 2-2: Các thông số của của ô tô mỏ ...................................................................22
Bảng 3-1: Tổng hợp số liệu giám sát một ca làm việc thực tế ..................................54
8
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Bốc xúc và vận tải ở mỏ than lộ thiên bao gồm một hệ thống có các phƣơng
tiện gồm máy xúc và các ơ tô mỏ hoạt động hàng ngày theo các ca sản xuất. Các
hoạt động của hệ thống bao gồm máy bốc xúc xúc vật liệu rời để chất tải lên các ô
tô, các ô tô sau khi nhận tải sẽ di chuyển đến bãi đổ thải để dỡ tải rồi quay trở lại
điểm nhận tải, công việc này đƣợc lặp đi lặp lại nhiều lần trong một ca sản xuất. Chi
phí bốc xúc vận tải bằng ô tô chiếm tới hơn 50% tổng các chi phí các khâu sản xuất
trên các mỏ than lộ thiên, vì vậy việc nghiên cứu nhằm giảm chi phí bốc xúc vận tải
là một vấn đề đã đƣợc các doanh nghiệp mỏ quan tâm. Tuy nhiên, các phƣơng tiện
bốc xúc ngày càng đa dạng về chủng loại và phong phú về số lƣợng, đặc biệt việc
quản lý và điều hành công tác bốc xúc gặp nhiều khó khăn đối với các mỏ lộ thiên
khi khai thác xuống sâu, điều kiện khai thác khó khăn hơn, tính chất cơ lý đất đá
kém ổn định hơn, cung độ vận tải lớn hơn dẫn đến thời gian bốc xúc thay đổi, tình
trạng máy xúc và ơ tơ phải chờ nhau đã làm cho năng suất giảm và chi phí khai thác
tăng. Trên thực tế các mỏ than lộ thiên nƣớc ta hiện tại vẫn áp dụng phƣơng pháp
điều hành truyền thống, chủ yếu ra quyết định theo kinh nghiệm, thiếu các phƣơng
tiện kỹ thuật hiện đại để hỗ trợ công tác điều hành. Điều này rõ ràng làm giảm hiệu
quả của hệ thống máy xúc – ô tô của mỏ, làm tăng các chi phí khai thác. Cùng với
sự phát triển của thế giới, trình độ của các nhà khoa học trong nƣớc tăng lên, bắt kịp
đƣợc các xu thế phát triển cơng nghệ đang diễn ra địi hỏi phải có hệ thống giám sát
điều hành cơng tác bốc xúc thay việc điều hành thủ công nhƣ hiện nay. Do vậy, việc
nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý điều hành công tác bốc xúc
– vận tải nhằm nâng cao hiệu quả khai thác ở các mỏ than lộ thiên vùng Quảng
Ninh là khả thi và có ý nghĩa thực tiễn rất lớn. Trƣớc thực trạng đó, đề tài “Xây
dựng hệ thống giám sát hướng tới tối ưu hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ
thiên” mà học viên lựa chọn nghiên cứu là vấn đề cấp thiết. Nó khơng chỉ mang ý
9
nghĩa về mặt khoa học trong lĩnh vực mỏ mà cịn có ý nghĩa thực tiễn trong q
trình sản xuất đối với các mỏ than lộ thiên tại Việt Nam.
2. Lịch sử nghiên cứu
Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý giám sát, điều hành hệ thống
ô tô – máy xúc trên mỏ lộ thiên phát triển khá sớm ở một số nƣớc trên thế giới. Tính
đến thời điểm hiện tại, việc quản lý điều hành máy xúc và ô tô ở một số mỏ lộ thiên
thiên lớn trên thế giới đƣợc điều hành bởi hệ thống điều hành máy xúc – xe ô tô bán
tự động, hoặc tự động hoàn toàn. Nhiều mỏ đã chuyển sang thử nghiệm hệ thống xe
ô tô không ngƣời lái với hệ thống điều hành tự động hóa hồn tồn. Xu thế phát
triển này rõ ràng là không thể đảo ngƣợc và sẽ tiếp tục phát triển mạnh trong ngành
mỏ trong tƣơng lai rất gần. Cơng trình: Kennedy [1], khẳng định bốc xúc, vận tải
bằng xe ô tô chiếm tới hơn 50% tổng các chi phí các khâu sản xuất ở hầu hết các mỏ
lộ thiên; Grabrie Rico [2], sử dụng các xe ơ tơ tải khơng ngƣời lái nhằm giảm chi
phí nhân công và nâng cao hiệu quả sản xuất; Một số nghiên cứu ngoài nƣớc [3, 4,
5, 6] tập trung vào tính tốn điều hành hệ thống ơ tơ – máy xúc và cũng đạt đƣợc
những thành công cho hệ thống nội bộ. Tuy nhiên, hạn chế của các nghiên cứu trên
là chƣa có một giải pháp tổng thể, chi phí cao cũng nhƣ khó khăn khi áp dụng nội
bộ nhƣ đã chỉ ra bởi Tan, S. [7].
Trong nƣớc, tác giả Bùi Xuân Nam [8] đã giới thiệu một phƣơng pháp lựa
chọn ô tô vận tải đất đá cho các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh. Tác giả Đoàn
Trọng Luật và nnk [9] đã giới thiệu phƣơng pháp điều khiển hoạt động của ô tô khi
phối hợp với máy xúc trong khai thác lộ thiên. Nhìn chung các nghiên cứu về
phƣơng pháp tính tốn phối hợp ơ tơ – máy xúc cho các mỏ than lộ thiên nƣớc ta đã
đƣợc các nhà nghiên cứu quan tâm từ khá lâu. Các kết quả chủ yếu tập trung vào
nghiên cứu lý thuyết các khả năng ứng dụng cho điều kiện Việt Nam, tuy nhiên do
điều kiện về kỹ thuật công nghệ nên việc triển khai thực tế còn yếu. Năm 2017,
Viện khoa học cơng nghệ mỏ đã hồn thành đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ thống
giám sát, quản lý tập trung tiêu thụ nhiên liệu các thiết bị khai thác, vận tải của mỏ
than lộ thiên vùng Quảng Ninh” [10]. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu đánh giá thực
10
trạng tiêu thụ nhiên liệu, quan lý nhiên liệu các thiết bị khai thác mỏ than lộ thiên
trong tập đoàn TKV, nghiên cứu tổng quan về hệ thống quản lý tiêu hao nhiên liệu,
đề xuất giải pháp và xây dựng hệ thống giám sát, quản lý tập trung tiêu thụ nhiên
liệu thiết bị khai thác, vận tải cho mỏ than lộ thiên. Đặc biệt, gần đây ở Việt Nam đã
có những công bố về tận dụng phần cứng định vị vệ tinh và các cảm biến đƣợc
trang bị sẵn, lập trình để tạo ra các ứng dụng cài đặt vào smartphone, làm cho
smartphone có thêm tính năng nhƣ một thiết bị mới để ứng dụng hiệu quả trong
thực tế nhƣ định vị tọa độ trong công tác trắc địa bản đồ, Trần Trung Chuyên [11].
Nghiên cứu cứu này mở ra khả năng sử dụng thiết bị smartphone trong định vị theo
dõi vị trí, trạng thái máy xúc – ơ tơ mỏ dùng trong công tác quản lý điều hành.
Google Developers [12], đã cung cấp giải pháp cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase
Realtime Database cùng với hƣớng dẫn xây dựng một hệ thống theo dõi hành trình
phƣơng tiện vận tải sử dụng các API. Mã nguồn mở của hệ thống này đƣợc công
khai và lƣu trữ trên GitHub. Ngƣời dùng có thể tải về và tùy chỉnh nó cho phù hợp
với nhu cầu của họ.
Từ những phân tích trên đây có thể nhận thấy việc ứng dụng cơng nghệ
thơng tin trong công tác điều hành giám sát công tác bốc xúc mỏ cho các mỏ lộ
thiên trên thế giới đã và đang có sự phát triển mạnh mẽ và có những ứng dụng cụ
thể và thực tiễn tại mỏ. Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin
trong quản lý điều hành công tác bốc xúc – vận tải nhằm nâng cao hiệu quả khai
thác ở các mỏ than lộ thiên là khả thi và có ý nghĩa thực tiễn rất lớn.
3. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu
- Mục đích của đề tài là nghiên cứu xây dựng đƣợc một hệ thống giám sát
hƣớng tới tối ƣu hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ thiên.
- Thu thập đƣợc dữ liệu hành trình của phƣơng tiện, thơng tin và các trạng thái
hoạt động của phƣơng tiện theo thời gian thực, dữ liệu thu thập đƣợc có thể sử dụng
để xây dựng mơ hình tối ƣu ở dạng đơn giản.
11
Đối tƣợng nghiên cứu là công tác điều hành bốc xúc vận tải ở mỏ than lộ
thiên, các thông tin liên quan đến máy xúc và ô tô mỏ, khảo sát thực tế tại mỏ than
Cao Sơn.
4. Tóm tắt các luận điểm và đóng góp mới
Hệ thống giám sát điều hành bốc xúc vận tải giúp quan sát và truy vấn các lộ
trình nhanh, đƣa ra các quyết định thích hợp trong trƣờng hợp có vấn đề xảy ra
nhằm giảm chi phí và thời gian ngừng làm việc của thiết bị xuống nhỏ nhất.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Hƣớng tiếp cận của luận văn là xuất phát từ các số liệu thực tế, kết hợp với
các cơng trình khoa học trong và ngồi nƣớc có liên quan để đƣa ra định hƣớng
nghiên cứu. Trên cơ sở phân tích, tính tốn các số liệu thực tế về công tác bốc xúc
của máy xúc - ôtô đề xuất đƣợc một hệ thống giám sát điều hành công tác bốc xúc
vận tải của mỏ than lộ thiên, tính tốn thử nghiệm và kiểm tra lại các kết quả đã đạt
đƣợc theo mơ hình đã đƣa ra. Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị cần thiết.
12
CHƢƠNG 1
CÔNG TÁC BỐC XÚC VẬN TẢI Ở MỎ LỘ THIÊN
1.1 Tóm tắt
Để ứng dụng cơng nghệ thơng tin trong quản lý điều phối công tác bốc xúc –
vận tải nhằm nâng cao hiệu quả khai thác ở các mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh
thì ngƣời kỹ thuật cần phải có những khảo sát thực tế sản xuất để hiểu đƣợc bài toán
nghiệp vụ. Nghiệp vụ điều phối, bốc xúc vận tải ở mỏ lộ thiên là một trong những
nghiệp vụ đặc thù, cần phải đầu tƣ thời gian khảo sát khơng những ở hiện trƣờng
mà cịn phải khảo sát các hồ sơ, tài liệu, phỏng vấn ngƣời nghiệp vụ cùng các bƣớc
liên quan làm cơ sở để đề xuất một hệ thống thông tin đáp ứng tốt nhất mục tiêu đặt
ra. Chƣơng này sẽ tập trung trình bày những kết quả khảo sát thực tế tại mỏ than
Cao Sơn liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài.
1.2 Hiện trạng sử dụng thiết bị máy xúc
Mỏ Cao Sơn là một trong những mỏ khai thác than lộ thiên lớn của tập đồn
than khống sản Việt Nam. Từ khi bắt đầu đi vào hoạt động, các mỏ đều đƣợc thiết
kế, trang bị thiết bị bốc xúc một gàu điều khiển xúc bằng tay gàu và cáp kéo chạy
bằng động cơ điện. Đến nay, các mỏ vẫn đang sử dụng các máy xúc tay gầu cũ và
đã bổ sung thay thế một số loại máy xúc thủy lực có dung tích gầu từ 1,512 m3 để
xúc
đất đá và than. Các máy xúc có dung tích gàu lớn (có dung tích gàu từ 3,512 m3)
thƣờng đƣợc bố trí xúc bóc đất đá, các máy xúc có dung tích gàu loại nhỏ (có dung
tích gàu từ 3,51,5 m3) thƣờng đƣợc bố trí xúc than. Cụ thể mỏ đang sử dụng thiết
bị bốc xúc nhƣ bảng sau.
13
Bảng 1-1: Tổng hợp số lƣợng máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn
STT Chủng Loại
Dung tích gầu, m3
Số lƣợng
4.6÷5.0
11
1
EKG-4; EKG-6; EKG-5A
2
EKG-8I
8.0
8
3
EKG-10
10.0
1
4
MXTLGN_PC1800-6
12.0
1
5
MXTLGN_PC750-7
3.4
2
6
MXTLGN_PC1250
6.7
4
7
MXTLGN_HITACHI_670
3.5
2
8
MXTLGN_CAT-365BL
3,2
2
Tổng
31
Chờ nhận
tải (Idle)
Chất tải
(Loading)
Hình 1-1: Cơng tác bốc xúc tại mỏ than Cao Sơn
1.3 Hiện trạng sử dụng thiết bị ô tô mỏ
Hiện tại, mỏ than Cao Sơn vẫn đang sử dụng hình thức vận tải bằng ô tô với
các loại ô tô sử dụng đƣợc thể hiện trong Bảng 1-2. Mỏ sử dụng hình thức vận tải
14
theo chu trình kín, số lƣợng ơtơ phục vụ cho một máy xúc đƣợc tính tốn cố định
phù hợp theo lý thuyết.
Bảng 1-2: Tổng hợp số lƣợng ô tô đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn
Loại máy
STT
Số lƣợng
Trọng Lƣợng (tấn)
Phân loại
1
CAT_773E
22
58
B
2
CAT_773F
10
55
B
3
CAT_777D
20
96
B
4
HD_465-7
42
58
C
5
HD_465-7R
30
58
B
6
HD_785
14
91
C
7
VOLVO_A35D
10
32.5
C
8
VOLVO_A40E
8
38
B
9
HM_400-2R
15
36.5
C
10
KAMAZ_6520
10
20
C
11
SCANIA_P340
10
28
A
Tổng
191
Việc phân loại xe A, B, C căn cứ vào thời gian sử dụng của xe để phục vụ cho
công tác điều phối ƣu tiên các xe khi tham gia sản xuất.
1.4 Quy trình nghiệp vụ cơng tác bốc xúc tại mỏ lộ thiên
Việc bốc xúc than và đất đá đƣợc tiến hành đồng thời tại nhiều vị trí khác
nhau trong mỏ và có thể trên nhiều khu vực mỏ khác nhau. Các máy xúc với dung
tích gàu xúc khác nhau đƣợc sử dụng để chất tải đất đá và than lên các xe ô tô mỏ.
Công tác vận tải đất đá từ điểm bốc xúc tới các bãi thải đƣợc hồn thành thơng qua
một mạng lƣới tuyến đƣờng hào với chiều dài và độ dốc khác nhau trong và ngoài
mỏ. Thời gian chất tải của các máy xúc phụ thuộc vào dung tích gầu xúc, mức độ
khó xúc của đất đá, và dung tích hoặc tải trọng xe ô tô. Việc các xe tải xếp hàng chờ
chất tải tại vị trí các máy xúc thƣờng xuất hiện khi thời gian chất tải thay đổi so với
15
kế hoạch, một số nguyên nhân có thể là do các xe ơ tơ có dung tích thùng xe khác
nhau đƣợc sử dụng tại mỗi máy xúc, cũng có thể do điều kiện khai thác khó khăn
nhƣ khai thác xuống sâu, tính chất cơ lý đất đá thay đổi. Ở cùng thời điểm đó cũng
có những máy xúc khác phải chờ ô tô đến để chất tải trong một thời gian dài do việc
ấn định các ô tô cho một máy xúc nằm trong chu trình vận tải kín của ca sản xuất.
Do vậy, hiệu quả của các quá trình sản xuất mỏ phụ thuộc rất lớn với việc điều hành
và kinh nghiệm của ngƣời điều hành.
Các xe ô tô đƣợc bố trí phối hợp với một máy xúc và điểm đổ thải cụ thể khi
bắt đầu mỗi ca sản xuất, việc thay đổi chu trình vận tải tuân theo sự đánh giá điều
hành tốt nhất cho từng trƣờng hợp căn cứ vào các yêu cầu về sản xuất, vị trí máy
xúc, khả năng sẵn sàng của đội xe…. Trong hệ thống này, việc ra quyết định đòi hỏi
ngƣời điều hành đứng ở vị trí chiến lƣợc trên mỏ để quan sát hoạt động và theo dõi
tình trạng thiết bị và vị trí của chúng. Hiệu quả của hệ thống dựa vào việc sử dụng
các thơng tin truyền qua tín hiệu radio và do vậy các máy xúc và xe ô tô đƣợc trang
bị các bộ đàm hai chiều để giao tiếp với trung tâm điều hành. Quyết định điều hành
đƣợc thực hiện sau khi xe tải đã đổ thải và ngƣời lái xe sẽ liên lạc với ngƣời điều
hành. Ngƣời điều hành sau đó điều chỉnh bảng điều khiển tƣơng ứng với thiết bị
trên mỏ để đƣa ra quyết định điều hành thích hợp. Ngƣời điều hành phải căn cứ vào
đánh giá cá nhân và các kinh nghiệm nghề nghiệp của anh ta tại một mỏ cụ thể để
đƣa ra quyết định điều hành của mình.
Có thể nói, việc điều hành công tác bốc xúc – vận tải trên các mỏ than lộ thiên
chủ yếu ở dạng “thủ công” theo “chu trình vận tải kín”, có nghĩa là việc ấn định các
ô tô cho máy xúc đƣợc tiến hành khi bắt đầu 1 ca sản xuất. Để thay đổi sang việc
điều hành bán tự động hoặc tự động hoàn tồn, các mỏ than lộ thiên cần có sự đổi
mới về thiết bị, công nghệ, phần mềm để chuyển sang “chu trình vận tải hở” đã
đƣợc các nghiên cứu nói trên chứng minh là hiệu quả và tiết kiệm hơn.
16
D1
T3
T2
T1
E1
Hình 1-2: Minh họa chu trình vận tải kín
Hình 1-2 mơ tả chu trình vận tải kín trên các mỏ lộ thiên. Đây là một chu trình
đƣợc tính tốn cụ thể số lƣợng máy xúc và số lƣợng ôtô phục vụ cố định cho một
máy xúc. Các ơtơ đƣợc tính tốn phục vụ theo một chu trình khép kín và hoạt động
theo chu kỳ cố định. Các ôtô (Trucks) T1, T2, T3 sau khi nhận tải tải máy xúc
(Excavators) E1 tiến hành di chuyển có tải đến bãi thải (Dumps) D1. Sau khi dỡ tải
lại quay về nhận tải tại máy xúc E1
E2
T2
T1
E1
D1
Tn
T2
T1
Hình 1-3: Minh họa chu trình vận tải hở
Hình 1-3 mơ tả chu trình vận tải hở trên mỏ lộ thiên là chu trình linh hoạt hơn,
cho phép các ôtô chọn các máy xúc gần nhất mà không phải chờ đợi thiết bị. Hay
17
nói cách khác, chu trình vận tải hở trên mỏ lộ thiên không giới hạn số lƣợng thiết bị
ôtô phục vụ cho một máy xúc, số ôtô phục vụ cho một máy xúc là khơng cố định.
Ơtơ T1 và T2 sau khi nhận tải tại máy xúc E1 và E2, tiến hành di chuyển đến
bãi thải D1 sau đó di chuyển không tải quay lại. Lúc này tại ôtô T1 hoặc T2, lái xe
nhận lệnh có thể di chuyển đến máy xúc E1 hoặc E2 theo điều phối để tránh đƣợc
ôtô đến sau phải đứng chờ làm giảm thời gian chết của thiết bị vì nó gây ảnh hƣởng
trực tiếp đến hiệu quả làm việc của ôtô cũng nhƣ hiệu quả của máy xúc.
1.5 Đề xuất xây dựng hệ thống giám sát điều hành
Từ thực tế khảo sát đƣợc ở mỏ than Cao Sơn và các nghiên cứu đƣợc công bố
gần đây, tác giả đề xuất giải pháp xây dựng một hệ thống giám sát điều hành công
tác bốc xúc vận tải ở mỏ than lộ thiên với mô tả nhƣ sau:
a) Hệ thống phần mềm
-
Xây dựng một ứng dụng trên thiết bị di động gắn trên các phƣơng tiện để
xác định vị trí của phƣơng tiện và gửi dữ liệu hành trình tới cơ sở dữ liệu
thời gian thực Firebase, đồng thời lái xe cũng có thể tƣơng tác với hệ thống
để gửi dữ liệu trạng thái của phƣơng tiện.
-
Xây dựng một ứng dụng web tích hợp bản đồ có thể đồng bộ với dữ liệu
thời gian thực của Firebase để hiển thị vị trí các phƣơng tiện và các thông
tin hỗ trợ ra quyết định cho ngƣời điều hành.
b) Phần cứng
-
Thiết bị smartphone gắn trên các phƣơng tiện máy xúc và ô tô
-
Hệ thống mạng truyền thông
Với hệ thống này, ngƣời điều hành có thể giám sát hoạt động bốc xúc vận tải
của mỏ lộ thiên theo thời gian thực ở bất kỳ đâu có kết nối mạng với hệ thống bằng
cách quan sát trực tiếp trên màn hình máy tính hoặc màn hình của điện thoại thơng
minh hay máy tính bảng. Dữ liệu nhận đƣợc từ ứng dụng di động có thể sử dụng
cho bài tốn tối ƣu để hỗ trợ tốt hơn cho ngƣời điều hành.
18
1.6 Kết luận chƣơng
Ở hệ thống hiện tại về cơ bản thì ngƣời điều hành sẽ phải đứng ở vị trí chiến
lƣợc để quan sát hoạt động bốc xúc vận tải ở mỏ để điều phối; lái xe và ngƣời điều
phối liên lạc với nhau qua bộ đàm; để điều phối hoạt động thì ngƣời điều hành
thƣờng căn cứ vào kinh nghiệm nghề nghiệp; chƣa áp dụng đƣợc chu trình vận tải
hở. Qua đó, tác giả đã đề xuất xây dựng một hệ thống giám sát để giúp cho ngƣời
điều phối quan sát hoạt động của phƣơng tiện mọi lúc, mọi nơi trên màn hình máy
tính mà khơng cần nhất thiết phải đứng ở vị trí chiến lƣợc. Dữ liệu thu thập đƣợc sẽ
làm cơ sở cho bài toán tối ƣu trong vận tải ở mỏ nhằm áp dụng đƣợc chu trình vận
tải hở.
19
CHƢƠNG 2
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT
2.1 Phân tích hệ thống giám sát
Hệ thống giám sát bốc xúc vận tải mỏ lộ thiên (TMS Open-Pit Mines) sẽ là
một hệ thống tích hợp gồm hệ truyền thơng, hệ thông tin quản lý, hệ trợ giúp điều
hành và hệ trợ giúp quyết định. Hệ thống sẽ đƣợc xây dựng nhằm hƣớng tới tối ƣu
hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ thiên để có thể điều hành theo chu trình vận
tải hở thay vì chu trình vận tải kín. Điều kiện khởi tạo ban đầu sẽ đƣợc thiết lập theo
kế hoạch vận tải của chu trình vận tải kín để làm dữ liệu đầu vào cho bài tốn tối ƣu
cũng nhƣ khơng làm thay đổi các hoạt động điều hành truyền thống ở các mỏ lộ
thiên hiện nay. Bài tốn tối ƣu sẽ thực hiện khi có dữ liệu thay đổi, các thay đổi tác
động đến mô hình tối ƣu bao gồm: (1) trạng thái phƣơng tiện thay đổi (lái xe tƣơng
tác với phần mềm); (2) thời gian cho một trạng thái thay đổi theo thực tế (lái xe
tƣơng tác với phần mềm); (3) vị trí phƣơng tiện thay đổi khi phƣơng tiện di chuyển
(phần mềm tự xác định vị trí phƣơng tiện); (4) cung đƣờng trong chu trình thay đổi
theo lộ trình thực tế của phƣơng tiện (theo dữ liệu hành trình); (5) ơ tơ thay đổi
trong mỗi chu trình khi lời giải tối ƣu đƣợc chấp nhận (ngƣời điều hành tƣơng tác).
Bên cạnh đó, các dữ liệu ít thay đổi bao gồm số lƣợng máy xúc và ô tô kèm theo các
thông số cơ bản của chúng sẽ dùng cho bài tốn tối ƣu.
2.1.1 Mơ tả quy trình nghiệp vụ bốc xúc vận tải tại mỏ lộ thiên
a) Một số tác nhân và thuật ngữ của hệ thống
Máy xúc (Excavator) là một loại máy đào một gầu, dùng một cơ cấu tay cần
gắn liền với gầu đào, thực hiện thao tác đào, xúc, múc, đổ đất đá rời hay liền thổ và
các loại khoáng sản, vật liệu rời. Các thông số của một số máy xúc ảnh hƣởng trực
tiếp đến mơ hình tối ƣu thể hiện ở Bảng 2-1.
20
Ô tô mỏ hay ô tô (Truck) là một loại xe tải đƣợc sử dụng để vận chuyển vật
liệu rời dùng trong vận tải ở mỏ. Các thông số của một số ơ tơ ảnh hƣởng trực tiếp
đến mơ hình tối ƣu thể hiện ở Bảng 2-2.
Ngƣời giám sát điều hành (Supervisor) là ngƣời quan sát hoạt động bốc xúc và
vận tải tại mỏ, lập kế hoạch cho hoạt động bốc xúc và vận tải, điều hành hệ thống.
Ngƣời điều khiển phƣơng tiện hay lái xe (Driver) là ngƣời điều khiển máy xúc
hoặc ô tô mỏ theo một cung đƣờng cho trƣớc, mỗi lái xe điều khiển một phƣơng
tiện, lái xe có thể thay đổi phƣơng tiện theo sự phân công của ngƣời điều hành.
Phƣơng tiện (Vehicle) là thuật ngữ dùng chung cho máy xúc và ô tô mỏ tại các
mỏ than lộ thiên.
Điểm nhận tải (Load) là nơi ô tô mỏ nhận đất đá từ máy xúc để bắt đầu hoặc
kết thúc một chu trình vận tải. Vị trí điểm nhận tải của một ô tô mỏ trùng với vị trí
của máy xúc tƣơng ứng.
Điểm dỡ tải (Unload) là nơi ô tô mỏ đổ đất đá nằm trong chu trình vận tải. Vị
trí điểm dỡ tải của một ơ tơ mỏ ở giữa chu trình vận tải.
Chu trình vận tải (Cycle) là tập hợp các cung đƣờng di chuyển của phƣơng
tiện từ điểm nhận tải đến điểm dỡ tải và quay lại điểm nhận tải. Chi phí vận tải trên
một cung đƣờng đƣợc tính tốn khá phức tạp, địi hỏi phải có chun mơn nghiệp
vụ. Tuy nhiên, chi phí cho mỗi chu trình là chi phí trung bình của các cung đƣờng,
chi phí chu trình vận tải là một giá trị thƣờng đƣợc sử dụng cho bài toán tối ƣu hóa.
Bảng 2-1: Các thơng số của một số máy xúc
Loại máy xúc
Các trạng thái (Status)
Thời gian TB (giây)/ gàu
EKG-8I
0. Không hoạt động (Offline)
--
(8 m3)
1. Chất tải (Loading)
30
2. Nghỉ (Idle)
--
0. Không hoạt động (Offline)
--
EKG-10
21
(10 m3)
1. Chất tải (Loading)
25
2. Nghỉ (Idle)
--
PC1250
0. Không hoạt động (Offline)
--
(6.7 m3)
1. Chất tải (Loading)
40
2. Nghỉ (Idle)
--
Bảng 2-2: Các thông số của của ô tô mỏ
Loại ô tô
Các trạng thái (Status)
Thời gian TB
Vận tốc TB
(giây)
(m/s)
CAT-773E 0. Không hoạt động (Offline)
Theo thực tế
--
(58 tấn)
1. Nhận tải (Loading)
Theo thực tế
--
2. Di chuyển có tải (Loaded)
Theo thực tế
7 (25km/h)
3. Dỡ tải (Unloading)
Theo thực tế
--
4. Di chuyển không tải (Empty)
Theo thực tế
10 (35km/h)
5. Nghỉ (Idle).
Theo thực tế
--
CAT-773F 0. Không hoạt động (Offline)
Theo thực tế
--
(55 tấn)
1. Nhận tải (Loading)
Theo thực tế
--
2. Di chuyển có tải (Loaded)
Theo thực tế
7 (25km/h)
3. Dỡ tải (Unloading)
Theo thực tế
--
4. Di chuyển không tải (Empty)
Theo thực tế
10 (35km/h)
5. Nghỉ (Idle).
Theo thực tế
--
CAT-777D 0. Không hoạt động (Offline)
Theo thực tế
--
(96 tấn)
1. Nhận tải (Loading)
Theo thực tế
--
2. Di chuyển có tải (Loaded)
Theo thực tế
6 (20km/h)
3. Dỡ tải (Unloading)
Theo thực tế
--
4. Di chuyển không tải (Empty)
Theo thực tế
8 (30km/h)
5. Nghỉ (Idle).
Theo thực tế
--
b) Xây dựng quy trình nghiệp vụ theo hệ thống
22
Bắt đầu một ca làm việc (Shift), lái xe sẽ khởi động ứng dụng Transport
Tracker, ứng dụng sẽ kết nối với cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase để lấy thông
tin xe, loại xe và hiển thị theo biển số xe để lái xe chọn. Mặc định của ứng dụng sẽ
tạo mới ca làm việc, tuy nhiên ứng dụng cũng sẽ cho phép tài xế chọn một ca làm
việc trƣớc đó. Việc chọn ca làm việc để hệ thống dễ quản lý và phân loại các chu
trình theo ca sản xuất, giúp cho ngƣời điều hành quan sát hoạt động của phƣơng tiện
đƣợc dễ dàng. Lái xe sẽ nhấn nút Bắt đầu hoạt động để ứng dụng sẽ bắt đầu làm
việc. Ứng dụng sau đó sẽ tự chuyển sang trạng thái nghỉ để chờ chất tải (đối với
máy xúc) hoặc chờ nhận tải (đối với ơ tơ), nếu có ô tô đang ở trạng thái nghỉ để chờ
nhận tải thì ngƣời lái máy xúc sẽ nhấn nút chuyển sang các trạng thái chất tải với
các trạng thái cụ thể 123 (Bảng 2-1) và lặp lại cho đến khi ô tô nhận tải đủ,
ngƣời lái ô tô cũng sẽ nhấn nút chuyển sang trạng thái nhận tải, khi ô tô nhận tải đủ
thì ngƣời lái ơ tơ nhấn nút chuyển sang trạng thái di chuyển có tải, ngƣời lái máy
xúc cũng sẽ nhấn nút chuyển trạng thái nghỉ để chờ chất tải.
Thời gian di chuyển có tải của ơ tơ phụ thuộc vào thực tế, khi đến điểm dỡ tải
thì lái xe ô tô nhấn nút chuyển sang trạng thái dỡ tải, khi dỡ tải xong thì lái xe ơ tô
nhấn nút chuyển sang trạng thái di chuyển không tải để về lại điểm nhận tải và kết
thúc một chu trình vận tải, lúc này lái xe ơ tơ nhấn nút chuyển sang trạng thái chờ
nhận tải để bắt đầu một chu trình mới. Dữ liệu cập nhật cho bài toán tối ƣu trong
trƣờng hợp này chủ yếu phụ thuộc vào thời gian chờ của mỗi ô tô và máy xúc.
Chiều dài của chu trình vận tải sẽ đƣợc xác định theo dữ liệu hành trình trung
bình thực tế của các phƣơng tiện khi chúng thực hiện chu trình đầu tiên trong ca làm
việc. Dữ liệu cập nhật cho bài toán tối ƣu trong trƣờng hợp này là dữ liệu chiều dài
chu trình vận tải thực tế.
Các trƣờng hợp phát sinh trong ca làm việc ảnh hƣởng lớn đến bài toán tối ƣu
bao gồm (1) máy xúc chuyển sang trạng thái không hoạt động trong khi các ô tô vẫn
đang hoạt động (ngƣời điều khiển máy xúc tƣơng tác với phần mềm); (2) ô tô
chuyển sang trạng thái không hoạt động (lái xe tƣơng tác với phần mềm); (3) thời
gian bắt đầu ca làm việc (nhiều xe ở trạng thái chờ lâu).
23
