本發(fā)明涉及智慧礦山領(lǐng)域，尤其涉及一種露天礦卡車智能調(diào)度方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大型露天礦山開采工藝通常包括穿爆、采裝、運輸、排卸等四個步驟。其中，采裝在裝載點處進行，采裝設(shè)備為鏟車，一臺鏟車同一時間只能為單輛礦卡采裝，采裝物料包括礦石和廢土；運輸工具為礦卡，根據(jù)單次運輸?shù)奈锪项愋头譃檩d礦礦卡和載土礦卡，同一礦區(qū)的礦卡核載重量一般有很多種；排卸在卸載點進行，卸載點分為卸礦區(qū)和排土點兩種類型，排土點通常為單入口，礦卡按照到達順序逐一排卸，卸礦區(qū)一般為破碎站或配礦中轉(zhuǎn)站，通常也為單入口。礦卡裝載完成后需要為其指定卸載點，稱為重車調(diào)度；礦卡卸載完成后需要為其指定裝載點，稱為空車調(diào)度，調(diào)度的目的在于提高作業(yè)效率、降低作業(yè)成本。

通過人工依靠經(jīng)驗對礦卡進行調(diào)度過于繁瑣且效率低下，在計算機技術(shù)迅速發(fā)展的今天，智能調(diào)度可以在節(jié)省運輸成本的同時提高運輸效率、降低人工成本。現(xiàn)有智能調(diào)度算法通常為兩階段調(diào)度，第一階段稱為車流規(guī)劃，根據(jù)礦山作業(yè)計劃確定本班次內(nèi)每條路徑的目標(biāo)流率，單位為噸/小時(t/h)；第二階段稱為實時調(diào)度，根據(jù)礦山動態(tài)作業(yè)情況對礦卡進行任務(wù)分配，以達到預(yù)期的作業(yè)目標(biāo)。

目前的露天礦卡車調(diào)度多集中于系統(tǒng)平臺的搭建，而對核心調(diào)度算法的研究較少；目前已有部分礦場為提高運輸作業(yè)效率、減少礦卡等待時間，將卸礦區(qū)設(shè)置為多入口，多臺礦卡可同時卸載，但尚無考慮此類卸礦區(qū)的露天礦卡車智能調(diào)度方法；現(xiàn)有的露天礦卡車調(diào)度模型多根據(jù)單一目標(biāo)進行調(diào)度，與上層車流規(guī)劃結(jié)果耦合性較差，并且在進行調(diào)度決策時沒有考慮已調(diào)度車輛以及目的地設(shè)備工作狀態(tài)變化帶來的影響。因為以上原因，現(xiàn)有露天礦卡車智能調(diào)度算法適用場景單一，可擴展性差，難以滿足動態(tài)變化的最優(yōu)調(diào)度需求。

目前已有關(guān)于露天礦卡車智能調(diào)度的相關(guān)技術(shù)與專利，例如：公開號為cn110053573a，cn108109368a，cn103164782b的專利關(guān)注于露天礦卡車調(diào)度系統(tǒng)平臺架構(gòu)；公開號為cn109190835a的專利中通過時間窗約束進行礦卡作業(yè)調(diào)度，但其所建模型只能針對同質(zhì)車隊進行調(diào)度，并且沒有考慮實時調(diào)度模型與上層規(guī)劃結(jié)果的耦合性，不利于階段性目標(biāo)的完成和礦山整體作業(yè)規(guī)劃。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于考慮包含多入口卸礦區(qū)的露天礦山，提供一種露天礦卡車智能調(diào)度方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有露天礦卡車調(diào)度方法調(diào)度預(yù)測不準(zhǔn)確、運輸效率低下的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：一種露天礦卡車智能調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟1，針對滿載礦卡或空載礦卡可調(diào)度的每一個卸載點或裝載點，計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)a或子目標(biāo)c；

步驟2，計算當(dāng)前狀態(tài)下每條路徑的欠車時間或每臺電鏟的目標(biāo)產(chǎn)量完成度，作為子目標(biāo)b或子目標(biāo)d；

步驟3，根據(jù)子目標(biāo)a和子目標(biāo)b或者子目標(biāo)c和子目標(biāo)d構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立重車或空車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令供相應(yīng)礦卡執(zhí)行。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟1中針對滿載礦卡計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)a的具體步驟如下：

步驟11，預(yù)測裝載中的待調(diào)度礦卡到達卸載點i的時間，公式如下：

其中，trj為待調(diào)度礦卡的剩余裝載時間，dji為裝載點j與卸載點i之間的最短路徑距離，vkl為待調(diào)度礦卡k的滿載行駛速度；

步驟12，對路網(wǎng)中每一輛以i為目的卸載點的任務(wù)中礦卡k’到達卸載點i的時間進行預(yù)測，公式為：

其中，tnow為當(dāng)前時刻，dk′i為礦卡k’到達卸載點i的剩余行駛距離，vk′l為礦卡k′的滿載行駛速度；tk″i為目前破碎站i處卸載中礦卡的實際到達時間；

步驟13，{tki,tk′i,tk″i}為上述三類礦卡的到達時間或預(yù)期到達時間集合，將其中元素按時間先后進行排序為{t1,t2,…,tm,…}，其中待調(diào)度礦卡預(yù)期到達時間為tm，接下來根據(jù)此序列以及卸載規(guī)則迭代計算序列中每一輛礦卡的預(yù)期等待時間或?qū)嶋H等待時間{w1,w2,…,wm,…}，進而得到將待調(diào)度礦卡派往每個卸載點的預(yù)期等待時間wkji并作為調(diào)度子目標(biāo)a，其中卸載規(guī)則分為破碎站卸載規(guī)則和排土點卸載規(guī)則兩種。

作為本發(fā)明的進一步改進，當(dāng)待調(diào)度礦卡為載礦礦卡，所述步驟13中的卸載規(guī)則為破碎站卸載規(guī)則，破碎站卸載規(guī)則具體為：3個入口中，入口i1供大容量礦卡卸載，入口i2、i3供小容量礦卡卸載；大容量入口和小容量入口不得同時卸載；若2臺小容量礦卡相繼到達，則2個小容量入口可同時卸載，對于序列中的某臺礦卡n，若其和上一輛礦卡為異質(zhì)礦卡，則其預(yù)期等待時間與上一臺礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wg＝max(tn-1+wn-1+td,n-1-tn,0)

其中td,n-1為序列中第n-1輛礦卡的卸載時間；若其和上一輛礦卡為同質(zhì)大容量礦卡，則其預(yù)期等待時間同上；若其和上一輛礦卡為同質(zhì)小容量礦卡，則其等待時間與序列中第n-2輛礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wg＝max(tn-2+wn-2+td,n-2-tn,0)

由此迭代得到待調(diào)度載礦礦卡k派往卸礦區(qū)i的預(yù)期等待時間wkji＝wm，同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他卸礦區(qū)i∈i的預(yù)期等待時間；

當(dāng)待調(diào)度礦卡為載土礦卡，所述步驟13中的卸載規(guī)則為排土點卸載規(guī)則，對于序列中的某臺礦卡n，其預(yù)期等待時間與第n-1輛礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wn＝max(tn-1+wn-1+td,n-1-tn,0)

迭代計算序列中礦卡的預(yù)期等待時間，可得到待調(diào)度載土礦卡k派往排土點i的預(yù)期等待時間wkji＝wm，同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他排土點i∈i的預(yù)期等待時間。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2中計算每條路徑的欠車時間，作為子目標(biāo)b的具體步驟如下：

步驟21，對礦卡可指派路徑j(luò)i的欠車時間進行計算并作為調(diào)度子目標(biāo)b，計算公式為：

其中tjil為路徑j(luò)i上一次的派車時間，cjil為路徑j(luò)i上一次派車的礦卡容量(t)，pji為路徑j(luò)i的目標(biāo)流率(t/h)。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟3中根據(jù)子目標(biāo)a和b構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立重車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的具體步驟如下：

步驟31，首先得到2個子目標(biāo)函數(shù)，分別為：

2個目標(biāo)函數(shù)具有不同的量綱和量綱單位，為了消除指標(biāo)間的量綱影響，需要進行數(shù)據(jù)歸一化處理，采取常用的min-max歸一化方法，對兩個子目標(biāo)函數(shù)進行歸一化處理得到公式如下：

其中，famin,fbmin分別為fa,fb可達到的最小值，famax,fbmax分別為fa,fb可達到的最大值；

步驟32，通過以下公式進行優(yōu)化：

式中，pa,pb為子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實際作業(yè)情況進行設(shè)置；xkji為表示調(diào)度決策的二進制變量，若將電鏟j處的待調(diào)度礦卡k派往卸載點i，則xkji＝1，否則xkji＝0；i,j,k分別為卸載點集、電鏟集、礦卡集；i′,j′,k′分別為故障破碎站集、故障電鏟集、故障礦卡集；

步驟33，求解上述模型得到優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成調(diào)度指令，供待調(diào)度礦卡執(zhí)行。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟1中針對空載礦卡計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)c的具體步驟如下：

步驟14，對卸載中的待調(diào)度礦卡進行到達裝載點j的時間進行預(yù)測，公式如下：

其中，tri為待調(diào)度礦卡的剩余卸載時間，dij為裝載點j與卸載點i之間的最短路徑距離，dij不一定等于dji，vku為待調(diào)度礦卡k的空載行駛速度；

步驟15，對路網(wǎng)中每一輛以j為目的裝載點的任務(wù)中礦卡k’到達裝載點i的時間進行預(yù)測，公式為：

其中，tnow為當(dāng)前時刻，dk′j為礦卡k’到達裝載點j的剩余行駛距離，vk′u為礦卡k′的空載行駛速度；

步驟16，對目前裝載點處裝載中以及隊列中礦卡的剩余裝載時間進行計算，公式如下：δtrj＝δting+δtq；其中δting表示目前占用裝載點j的礦卡的剩余裝載時間，δtq為目前礦卡j處等待隊列中礦卡的總裝載時間；

步驟17，{tk′j,tkj}為上述兩類礦卡的預(yù)期到達時間集合，將其中元素按時間先后進行排序為{t1,t2,···,tm,···}，其中待調(diào)度礦卡預(yù)期到達時間為tm，其對應(yīng)的剩余行駛時間為{δt1,δt2,···,δtm,···}；

步驟18，計算順序集合中第一輛礦卡的預(yù)期等待時間

w1＝max(δtrj-δt1,0)

計算順序集中第二輛礦卡的預(yù)期等待時間

w2＝max(t1+w1+ts+tl,1-t2,0)

其中ts為礦卡裝載前的準(zhǔn)備時間，tl,1為順序集中第一輛礦卡的裝載時間。繼續(xù)迭代可得到待調(diào)度礦卡派往裝載點的預(yù)期等待時間

wkij＝wm＝max(tm-1+wm-1+ts+tl,m-1-tm,0)

同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他裝載點j∈j的預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)c。

作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2中計算每臺電鏟的目標(biāo)產(chǎn)量完成度，作為子目標(biāo)d的具體步驟如下：

步驟22，對礦卡可指派電鏟j的目標(biāo)產(chǎn)量完成度進行計算,并作為調(diào)度子目標(biāo)d，計算公式為：其中pj′為本班次以來電鏟j已完成的裝載量(t)，數(shù)據(jù)可從系統(tǒng)中獲取，pj為電鏟j在本班次的目標(biāo)產(chǎn)量(t)，計算公式為：

其中pji為上層規(guī)劃結(jié)果中電鏟j在本班次的路徑流率(t/h)，t為班次總時間。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟3中根據(jù)子目標(biāo)c和子目標(biāo)d構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立空車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的具體步驟如下：

步驟34，首先得到2個子目標(biāo)函數(shù)，分別為：

采取常用的min-max歸一化方法，對兩個子目標(biāo)函數(shù)進行歸一化處理得到其如下：

其中，fcmin,fdmin分別為fc,fd可達到的最小值，fcmax,fdmax分別為fc,fd可達到的最大值；

步驟35，通過以下公式進行優(yōu)化：

式中，pc,pd為子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實際作業(yè)情況進行設(shè)置；xkij為表示調(diào)度決策的二進制變量，若將卸載點i處的待調(diào)度礦卡k派往電鏟j，則xkij＝1，否則，xkij＝0；i,j,k分別為卸載點集、電鏟集、礦卡集；i′,j′,k′分別為故障破碎站集、故障電鏟集、故障礦卡集；

步驟36，求解上述模型得到優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成調(diào)度指令，供待調(diào)度礦卡執(zhí)行。

本發(fā)明另一方面提供了一種應(yīng)用上述方法的系統(tǒng)，包括：

車載終端監(jiān)控模塊，用于采集礦卡位置、姿態(tài)、速度、油量等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

運動控制模塊，設(shè)置于車載終端，用于控制礦卡運動，以執(zhí)行其接收的調(diào)度任務(wù)，若非無人駕駛礦卡，則由司機執(zhí)行調(diào)度指令；

調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)控模塊，設(shè)置于調(diào)度系統(tǒng)后臺，通過通信模塊接收礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)，為調(diào)度算法提供數(shù)據(jù)支持；

調(diào)度模塊，設(shè)置于調(diào)度系統(tǒng)后臺，內(nèi)置本發(fā)明提出的露天礦卡車智能調(diào)度算法，通過求解調(diào)度模型得到優(yōu)化的調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令發(fā)送至車載終端，同時存儲系統(tǒng)任務(wù)數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)分析使用；

通信模塊，為車載終端和調(diào)度系統(tǒng)后臺之間的數(shù)據(jù)交互提供支持，調(diào)度后臺通過通信模塊獲取礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)，車載終端通過通信模塊接收調(diào)度指令

本發(fā)明的有益效果，通過步驟1的設(shè)置，便可有效地實現(xiàn)根據(jù)每個卸載點和裝載點計算出預(yù)期等待時間，來作為子目標(biāo)a和子目標(biāo)c，再通過步驟2的設(shè)置，便可有效的實現(xiàn)根據(jù)每條路徑的欠車時間和每臺電鏟的目標(biāo)產(chǎn)量完成度，來作為子目標(biāo)b和子目標(biāo)d，最后通過步驟3的設(shè)置，便可有效的將步驟1和步驟2獲得子目標(biāo)相互結(jié)合，建立調(diào)度模型，再求解到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果后再輸出調(diào)度指令，如此相比于現(xiàn)有技術(shù)中的調(diào)度方法，易于實現(xiàn)，節(jié)約人力，精準(zhǔn)調(diào)度，提高設(shè)備利用率，節(jié)省能耗，增加收益等

附圖說明

圖1為露天礦卡車調(diào)度示意圖；

圖2為本發(fā)明提出的露天礦卡車智能調(diào)度方法示意圖；

圖3為路徑等待時間迭代預(yù)測框架；

圖4為本發(fā)明提出的露天礦卡車智能調(diào)度系統(tǒng)模塊框圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖所給出的實施例對本發(fā)明做進一步的詳述。

其中，本發(fā)明中假設(shè)鏟車為電鏟、卸礦區(qū)為破碎站，并以單入口電鏟、排土點以及3入口破碎站為例描述所提出的露天礦卡車智能調(diào)度方法，但并不局限于3入口破碎站，同樣適用于多入口的配礦中轉(zhuǎn)站等，系統(tǒng)框圖如圖2所示，以輔助理解所提出的方法。所提出的方法優(yōu)點在于：易于實現(xiàn)，節(jié)約人力，精準(zhǔn)調(diào)度，提高設(shè)備利用率，節(jié)省能耗，增加收益等。

基于現(xiàn)有智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，可以實時獲取礦山道路網(wǎng)絡(luò)中所有車輛的任務(wù)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息，包括礦卡本次任務(wù)目的地、滿載/空載行駛速度、剩余行駛距離等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可計算智能調(diào)度算法的輸入?yún)?shù)。

為便于理解，以下描述中，j∈j為裝載點，i∈i為卸載點，包括破碎站和排土點，k∈k為待調(diào)度礦卡，k′∈k為任務(wù)中礦卡。

其中本實施例中的調(diào)度方法可應(yīng)用于重車和空車兩種狀況，現(xiàn)分別對重車和空車兩種狀況進行分開說明；

參照圖1至4所示，本實施例的一種礦卡重車調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟1，針對滿載礦卡可調(diào)度的每一個卸載點，計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)a；

步驟2，計算當(dāng)前狀態(tài)下每條路徑的欠車時間，作為子目標(biāo)b；

步驟3，根據(jù)子目標(biāo)a和b構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立重車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令供相應(yīng)礦卡執(zhí)行。

步驟11，預(yù)測待調(diào)度礦卡(裝載中)到達卸載點i的時間，公式如下：

其中，trj為待調(diào)度礦卡的剩余裝載時間，dji為裝載點j與卸載點i之間的最短路徑距離，vkl為待調(diào)度礦卡k的滿載行駛速度；

步驟12，對路網(wǎng)中每一輛以i為目的卸載點的任務(wù)中礦卡k’到達卸載點i的時間進行預(yù)測，公式為：

其中，tnow為當(dāng)前時刻，dk′i為礦卡k’到達卸載點i的剩余行駛距離，vk′l為礦卡k′的滿載行駛速度；

tk″i為目前破碎站i處卸載中礦卡的實際到達時間；

步驟13，{tki,tk′i,tk″i}為上述三類礦卡的到達時間或預(yù)期到達時間集合，將其中元素按時間先后進行排序為{t1,t2,···,tm,···}(待調(diào)度礦卡預(yù)期到達時間為tm)，接下來根據(jù)此序列以及卸載規(guī)則迭代計算序列中每一輛礦卡的預(yù)期等待時間或?qū)嶋H等待時間{w1,w2,···,wm,···}，進而得到將待調(diào)度礦卡派往每個卸載點的預(yù)期等待時間wkji并作為調(diào)度子目標(biāo)a，其中卸載規(guī)則分為破碎站卸載規(guī)則和排土點卸載規(guī)則兩種；

步驟131，若待調(diào)度礦卡為載礦礦卡，則需遵守破碎站卸載規(guī)則。

本發(fā)明中假設(shè)破碎站具有3個入口i1、i2、i3，供不同運載能力的礦卡卸礦，以提高作業(yè)效率，將所有礦卡以某一核載重量值為界限分為大容量礦卡和小容量礦卡，卸載規(guī)則如下：

1.3個入口中，入口i1供大容量礦卡卸載，入口i2、i3供小容量礦卡卸載；

2.大容量入口和小容量入口不得同時卸載；

3.若2臺小容量礦卡相繼到達，則2個小容量入口可同時卸載。

對于序列中的某臺礦卡n，若其和上一輛礦卡為異質(zhì)礦卡，則其預(yù)期等待時間與上一臺礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wg＝max(tn-1+wn-1+td,n-1-tn,0)

其中td,n-1為序列中第n-1輛礦卡的卸載時間；若其和上一輛礦卡為同質(zhì)大容量礦卡，則其預(yù)期等待時間同上；若其和上一輛礦卡為同質(zhì)小容量礦卡，則其等待時間與序列中第n-2輛礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wg＝max(tn-2+wn-2+td,n-2-tn,0)

由此迭代得到待調(diào)度載礦礦卡k派往卸礦區(qū)i的預(yù)期等待時間wkji＝wm，同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他卸礦區(qū)i∈i的預(yù)期等待時間；

步驟132，若待調(diào)度礦卡為載土礦卡，則需遵守排土點卸載規(guī)則。對于序列中的某臺礦卡n，其預(yù)期等待時間與第n-1輛礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wn＝max(tn-1+wn-1+td,n-1-tn,0)

迭代計算序列中礦卡的預(yù)期等待時間，可得到待調(diào)度載土礦卡k派往排土點i的預(yù)期等待時間wkji＝wm，同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他排土點i∈i的預(yù)期等待時間；

步驟21，對礦卡可指派路徑j(luò)i的欠車時間進行計算并作為調(diào)度子目標(biāo)b，計算公式為：

其中tjil為路徑j(luò)i上一次的派車時間，cjil為路徑j(luò)i上一次派車的礦卡容量(t)，pji為路徑j(luò)i的目標(biāo)流率(t/h)；

步驟31，由此得到2個子目標(biāo)函數(shù)，分別為：

2個目標(biāo)函數(shù)具有不同的量綱和量綱單位，為了消除指標(biāo)間的量綱影響，需要進行數(shù)據(jù)歸一化處理。采取常用的min-max歸一化方法，對兩個子目標(biāo)函數(shù)進行歸一化處理得到其如下：

其中，famin,fbmin分別為fa,fb可達到的最小值，famax,fbmax分別為fa,fb可達到的最大值；

步驟32，通過以下公式進行優(yōu)化：

式中，pa,pb為子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實際作業(yè)情況進行設(shè)置；xkji為表示調(diào)度決策的二進制變量，若將電鏟j處的待調(diào)度礦卡k派往卸載點i，則xkji＝1，否則xkji＝0；i,j,k分別為卸載點集、電鏟集、礦卡集；i′,j′,k′分別為故障破碎站集、故障電鏟集、故障礦卡集。

式(1)為目標(biāo)函數(shù)，表示為路徑預(yù)期等待時間和路徑欠車時間的加權(quán)融合函數(shù)，模型求解結(jié)果將使其最小化；約束(2)表示每輛待調(diào)度礦卡只能執(zhí)行一個任務(wù)；約束(3)表示每個裝載點在同一時間最多有1臺礦卡申請任務(wù)調(diào)度；約束(4)表示待調(diào)度礦卡數(shù)量不能超過總礦卡數(shù)量；約束(5)-(7)分別表示為當(dāng)某卸載點/礦卡/裝載點發(fā)生故障時，所做任務(wù)決策將不再考慮此設(shè)備；約束(8)表示調(diào)度決策xkji為二進制變量。

步驟33，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成調(diào)度指令，供待調(diào)度礦卡執(zhí)行。

參照圖1至4所示，本實施例的一種礦卡空車調(diào)度方法，包括如下步驟：

步驟1，針對空載礦卡可調(diào)度的每一個裝載點，計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)c；

步驟2，計算當(dāng)前狀態(tài)下每臺電鏟的班次目標(biāo)產(chǎn)量完成度，作為子目標(biāo)d；

步驟3，根據(jù)子目標(biāo)c和d構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立空車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令供相應(yīng)礦卡執(zhí)行。

步驟11，對待調(diào)度礦卡(卸載中)進行到達裝載點j的時間進行預(yù)測，公式如下：

其中，tri為待調(diào)度礦卡的剩余卸載時間，dij為裝載點j與卸載點i之間的最短路徑距離，dij不一定等于dji，vku為待調(diào)度礦卡k的空載行駛速度；

步驟12，對路網(wǎng)中每一輛以j為目的裝載點的任務(wù)中礦卡k’到達裝載點i的時間進行預(yù)測，公式為：

其中，tnow為當(dāng)前時刻，dk′j為礦卡k’到達裝載點j的剩余行駛距離，vk′u為礦卡k′的空載行駛速度；

步驟13，對目前裝載點處裝載中以及隊列中礦卡的剩余裝載時間進行計算，公式如下：δtrj＝δting+δtq；其中δting表示目前占用裝載點j的礦卡的剩余裝載時間，δtq為目前礦卡j處等待隊列中礦卡的總裝載時間；

步驟14，{tk′j,tkj}為上述兩類礦卡的預(yù)期到達時間集合，將其中元素按時間先后進行排序為{t1,t2,···,tm,···}(待調(diào)度礦卡預(yù)期到達時間為tm)，其對應(yīng)的剩余行駛時間為{δt1,δt2,···,δtm,···}；

步驟15，計算順序集合中第一輛礦卡的預(yù)期等待時間

w1＝max(δtrj-δt1,0)

計算順序集中第二輛礦卡的預(yù)期等待時間

w2＝max(t1+w1+ts+tl,1-t2,0)

其中ts為礦卡裝載前的準(zhǔn)備時間，tl,1為順序集中第一輛礦卡的裝載時間。繼續(xù)迭代可得到待調(diào)度礦卡派往裝載點的預(yù)期等待時間

wkij＝wm＝max(tm-1+wm-1+ts+tl,m-1-tm,0)

同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他裝載點j∈j的預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)c；

步驟21，對礦卡可指派電鏟j的目標(biāo)產(chǎn)量完成度進行計算,并作為調(diào)度子目標(biāo)4，計算公式為：其中p′j為本班次以來電鏟j已完成的裝載量(t)，數(shù)據(jù)可從系統(tǒng)中獲取，pj為電鏟j在本班次的目標(biāo)產(chǎn)量(t)，計算公式為：

其中pji為上層規(guī)劃結(jié)果中電鏟j在本班次的路徑流率(t/h)，t為班次總時間；

步驟31，由此得到2個子目標(biāo)函數(shù)，分別為：

采取常用的min-max歸一化方法，對兩個子目標(biāo)函數(shù)進行歸一化處理得到其如下：

其中，fcmin,fdmin分別為fc,fd可達到的最小值，fcmax,fdmax分別為fc,fd可達到的最大值；

步驟32，通過以下公式進行優(yōu)化：

式中，pc,pd為子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實際作業(yè)情況進行設(shè)置；xkij為表示調(diào)度決策的二進制變量，若將卸載點i處的待調(diào)度礦卡k派往電鏟j，則xkij＝1，否則，xkij＝0；i,j,k分別為卸載點集、電鏟集、礦卡集；i′,j′,k′分別為故障破碎站集、故障電鏟集、故障礦卡集，式(9)為目標(biāo)函數(shù)，表示為路徑等待時間和電鏟目標(biāo)產(chǎn)量完成度的加權(quán)融合函數(shù)，模型求解結(jié)果將使其最小化；約束(10)表示每輛待調(diào)度礦卡只能執(zhí)行一個任務(wù)；約束(11)表示每個卸載點在同一時間最多有1臺礦卡申請任務(wù)調(diào)度；約束(12)表示待調(diào)度礦卡數(shù)量不能超過總礦卡數(shù)量；約束(13)-(15)分別表示為當(dāng)某卸載點/礦卡/裝載點發(fā)生故障時，所做任務(wù)決策將不再考慮此設(shè)備；約束(16)表示裝載量不能超過待調(diào)度礦卡容量；約束(17)表示調(diào)度決策xkij為二進制變量。

步驟33，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成調(diào)度指令，供待調(diào)度礦卡執(zhí)行。

本實施例另一方面提供了一種應(yīng)用上述方法的系統(tǒng)，如圖4所示，包括：

車載終端監(jiān)控模塊，用于采集礦卡位置、姿態(tài)、速度、油量等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

運動控制模塊，設(shè)置于車載終端，用于控制礦卡運動，以執(zhí)行其接收的調(diào)度任務(wù)，若非無人駕駛礦卡，則由司機執(zhí)行調(diào)度指令；

調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)控模塊，設(shè)置于調(diào)度系統(tǒng)后臺，通過通信模塊接收礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)，為調(diào)度算法提供數(shù)據(jù)支持；

調(diào)度模塊，設(shè)置于調(diào)度系統(tǒng)后臺，內(nèi)置本發(fā)明提出的露天礦卡車智能調(diào)度算法，通過求解調(diào)度模型得到優(yōu)化的調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令發(fā)送至車載終端，同時存儲系統(tǒng)任務(wù)數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)分析使用；

通信模塊，為車載終端和調(diào)度系統(tǒng)后臺之間的數(shù)據(jù)交互提供支持，調(diào)度后臺通過通信模塊獲取礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)，車載終端通過通信模塊接收調(diào)度指令

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。

技術(shù)特征：

1.一種露天礦卡車智能調(diào)度方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1，針對滿載礦卡或空載礦卡可調(diào)度的每一個卸載點或裝載點，計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)a或子目標(biāo)c；

步驟2，計算當(dāng)前狀態(tài)下每條路徑的欠車時間或每臺電鏟的目標(biāo)產(chǎn)量完成度，作為子目標(biāo)b或子目標(biāo)d；

步驟3，根據(jù)子目標(biāo)a和子目標(biāo)b或者子目標(biāo)c和子目標(biāo)d構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立重車或空車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令供相應(yīng)礦卡執(zhí)行。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的露天礦卡車智能調(diào)度方法，其特征在于：所述步驟1中針對滿載礦卡計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)a的具體步驟如下：

步驟11，預(yù)測裝載中的待調(diào)度礦卡到達卸載點i的時間，公式如下：

其中，trj為待調(diào)度礦卡的剩余裝載時間，dji為裝載點j與卸載點i之間的最短路徑距離，vkl為待調(diào)度礦卡k的滿載行駛速度；

步驟12，對路網(wǎng)中每一輛以i為目的卸載點的任務(wù)中礦卡k’到達卸載點i的時間進行預(yù)測，公式為：

其中，tnow為當(dāng)前時刻，dk′i為礦卡k’到達卸載點i的剩余行駛距離，vk′l為礦卡k′的滿載行駛速度；tk″i為目前破碎站i處卸載中礦卡的實際到達時間；

步驟13，{tki,tk′i,tk″i}為上述三類礦卡的到達時間或預(yù)期到達時間集合，將其中元素按時間先后進行排序為{t1,t2,···,tm,···}，其中待調(diào)度礦卡預(yù)期到達時間為tm，接下來根據(jù)此序列以及卸載規(guī)則迭代計算序列中每一輛礦卡的預(yù)期等待時間或?qū)嶋H等待時間{w1,w2,···,wm,···}，進而得到將待調(diào)度礦卡派往每個卸載點的預(yù)期等待時間wkji并作為調(diào)度子目標(biāo)a，其中卸載規(guī)則分為破碎站卸載規(guī)則和排土點卸載規(guī)則兩種。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的露天礦卡車調(diào)度方法，其特征在于：當(dāng)待調(diào)度礦卡為載礦礦卡，所述步驟13中的卸載規(guī)則為破碎站卸載規(guī)則，破碎站卸載規(guī)則具體為：3個入口中，入口i1供大容量礦卡卸載，入口i2、i3供小容量礦卡卸載；大容量入口和小容量入口不得同時卸載；若2臺小容量礦卡相繼到達，則2個小容量入口可同時卸載，對于序列中的某臺礦卡n，若其和上一輛礦卡為異質(zhì)礦卡，則其預(yù)期等待時間與上一臺礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wg＝max(tn-1+wn-1+td,n-1-tn,0)

其中td,n-1為序列中第n-1輛礦卡的卸載時間；若其和上一輛礦卡為同質(zhì)大容量礦卡，則其預(yù)期等待時間同上；若其和上一輛礦卡為同質(zhì)小容量礦卡，則其等待時間與序列中第n-2輛礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wg＝max(tn-2+wn-2+td,n-2-tn,0)

由此迭代得到待調(diào)度載礦礦卡k派往卸礦區(qū)i的預(yù)期等待時間wkji＝wm，同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他卸礦區(qū)i∈i的預(yù)期等待時間；

當(dāng)待調(diào)度礦卡為載土礦卡，所述步驟13中的卸載規(guī)則為排土點卸載規(guī)則，對于序列中的某臺礦卡n，其預(yù)期等待時間與第n-1輛礦卡的卸載完成時間相關(guān)，計算公式為：

wn＝max(tn-1+wn-1+td,n-1-tn,0)

迭代計算序列中礦卡的預(yù)期等待時間，可得到待調(diào)度載土礦卡k派往排土點i的預(yù)期等待時間wkji＝wm，同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他排土點i∈i的預(yù)期等待時間。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的露天礦卡車調(diào)度方法，其特征在于：所述步驟2中計算每條路徑的欠車時間，作為子目標(biāo)b的具體步驟如下：

步驟21，對礦卡可指派路徑j(luò)i的欠車時間進行計算并作為調(diào)度子目標(biāo)b，計算公式為：

其中tjil為路徑j(luò)i上一次的派車時間，cjil為路徑j(luò)i上一次派車的礦卡容量(t)，pji為路徑j(luò)i的目標(biāo)流率(t/h)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的露天礦卡車調(diào)度方法，其特征在于：所述步驟3中根據(jù)子目標(biāo)a和b構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立重車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的具體步驟如下：

步驟31，首先得到2個子目標(biāo)函數(shù)，分別為：

2個目標(biāo)函數(shù)具有不同的量綱和量綱單位，為了消除指標(biāo)間的量綱影響，需要進行數(shù)據(jù)歸一化處理，采取常用的min-max歸一化方法，對兩個子目標(biāo)函數(shù)進行歸一化處理得到公式如下：

其中，famin,fbmin分別為fa,fb可達到的最小值，famax,fbmax分別為fa,fb可達到的最大值；

步驟32，通過以下公式進行優(yōu)化：

式中，pa,pb為子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實際作業(yè)情況進行設(shè)置；xkji為表示調(diào)度決策的二進制變量，若將電鏟j處的待調(diào)度礦卡k派往卸載點i，則xkji＝1，否則xkji＝0；i,j,k分別為卸載點集、電鏟集、礦卡集；i′,j′,k′分別為故障破碎站集、故障電鏟集、故障礦卡集；

步驟33，求解上述模型得到優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成調(diào)度指令，供待調(diào)度礦卡執(zhí)行。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的露天礦卡車調(diào)度方法，其特征在于：所述步驟1中針對空載礦卡計算預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)c的具體步驟如下：

步驟14，對卸載中的待調(diào)度礦卡進行到達裝載點j的時間進行預(yù)測，公式如下：

其中，tri為待調(diào)度礦卡的剩余卸載時間，dij為裝載點j與卸載點i之間的最短路徑距離，dij不一定等于dji，vku為待調(diào)度礦卡k的空載行駛速度；

步驟15，對路網(wǎng)中每一輛以j為目的裝載點的任務(wù)中礦卡k’到達裝載點i的時間進行預(yù)測，公式為：

其中，tnow為當(dāng)前時刻，dk′j為礦卡k’到達裝載點j的剩余行駛距離，vk′u為礦卡k′的空載行駛速度；

步驟16，對目前裝載點處裝載中以及隊列中礦卡的剩余裝載時間進行計算，公式如下：δtrj＝δting+δtq；其中δting表示目前占用裝載點j的礦卡的剩余裝載時間，δtq為目前礦卡j處等待隊列中礦卡的總裝載時間；

步驟17，{tk′j,tkj}為上述兩類礦卡的預(yù)期到達時間集合，將其中元素按時間先后進行排序為{t1,t2,···,tm,···}，其中待調(diào)度礦卡預(yù)期到達時間為tm，其對應(yīng)的剩余行駛時間為{δt1,δt2,···,δtm,···}；

步驟18，計算順序集合中第一輛礦卡的預(yù)期等待時間

w1＝max(δtrj-δt1,0)

計算順序集中第二輛礦卡的預(yù)期等待時間

w2＝max(t1+w1+ts+tl,1-t2,0)

其中ts為礦卡裝載前的準(zhǔn)備時間，tl,1為順序集中第一輛礦卡的裝載時間，繼續(xù)迭代可得到待調(diào)度礦卡派往裝載點的預(yù)期等待時間

wkij＝wm＝max(tm-1+wm-1+ts+tl,m-1-tm,0)

同理可計算出將待調(diào)度礦卡k派往其他裝載點j∈j的預(yù)期等待時間，作為子目標(biāo)c。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的露天礦卡車調(diào)度方法，其特征在于：所述步驟2中計算每臺電鏟的目標(biāo)產(chǎn)量完成度，作為子目標(biāo)d的具體步驟如下：

步驟22，對礦卡可指派電鏟j的目標(biāo)產(chǎn)量完成度進行計算,并作為調(diào)度子目標(biāo)d，計算公式為：其中pj′為本班次以來電鏟j已完成的裝載量(t)，數(shù)據(jù)可從系統(tǒng)中獲取，pj為電鏟j在本班次的目標(biāo)產(chǎn)量(t)，計算公式為：

其中pji為上層規(guī)劃結(jié)果中電鏟j在本班次的路徑流率(t/h)，t為班次總時間。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的露天礦卡車調(diào)度方法，其特征在于：所述步驟3中根據(jù)子目標(biāo)c和子目標(biāo)d構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)及相關(guān)約束，建立空車調(diào)度模型，求解得到最優(yōu)調(diào)度結(jié)果的具體步驟如下：

步驟34，首先得到2個子目標(biāo)函數(shù)，分別為：

采取常用的min-max歸一化方法，對兩個子目標(biāo)函數(shù)進行歸一化處理得到其如下：

其中，fcmin,fdmin分別為fc,fd可達到的最小值，fcmax,fdmax分別為fc,fd可達到的最大值；

步驟35，通過以下公式進行優(yōu)化：

式中，pc,pd為子目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重系數(shù)，可根據(jù)實際作業(yè)情況進行設(shè)置；xkij為表示調(diào)度決策的二進制變量，若將卸載點i處的待調(diào)度礦卡k派往電鏟j，則xkij＝1，否則，xkij＝0；i,j,k分別為卸載點集、電鏟集、礦卡集；i′,j′,k′分別為故障破碎站集、故障電鏟集、故障礦卡集；

步驟36，求解上述模型得到優(yōu)化結(jié)果，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果生成調(diào)度指令，供待調(diào)度礦卡執(zhí)行。

9.一種應(yīng)用權(quán)利要求1至8任意一項所述方法的系統(tǒng)，其特征在于：包括：

車載終端監(jiān)控模塊，用于采集礦卡位置、姿態(tài)、速度、油量等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

運動控制模塊，設(shè)置于車載終端，用于控制礦卡運動，以執(zhí)行其接收的調(diào)度任務(wù)，若非無人駕駛礦卡，則由司機執(zhí)行調(diào)度指令；

調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)控模塊，設(shè)置于調(diào)度系統(tǒng)后臺，通過通信模塊接收礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)，為調(diào)度算法提供數(shù)據(jù)支持；

調(diào)度模塊，設(shè)置于調(diào)度系統(tǒng)后臺，內(nèi)置本發(fā)明提出的露天礦卡車智能調(diào)度算法，通過求解調(diào)度模型得到優(yōu)化的調(diào)度結(jié)果，生成調(diào)度指令發(fā)送至車載終端，同時存儲系統(tǒng)任務(wù)數(shù)據(jù)，供數(shù)據(jù)分析使用；

通信模塊，為車載終端和調(diào)度系統(tǒng)后臺之間的數(shù)據(jù)交互提供支持，調(diào)度后臺通過通信模塊獲取礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)，車載終端通過通信模塊接收調(diào)度指令。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種露天礦卡車智能調(diào)度方法及系統(tǒng)。其中露天礦卡車智能調(diào)度方法包括一種重車調(diào)度方法和一種空車調(diào)度方法。重車調(diào)度方法包括以下步驟：構(gòu)建等待時間迭代預(yù)測框架，根據(jù)路網(wǎng)數(shù)據(jù)、任務(wù)中礦卡狀態(tài)數(shù)據(jù)以及目的節(jié)點設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)測待調(diào)度礦卡的等待時間，作為子目標(biāo)a、子目標(biāo)c；由上層車流規(guī)劃結(jié)果獲取礦山區(qū)域每條道路的目標(biāo)流率，作為子目標(biāo)b；將電鏟目標(biāo)產(chǎn)量完成度作為子目標(biāo)d；分別對子目標(biāo)a、子目標(biāo)b和子目標(biāo)c、子目標(biāo)d進行歸一化及加權(quán)處理，構(gòu)建重車調(diào)度和空車調(diào)度任務(wù)匹配模型，求解生成調(diào)度指令。本發(fā)明所提出的露天礦卡車智能調(diào)度方法及系統(tǒng)可以提高礦山運輸系統(tǒng)的工作效率，同時節(jié)省礦山設(shè)備能耗，有助于推進智慧礦山建設(shè)。

技術(shù)研發(fā)人員：王曉偉;張宏宇;謝國濤;秦曉輝;秦兆博;秦洪懋;邊有鋼;胡滿江;徐彪;丁榮軍

受保護的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2020.10.23

技術(shù)公布日：2021.03.12