考虑能量回收的露天矿新能源卡车路径规划_顾清华.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-16基金项目 国家自然科学基金项目(编号:52074205);陕西省自然科学基础研究计划项目(编号:2020JC-44)。作者简介 顾清华(1981),男,教授,博士,博士研究生导师。考虑能量回收的露天矿新能源卡车路径规划顾清华1,2 刘绒绒1,2 李学现2,3 高 松2(1.西安建筑科技大学资源工程学院,陕西 西安 710055;2.西安市智慧工业感知计算与决策重点实验室,陕西 西安 710055;3.西安建筑科技大学管理学院,陕西 西安 710055)摘 要 随着我国能源结构的调整和低碳政策的实施,新能源卡车已成为露天矿运输的装备之一。但新能源卡车的电池能耗大,合理规划路径从而减少能耗始终是露天矿运输中的问题所在。通过对卡车行驶中电池能耗与回收的分析,综合考虑卡车速度、卡车载重、坡度和道路等级 4 个影响因素,建立以能耗最小为目标的露天矿能量优化模型;同时为减少里程焦虑问题,将车载剩余能量、充电站位置因素纳入到问题模型中。然后提出了一种基于角度的双向搜索策略改进 A算法(IA)。最后通过仿真实验证明,建立的能量优化模型针对里程焦虑问题,得到了能耗最小的可行路径,更能反映真实露天矿环境下新能源卡车的运输情况,验证了所提方法的实用性。关键词 露天矿运输 新能源卡车 路径规划 能量优化 IA算法 中图分类号TD56 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-182-07DOI 10.19614/ki.jsks.202302025New Energy Truck Path Planning for Open-pit Mine Considering Energy RecoveryGU Qinghua1,2 LIU Rongrong1,2 LI Xuexian2,3 GAO Song2(1.School of Resources Engineering,Xian University of Architecture&Technology,Xian 710055,China;2.Xian Key Laboratory for Intelligent Industrial Perception,Calculation and Decision,Xian 710055,China;3.School of Management,Xian University of Architecture&Technology,Xian 710055,China)Abstract With the development of Chinas energy structure and the implementation of low-carbon policies,new energy trucks become the future trend of open-pit mine transportation.However,the battery energy consumption of new energy trucks accounts for a large proportion of energy consumption.Rational planning of routes to reduce energy consumption has always been the problem in open-pit mine transportation.In order to solve this problem,an energy optimization model of open-pit mine was established by analyzing the process of battery energy consumption and recycling in truck driving.The model considers four factors including truck speed,truck load,slope and road grade.And the remaining energy on the vehicle and the location of the charging station are embedded into the model to reduce the range anxiety problem.Then,an improved A algorithm(IA)based on angle-based bidirectional search strategy is proposed to solve the model.Finally,the simulation experiment proves that the established energy optimization model can find the feasible path with the lowest energy consumption for the problem of range anxiety.And it can better reflect the transportation situation of new energy trucks in the real open-pit mine environment,which verifies the practicability of the proposed method.Keywords open-pit mine transportation,new energy truck,path planning,energy optimization,IA algorithm 在油耗法规加严、环保要求提高、常规车限行以及新能源相关技术的进步、成本下降、市场接受度的提升等情况下,新能源化成为卡车发展的未来趋势。近年来新能源卡车在露天矿开采运输中得到了很大的发展。第一届中国国际智能网联与新能源卡车大会提出,新能源卡车可优先应用于矿区、港口两大场景。因为,这两个场景下的卡车运输多为中低速运行,长时间低速行驶更容易增大油耗1,而新能源卡车在减速、制动、滑行等状态下可以进行能量回收,继而大幅降低运营成本。但是新能源卡车在矿区的应用还存在一些不足,如里程焦虑等问题,都制约着新能源卡车在矿区的发展。在现有电池技术上,利用露天矿作业面的高差,进行合理的路径规划减少里程焦虑成为了一个新的发展方向。281露天矿路径问题长期以来始终都是露天采矿技术研究和领域中的一个热点问题,目前国内外学者对该问题的研究主要集中于以下 2 类。第一类,对矿山初始运输道路的开拓定线。ADENSO-DIAZ 等2从露天煤矿运输系统布置过程中的波动变化入手,提出了一种用于自动更新静态道路网络基有向图的新方法,实现煤炭运输路线的优化;朱明海3基于成本理论提出了道路价值模型,利用遗传算法对矿山道路进行智能三维选线;Choi 等4开发了一种新的基于栅格的 GIS 模型,对影响道路规划的因素赋以不一样的权重来生成平均不利分数网格,以最小化成本为目标确定最优路径;之后Choi 和 Nieto5在铺设和未铺设临时道路的工作区域,考虑沿线地形起伏和曲线对路径规划的影响,改进了最小成本路径算法;刘光伟等6采用时变运输功作为运营成本的评价指标,基于采场内运输系统的时空演化特性提出了全新的道路选线及线路更新判别算法。第二类,对既有运输道路利用群智能算法寻优。Chen Y 等7创建带权无向图,对传统 Dijkstra 算法进行改进,以运距为评价指标来求解最优路径;孙臣良等8-9考虑道路等级、高差等影响因素扩大粒子群搜索范围的改进粒子群求解露天矿最短路径;柴森霖等10基于改进遗传算法提出了动态路径规划,以此来描述露天矿路网的随机波动性,并求解运输功最小化的路网优化模型;Sun B 等11通过路径与障碍物的距离,划分不同的速度段,考虑到安全行驶,规划出更加符合实际情况的路径;顾清华等12基于 IAS 算法,以油耗成本和碳排放成本最小化为目标,建立了运输优化模型;Liu C 等13实现了路径长度和行驶安全之间的平衡;顾青等14设计的能耗预估代价函数,求解了能耗最小为目标的最优路径。在上述研究成果中,国内外学者对露天矿的路径规划已经逐渐由基于距离为目标转换为以成本或者能耗为目标求解最优路径。目前,新能源卡车的路径优化主要是以电池电量为约束的路径规划,以及最优的充电路径规划15-17。新能源卡车的能量回收分为两大类:制动、滑行能量回收。通过踩制动踏板实现能量回收就是制动能量回收,仅依靠丢油门实现能量回收则叫做滑行能量回收18-19。然而,在露天矿作业环境下,由于不同的路径有不同的坡度,因此相同长度的路径也可能有着不一样的能耗。同时,在卡车的实际运输过程中存在路程较长的时候需要中途充电的情况。为减少里程焦虑,基于能量优化进行露天矿新能源卡车的路径规划是十分有必要的20。对于露天矿这种特殊的作业环境,为了更精细化地反映卡车的实际运输状态,通过真实的路网平面图对露天矿路网进行建模。综合考虑卡车行驶速度、车载质量、路段坡度、道路等级这 4 个因素,计算势能、行程阻力能量损耗、电机损耗以及再生制动能量回收。针对里程焦虑问题,考虑卡车初始 SOC、能量消耗、能量回收等因素,建立以最小化电池能耗为目标的露天矿最优路径规划模型,并利用 IA算法进行求解。最后以山西省某露天矿为实例,证明能量优化模型的有效性。1 问题模型新能源卡车行驶过程中,制动状态下会进行能量回收,将势能转化为电能存储进电池里进行重复利用,而不是被摩擦阻力消耗掉21。本文假设卡车只在起点启动,终点和滑坡等状态时发生制动,路途中将不考虑紧急制动和再启动造成的能量消耗和能量回收。由于露天矿的道路复杂,道路质量参差不齐,因此卡车在运输过程中能耗和能量回收也不稳定19。为解决这些问题,首先根据露天矿的道路信息建立运输道路路网模型,然后考虑能量回收和利用建立能量优化模型,最后利用 IA算法求解最小能耗为目标的能量优化模型。1.1 模型假设为了建立更加精确的问题模型,做出如下假设22-23:卡车在相同等级的道路上具有相同的平均行驶速度;每一路段之间的坡度由首尾两点之间的高差确定;装载点的车辆可以向不同的卸载点运送矿石;暂时不考虑温度和驾驶员风格对耗电量的影响;默认卡车在电量小于规定值时不再运行开始充电;新能源卡车为同一型号,且载重量一致;路途中将不考虑紧急制动和再启动造成的能量消耗和能量回收。1.2 能量优化模型建立的露天矿新能源卡车运输能量优化模型如下:min(AE)=min(Ac(ij)+Ag(ij)+At(ij)-Am(ij)Lij(),(1)式中,AE为总能耗,J;Ac(ij)、Ag(ij)、At(ij)与 Am(ij)分别为在路段(i,j)上势能、行程阻力、电机损耗和再生制动回收的能量消耗,J;Lij为路段(i,j)上的实际运输距离,m。车辆沿路径 Mn(m1,m2,mn)行驶的总能耗为AE(P)=ni=1AE(mi,mi+1),(2)式中,mi表示节点 i;n 为路径数量。381 顾清华等:考虑能量回收的露天矿新能源卡车路径规划 2023 年第 2 期1.2.1 势 能当车辆在路段(i,j)上行驶时,一部分电能会转换为势能消耗掉,记为Ac(ij)=GLijsin,(3)式中,G 为新能源卡车的有效荷载,kg;为行驶过程中与水平地面的夹角。1.2.2 行程阻力能量损耗在驾驶电动汽车的过程中,车辆会受到路面的摩擦阻力、坡度阻力、空气阻力、轴承之间的摩擦等,通过力学分析,可以得到以下方程:F=Ff+ma,(4)式中,F 为电动汽车的牵引力;Ff为摩擦力;m 为卡车质量;a 为加速度。摩擦力