Xây dựng hệ thống giám sát hướng tới tối ưu hóa hệ thống bố xú vận tải ủa mỏ lộ thiên

Em cũng xin chân thành cảm ơn nhóm nghiên cứu đề tài cấp bộ Mã số: CNKK.003/19 N“ ghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lý điều hành công tác xúc bốc vận tải nhằm nâng cao hi

Hà Nội - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Phương Bắc

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT HƯỚNG TỚI TỐI ƯU HÓA

HỆ THỐNG BỐC XÚC VẬN TẢI CỦA MỎ LỘ THIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công nghệ Thông tin

Hà Nội - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Nguyễn Thị Phương Bắc

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)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Phạm Quang Dũng

2 TS Lê Hồng Anh

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Xây dựng hệ thống giám sát hướng tới tối ưu hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ thiên” là công trình nghiên c u khoa h c, ứ ọ

độ ậc l p c a tôi ủ

Đây là đề tài c a luủ ận văn Thạc s ngành Công ngh Thông tin K t qu ĩ ệ ế ảnghiên cứu được trình bày trong luận văn này chưa từng được công b ố dướ ấ ỳi b t k hình thức nào

Hà Nộ i, tháng 06 năm 2019

Tác gi ả luận văn

Nguyễn Thị Phương Bắc

4

Để hoàn thành Luận văn thạc sĩ này trước hết em xin gửi đến quý thầy cô giáo trong Viện Công nghệ và Truyền thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã tận tình truyền đạt kiến thức trong những năm em học tập Vốn kiến thức tiếp thu được không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu mà còn là hành trang quí báu để em bước đi một cách vững chắc và tự tin

Đặc biệt với tất cả tấm lòng mình, em xin gửi đến thầy Phạm Quang Dũng, thầy Lê Hồng Anh, những người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ e hoàn thành luận m văn này lời cảm ơn sâu sắc nhất

Em xin cảm ơn lãnh đạo Khoa, bộ môn Khoa học Máy tính và các anh chị em đồng nghiệp trường 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 N“ ghiên 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 được trong thời gian tham gia nghiên cứu cùng nhóm đề tài

Cuối cùng xin gửi lời ảm ơn đến gia đình, bạn bè và tập thể lớp c 2017B CNTT, những người đã luôn ở bên khích lệ và động viên em rất nhiều

Hà nội, tháng 6 năm 2019

Nguyễn Thị Phương Bắc

1

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

CHƯƠNG 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 chương 19

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT 20

2.1 Phân tích hệ thống giám sát 20

2.1.1 Mô 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 trường hợp sử dụng 25

2.1.4 Mô 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

2

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 chương 47

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC KẾT QUẢ 49

3.1 Thực nghiệm thu thập dữ liệu hành trình 49

3.1.1 Môi trường thực nghiệm 49

3.1.2 Kết quả thực nghiệm 49

3.2 Thực nghiệm giám sát hành trình 51

3.2.1 Môi trường 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

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TKV: Tập đoàn Than khoáng Sản Việt Nam TMS: Transport Monitoring System

™S Open- Pit Mines Hệ thống giám sát bốc xúc vận tải mỏ lộ thiên

CURD: Create, Update, Read, Delete

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 không tải

Excavator: Máy xúc

6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1: Công 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 trường hợp sử dụng 25

Hình 2-2: Mô 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 được 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 được 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

7 Hình 3-5: Thời gian và trạng thái của phương tiện trong chu trình đầu ca 55Hình 3-6: Thời gian và trạng thái của phương tiện trong chu trình giữa ca 56

8

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

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 được lặp đi lặp lại nhiều lần trong một ca sản xuất Chiphí 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 được các doanh nghiệp mỏ quan tâm Tuy nhiên, các phương tiện bốc xúc ngày càng đa dạng về chủng loại và phong phú về số lượng, 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 ô tô phải chờ nhau đã làm cho năng suất giảm và chi phí khai thác tăng Trên thực tế các mỏ than lộ thiên nước ta hiện tại vẫn áp dụng phương pháp điều hành truyền thống, chủ yếu ra quyết định theo kinh nghiệm, thiếu các phương 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 nước tăng lên, bắt kịp được các xu thế phát triển công nghệ đang diễn ra đòi hỏi phải có hệ thống giám sát điều hành công tác bốc xúc thay việc điều hành thủ công như 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 Trước 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 không chỉ mang ý

10

nghĩa về mặt khoa học trong lĩnh vực mỏ mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong quá 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 nước 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 được 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 người lái với hệ thống điều hành tự động hóa hoàn toàn Xu thế phát triển này rõ ràng là không thể đảo ngược và sẽ tiếp tục phát triển mạnh trong ngành

mỏ trong tương lai rất gần Công 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 ô tô tải không người lái nhằm giảm chi phí nhân công và nâng cao hiệu quả sản xuất; Một số nghiên cứu ngoài nước [3, 4,

5, 6] tập trung vào tính toán điều hành hệ thống ô tô – máy xúc và cũng đạt được những thành công cho hệ thống nội bộ Tuy nhiên, hạn chế của các nghiên cứu trên

là chưa có một giải pháp tổng thể, chi phí cao cũng như khó khăn khi áp dụng nội

bộ như đã chỉ ra bởi Tan, S [7]

Trong nước, tác giả Bùi Xuân Nam [8] đã giới thiệu một phương 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 phương 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 phương pháp tính toán phối hợp ô tô – máy xúc cho các mỏ than lộ thiên nước ta đã được 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 công nghệ mỏ đã hoàn 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

Từ những phân tích trên đây có thể nhận thấy việc ứng dụng công nghệ thông 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 tượng, phạm vi nghiên cứu

- Mục đích của đề tài là nghiên cứu xây dựng được một hệ thống giám sát hướng tới tối ưu hóa hệ thống bốc xúc vận tải của mỏ lộ thiên

- Thu thập được dữ liệu hành trình của phương tiện, thông tin và các trạng thái hoạt động của phương tiện theo thời gian thực, dữ liệu thu thập được có thể sử dụng

để xây dựng mô hình tối ưu ở dạng đơn giản

12

Đối tượng nghiên cứ là công tác điều hành bốc xúc vận tải ở mỏ than lộ u 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, đưa ra các quyết định thích hợp trong trường hợp có vấn đề xảy ra nhằm giảm chi phí và thời gian ngừng làm việc của thiết bị xuống nhỏ nhất

5 Phương pháp nghiên cứu

Hướng tiếp cận của luận văn là xuất phát từ các số liệu thực tế, kết hợp với các công trình khoa học trong và ngoài nước có liên quan để đưa ra định hướng nghiên cứu Trên cơ sở phân tích, tính toán các số liệu thực tế về công tác bốc xúc của máy xúc ôtô đề xuất được một hệ thống giám sát điều hành công tác bốc xúc - vận tải của mỏ than lộ thiên, tính toán thử nghiệm và kiểm tra lại các kết quả đã đạt được theo mô hình đã đưa ra Từ đó rút ra các kết luận và kiến nghị cần thiết

13

CHƯƠNG 1 CÔNG TÁC BỐC XÚC VẬN TẢI Ở MỎ LỘ THIÊN

1.1 Tóm tắt

Để ứng dụng công nghệ thông 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 người kỹ thuật cần phải có những khảo sát thực tế sản xuất để hiểu được 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 tư thời gian khảo sát không những ở hiện trường

mà còn phải khảo sát các hồ sơ, tài liệu, phỏng vấn người nghiệp vụ cùngcác bước liên quan làm cơ sở để đề xuất một hệ thống thông tin đáp ứng tốt nhất mục tiêu đặt

ra Chương 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 đoàn than khoáng sản Việt Nam Từ khi bắt đầu đi vào hoạt động, các mỏ đều được 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 1,512 m3 để xúc

đất đá và than Các máy xúc có dung tích gàu lớn (có dung tích gàu từ 3,512 m3) thường được bố trí xúc bóc đất đá, các máy xúc có dung tích gàu loại nhỏ (có dung tích gàu từ 3,51,5 m3) thường được bố trí xúc than Cụ thể mỏ đang sử dụng thiết

bị bốc xúc như bảng sau

14

Bảng 1-1 : Tổng hợp số lƣợng máy xúc đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn

Hình 1-1: Công 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 vớicác loại ô tô sử dụng đƣợc thể hiện trong Bảng 1-2 Mỏ sử dụng hình thức vận tải

Chờ nhận tải (Idle) Chất tải

(Loading)

15

theo chu trình kín, số lượng ôtô phục vụ cho một máy xúc được tính toán cố định phù hợp theo lý thuyết

Bảng 1-2: Tổng hợp số lượng ô tô đang sử dụng tại mỏ than Cao Sơn

STT Loại máy Số lượng Trọng Lượng (tấn) Phân loại

1.4 Quy trình nghiệp vụ công tác bốc xúc tại mỏ lộ thiên

Việc bốc xúc than và đất đá được 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 được 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 được hoàn thành thông qua một mạng ưới tuyến đường hào với chiều dài và độ dốc khác nhau trong và ngoài l

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 thường xuất hiện khi thời gian chất tải thay đổi so với

16

kế hoạch, một số nguyên nhân có thể là do các xe ô tô có dung tích thùng xe khác nhau được sử dụng tại mỗi máy xúc, cũng có thể do điều kiện khai thác khó khăn như 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, iệu quả của các quá trình sản xuất mỏ phụ thuộc rất lớn với việc điều hànhh

và kinh nghiệm của người điều hành

Các xe ô tô được 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 trường 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 người điều hành đứng ở vị trí chiến lược 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 thông tin truyền qua tín hiệu radio và do vậy các máy xúc và xe ô tô được trang

bị các bộ đàm hai chiều để giao tiếp với trung tâm điều hành Quyết định điều hành được thực hiện sau khi xe tải đã đổ thải và người lái xe sẽ liên lạc với người điều hành Người điều hành sau đó điều chỉnh bảng điều khiển tương ứng với thiết bị trên mỏ để đưa ra quyết định điều hành thích hợp Người 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 đưa 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 được tiến hành khi bắt đầu 1 ca sản xuất Để thay đổi sang việc điều hành bán tự động hoặc tự động hoàn toàn, 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 được các nghiên cứu nói trên chứng minh là hiệu quả và tiết kiệm hơn

17

Hình 1-2: Minh họa chu trình vận tải kín

Hình 1-2 mô tả chu trình vận tải kín trên các mỏ lộ thiên Đây là một chu trình đƣợc tính toán cụ thể số lƣợng máy xúc và số lƣợng ôtô phục vụ cố định cho một máy xúc Các ôtô đƣợc tính toán 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( xcavators) EE 1 tiến hành di chuyển có tải đến bãi thải ( umps) DD 1 Sau khi dỡ tải lại quay về nhận tải tại máy xúc E1

Hình 1-3: Minh họa chu trình vận tải hở

Hình 1-3 mô 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

D1

T1 T2

D1

E1 E2

18

nói cách khác, chu trình vận tải hở trên mỏ lộ thiên không giới hạn số lượng thiết bị ôtô phục vụ cho một máy xúc, số ôtô phục vụ cho một máy xúc là không cố định.Ôtô T1 và sau khi nhận tải tại máy xúc T2 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 được ôtô đến sau phải đứng chờ làm giảm thời gian chết của thiết bị vì nó gây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả làm việc của ôtô cũng như hiệu quả của máy xúc

1.5 Đề xuất xây dựng hệ thống giám sát điều hành

Từ thực tế khảo sát được ở mỏ than Cao Sơn và các nghiên cứu được 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 như sau:

a) Hệ thống phần mềm

- Xây dựng một ứng dụng trên thiết bị di động gắn trên các phương tiện để xác định vị trí của phương tiện và gửi dữ liệu hành trình tới cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase, đồng thời lái xe cũng có thể tương tác với hệ thống

để gửi dữ liệu trạng thái của phương 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 phương tiện và các thông tin hỗ trợ ra quyết định cho người điều hành

19

1.6 Kết luận chương

Ở hệ thống hiện tại về cơ bản thì người điều hành sẽ phải đứng ở vị trí chiến lược để quan sát hoạt động bốc xúc vận tải ở mỏ để điều phối; lái xe và người điều phối liên lạc với nhau qua bộ đàm; để điều phối hoạt động thì người điều hành thường căn cứ vào kinh nghiệm nghề nghiệp; chưa áp dụng được chu trình vận tải

hở Qua đó, tác g ả đã đề xuất xây dựng một hệ thống giám sát để giúp cho người iđiều phối quan sát hoạt động của phương tiện mọi lúc, mọi nơi trên màn hình máy tính mà không cần nhất thiết phải đứng ở vị trí chiến lược Dữ liệu thu thập được sẽ làm cơ sở cho bài toán tối ưu trong vận tải ở mỏ nhằm áp dụng được chu trình vận tải hở

20

CHƯƠNG 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 (™S Open-Pit Mines) sẽ là một hệ thống tích hợp gồm hệ truyền thông, hệ thông tin quản lý, hệ trợ giúp điều hành và hệ trợ giúp quyết định Hệ thống sẽ được xây dựng nhằm hướng tới tối ưu 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 được thiết lập theo

kế hoạch vận tải của chu trình vận tải kín để làm dữ liệu đầu vào cho bài toán tối ưu cũng như không làm thay đổi các hoạt động điều hành truyền thống ở các mỏ lộ thiên hiện nay Bài toán tối ưu sẽ thực hiện khi có dữ liệu thay đổi, các thay đổi tác động đến mô hình tối ưu bao gồm: (1) trạng thái phương tiện thay đổi lái xe tương (tác với phần mềm); (2) thời gian cho một trạng thái thay đổi theo thực tế (lái xe tương tác với phần mềm); (3) vị trí phương tiện thay đổi khi phương tiện di chuyển (phần mềm tự xác định vị trí phương tiện); (4) cung đường trong chu trình thay đổi theo lộ trình thực tế của phương tiện (theo dữ liệu hành trình); (5) ô tô thay đổi trong mỗi chu trình khi lời giải tối ưu được chấp nhận (người điều hành tương tác) Bên cạnh đó, các dữ liệu ít thay đổi bao gồm số lượng máy xúc và ô tô kèm theo các thông số cơ bản của chúng sẽ dùng cho bài toán tối ưu

2.1.1 Mô 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 hưởng trực tiếp đến mô hình tối ưu thể hiện ở Bảng 2-1

21

Ô tô mỏ hay ô tô (Truck) là một loại xe tải được sử dụng để vận chuyển vật liệu rời dùng trong vận tải ở mỏ Các thông số của một số ô tô ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình tối ưu thể hiện ở Bảng 2-2

Người giám sát điều hành (Supervisor) là người 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 Người điều khiển phương tiện hay lái xe (Driver) là người điều khiển máy xúc hoặc ô tô mỏ theo một cung đường cho trước, mỗi lái xe điều khiển một phương tiện, lái xe có thể thay đổi phương tiện theo sự phân công của người điều hành Phương 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 tương 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 ô tô mỏ ở giữa chu trình vận tải

Chu trình vận tải (Cycle) là tập hợp các cung đường di chuyển của phương tiện từ điểm nhận tải đến điểm dỡ tải và quay lại điểm nhận tải Chi phí vận tải trên một cung đường được tính toán khá phức tạp, đòi hỏi phải có chuyên môn nghiệp

vụ Tuy nhiên, chi phí cho mỗi chu trình là chi phí trung bình của các cung đường, chi phí chu trình vận tải là một giá trị thường được sử dụng cho bài toán tối ưu hóa

Bảng 2-1: Các thông số của một số máy xúc

Loại máy xúc Các trạng thái (Status) Thời gian TB (giây)/ gàu EKG-8I

22

(10 m3) 1 Chất tải (Loading)

2 Nghỉ (Idle)

25 PC1250

Bảng 2-2: Các thông số của của ô tô mỏ

Loại ô tô Các trạng thái (Status) Thời gian TB

(giây)

Vận tốc TB (m/s) CAT-773E

7 ( 25km/h) 

10 ( 35km/h) 

7 ( 25km/h) 

10 ( 35km/h) 

6 ( 20km/h) 

8 ( 30km/h) 

b) Xây dựng quy trình nghiệp vụ theo hệ thống

23

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 trước đó Việc chọn ca làm việc để hệ thống dễ quản lý và phân loại các chu trình theo ca sản xuất, giúp cho người điều hành quan sát hoạt động của phương tiện được 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 ô tô), nếu có ô tô đang ở trạng thái nghỉ để chờ nhận tải thì người lái máy xúc sẽ nhấn nút chuyển sang các trạng thái chất tải với các trạng thái cụ thể 1 2 3 (  Bảng 2-1) và lặp lại cho đến khi ô tô nhận tải đủ, người lái ô tô cũng sẽ nhấn nút chuyển sang trạng thái nhận tải khi ô tô nhận tải đủ , thì người lái ô tô nhấn nút chuyển sang trạng thái di chuyển có tải, người lái máy xúc cũng sẽ nhấn nút chuyển trạng thái nghỉ để chờ chất tải

Thời gian di chuyển có tải của ô tô 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 ô 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 ô tô nhấn nút chuyển sang trạng thái chờ nhận tải để bắt đầu một chu trình mới Dữ liệu cập nhật cho bài toán tối ưu trong trường 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 được xác định theo dữ liệu hành trình trung bình thực tế của các phương tiện khi chúng thực hiện chu trình đầu tiên trong ca làm việc Dữ liệu cập nhật cho bài toán tối ưu trong trường hợp này là dữ liệu chiều dài chu trình vận tải thực tế

Các trường hợp phát sinh trong ca làm việc ảnh hưởng lớn đến bài toán tối ưu bao gồm (1) máy xúc chuyển sang trạng thái không hoạt động trong khi các ô tô vẫn đang hoạt động (người điều khiển máy xúc tương tác với phần mềm); (2) ô tô chuyển sang trạng thái không hoạt động (lái xe tương tác với phần mềm); (3) thời gian bắt đầu ca làm việc (nhiều xe ở trạng thái chờ lâu)

24

2.1.2 Xác định các yêu cầu chức năng

a) Các chức năng của ứng dụng trên thiết bị di động gắn trên các phương tiện:

- Thu thập dữ liệu hành trình: Ứng dụng sẽ cho phép tự động ác định dữ x

liệu hành trình bao gồm vị trí, vận tốc và hướng di chuyển của phương tiện;

- Cập nhật dữ liệu hành trình: Ứng dụng sẽ cho phép tự động gửi dữ liệu

hành trình và thông tin của phương tiện tới cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase;

- Cập nhật dữ liệu trạng thái: Ứng dụng sẽ cho phép lái xe chuyển trạng thái

và gửi dữ liệu tới cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase

b) Các chức năng của ứng dụng web tích hợp bản đồ:

- Đồng bộ hóa dữ liệu: Ứng dụng sẽ cho phép tự đồng bộ với dữ liệu thời gian thực của Firebase;

- Hiển thị vị trí phương tiện: Ứng dụng sẽ cho phép tự hiển thị vị trí các phương tiện trên bản đồ eo thời gian thực th ;

- Hiển thị dữ liệu thống kê: Ứng dụng sẽ cho phé tự động hiển thị các số p

liệu thống kê đểhỗ trợ ra quyết định cho người điều hành.

c) Các chức năng phía Backend:

- Cập nhật dữ liệu: Quản trị viên sẽ cập nhật dữ liệu vào CSDL của Firebase như dữ liệu các chu trình khởi tạo, dữ liệu thông tin phương tiện ,…

- Quản trị hệ thống: Ứng dụng sẽ cho phép người quản trị thiết lập và quản

lý hệ thống;

25

2.1.3 Sơ đồ các trường hợp sử dụng

Hình 2-1: Sơ đồ các trường hợp sử dụng

26

2.1.4 Mô hình dữ liệu của ứng dụng Transport Tracker

Hình 2-2: Mô hình dữ liệu của ứng dụng Transport Tracker

2.2 Thiết kế hệ thống giám sát

2.2.1 Kiến trúc hệ thống

Toàn bộ hệ thống là một tổ hợp gồm nhiều các thành phần tham gia, có thể hình dung tổng thể của hệ thống nhƣ Hình 2-3 Các thành phần của hệ thống bao gồm:

27

Hình 2-3 Các thành phần hệ thống giám sát bốc xúc vận tải mỏ lộ thiên

(1) Transport Tracker: Một ứng dụng của mobile được viết trên nền tảng iOS sẽ cài lên các thiết bị di động và gắn trên các phương tiện cần theo dõi

là ô tô và máy xúc Ứng dụng iOS sẽ xác định vị trí của thiết bị bằng cách

sử dụng dịch vụ dựa trên định vị vệ tinh (Location Based Service - LBS)

mà hệ điều hành di động cung cấp Ứng dụng cũng cho phép lái xe tương tác để thay đổi trạng thái của phương tiện(Hình 2-4) .

(2) Backend & Data store: Thành phần phía máy chủ để quản lý trạng thái của cơ sở dữ liệu thời gian thực Firebase đồng thời lưu trữ dữ liệu vị trí phương tiện được gửi từ ứng dụng Transport Tracker và cung cấp đồng bộ hóa dữ liệu thời gian thực cho bản đồ

(3) Web app: Một giao diện Web tích hợp nền bản đồ Google Maps dùng để hiển thị thông tin và vị trí của phương tiện và các cung đường vận tải

28

Hình 2-4: Hoạt động giám sát vận tải theo thời gian thực

2.2.2 Thiết kế ứng dụng thu thập dữ liệu

Màn hình thứ nhất là khi ứng dụng thực thi trước mỗi ca sản xuất, lái xe sẽ nhập họ tên, chọn loại phương tiện là máy xúc hoặc ô tô, chọn biển số xe và nhấn nút hoạt động Các màn hình tiếp theo dành cho người lái xe cập nhật trạng tháiphương tiện

Hình 2-5: Thiết kế giao diện của ứng dụng Transport Tracker

(3) Lái xe nhấn nút Bắt đầu hoạt động trên màn hình ứng dụng.

(4) Ứng dụng kiểm tra loại phương tiện theo mã

a Nếu là máy xúc, ứng dụng hiển thị màn hình tương tác dành cho người lái máy xúc bao gồm 02 trạng thái gồm (1) Nghỉ (mặc định); : (2) Chất tải

b Nếu là ô tô, ứng dụng hiển thị màn hình tương tác dành cho người lái ô tô bao gồm 05 trạng thái gồm: (1) Nghỉ (mặc định); (2) Nhận tải; (3) Di chuyển có tải; (4) Dỡ tải: (5) Di chuyển không tải

(5) Ứng dụng khởi động dịch vụ định vị để cập nhật và gửi dữ liệu lên Firebase theo định kỳ 5 hoặc 10 giây

(6) Người lái máy xúc chọn chất tải trên màn hình ứng dụng

(7) Người lái ô tô chọn nhận tải trên màn hình ứng dụng

(8) Người lái máy xúc chọn nghỉ trên màn hình ứng dụng

(9) Người lái ô tô chọn di chuyển có tải trên màn hình ứng dụng

(10) Người lái ô tô chọn dỡ tải trên màn hình ứng dụng

(11) Người lái ô tô chọn di chuyển không tải trên màn hình ứng dụng

(12) Người lái ô tô chọn nghỉ trên màn hình ứng dụng

(13) Kết thúc chu trình

2.2.4 Thiết kế dữ liệu giám sát hành trình

Do đặc điểm của dữ liệu hành trình liên quan đến vị trí và các thuộc tính nên phù hợp với kiểu dữ liệu không gian địa lý theo định dạng GeoJSON [13], kiểu dữ liệu này hoàn toàn phù hợp với định dạng dữ liệu theo thời gian thực mà Firebase

hỗ trợ nên GeoJSON sẽ được sử dụng để làm tiêu chuẩn cho dữ liệu hành trình Vị trí của phương tiện là dữ liệu không gian được thể hiện dưới dạng tọa độ địa lý (coordinates) theo hệ thống trắc địa thế giới World Geodetic System WGS84, đơn -