專利名稱：集成式自動化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在限定的地理區(qū)域內(nèi)進行集成式操作，尤其是涉及自主設(shè)備的操作。 本發(fā)明具有多種應(yīng)用，本發(fā)明在其可能的實施例之一中應(yīng)用于采礦自動化系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
控制系統(tǒng)越來越多地用于使工業(yè)過程或機器自動化，因為自動化可以提供更高的效率和安全性。隨著過程或機器的復(fù)雜性的增大，自動化系統(tǒng)也變得更復(fù)雜。對于涉及自主操作的情況尤其如此?？梢允褂米灾鞑僮鞯膹?fù)雜應(yīng)用的一個例子是采礦。例如含金屬的礦物或巖石的傳統(tǒng)露天采礦通常涉及在鉆探、爆破、裝載和拖運被釋放的材料之后逐步接近礦體。在鐵礦石的情況下，從一系列梯段(bench)大塊地開采鐵礦石并且同時執(zhí)行各種采礦活動(除爆破以外)，導(dǎo)致不同的設(shè)備以及常常人員同時存在于采礦地點。典型地40m長X20m深XlOm 高并且包含大約8千噸礦石的礦石梯段首先被鉆探以形成爆破孔圖案，并且鉆探殘渣被分析，作為更全面分析中的一個步驟，以確定待被爆破的材料平均地看包含高等級礦石、低等級礦石還是廢材料。被爆破了的材料由鏟、挖掘機和/或前端拖運裝載機收集，被裝載到拖運卡車中，并從礦坑運走。然后，依據(jù)等級確定結(jié)果在礦坑之外處理該材料；廢材料典型地被用作采礦填充物，低等級礦石被囤聚或者與高等級礦石混合，高等級礦石根據(jù)需要被進一步處理以形成可銷售的產(chǎn)品。迄今，在采礦地點只在非常有限的程度上采用自主操作。例子包括自動化拖運車輛在來自集中控制系統(tǒng)的遠程控制下的操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明尋求提供涉及不同自主系統(tǒng)的集成的更大范圍的自動化。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種在限定的地理區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自主操作的方法， 所述方法包括針對所述限定的地理區(qū)域建立管理方的自主系統(tǒng)；在所述管理方的所述自主系統(tǒng)中建立在所述地理區(qū)域內(nèi)具有按操作限定的地理邊界的多個固定地帶；采用具有自主操作系統(tǒng)的實體在所述多個固定地帶中相應(yīng)的固定地帶內(nèi)執(zhí)行具體的自主操作；以及將管理方的所述自主系統(tǒng)與所述實體的所述自主操作系統(tǒng)集成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于集成多個自主實體在限定的地理區(qū)域內(nèi)的操作的自動化系統(tǒng)，所述自動化系統(tǒng)包括圖像編纂系統(tǒng)，所述圖像編纂系統(tǒng)組合來自多個傳感器的信息以形成所述地理區(qū)域和所述自主實體的操作圖像，其中所述地理區(qū)域包括具有按操作限定的地理邊界的多個固定地帶；以及
控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括與每個固定地帶相對應(yīng)的至少一個控制器，其中所述自主實體與相應(yīng)控制器相關(guān)聯(lián)，并且所述控制器被設(shè)置成指導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的實體的自主操作。根據(jù)下面對完整的采礦自動化系統(tǒng)(Mine Automation System, MAS)形式的示例性實施例的描述，將更充分地理解本發(fā)明。該描述是通過例示的方式并且參考附圖中示出的圖解表示來提供的。當(dāng)在本文中使用時，除非上下文要求，術(shù)語“包括(comprise)”以及該術(shù)語的變化如“包括(comprising) ”、“包括(comprises) ”和“包括(comprised) ”不意在排除進一步的添加物、組件、整數(shù)或步驟。


在附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的包括MAS系統(tǒng)的實施的用于采礦的集成式自動化系統(tǒng)的高級結(jié)構(gòu)的示意性表示；圖2圖示了圖1的系統(tǒng)的采礦自動化系統(tǒng)(MAS)；圖3是圖2的MAS的采礦規(guī)劃系統(tǒng)(Mine Planning System, MPS)的圖解表示；圖 4 是圖 2 的 MAS 的采礦圖像編纂系統(tǒng)(Mine Picture Compilation System, MPCS)的圖解表示；圖5示出了圖4的MPCS的融合系統(tǒng)的邏輯示意圖；圖6是圖2的MAS的采礦控制系統(tǒng)(Mine Control System, MCS)的圖解表示；圖7是圖2的MAS的高級狀態(tài)機的圖解表示；圖8是圖7的狀態(tài)機的“Rim_MAS”狀態(tài)的狀態(tài)機的圖解表示；圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的從B中的開始位置到C中的結(jié)束位置的實體搜索過渡的過渡例子；圖lOa-e圖示了圖9中所示的過渡期間的信息流；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)的圖解表示；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MPS的圖解表示；圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MCS拓撲的圖解表示；
圖14是圖12的每個任務(wù)規(guī)劃器和圖13的MCS之間的通信的圖解表示；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的MPCS部署的圖解表示；圖16圖示了圖15的MPCS插件與圖13的MCS的控制通信；圖17圖示了圖15的MPCS、圖13的MCS和圖11中所示的采礦設(shè)備之間的通信；圖18是根據(jù)圖11-17中描述的組件的MAS的配置的圖解表示；以及圖19是地理區(qū)域的圖形表示的例子。
具體實施例方式寬泛地說，下面描述的系統(tǒng)和方法使得自主操作能夠在限定的地理區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)。 在該區(qū)域內(nèi)建立具有按操作限定的地理邊界的多個固定地帶，并且自主操作系統(tǒng)在所述固定地帶內(nèi)執(zhí)行具體的自主操作，自主操作系統(tǒng)控制一個或多個自主實體，例如自導(dǎo)引和操
5作的車輛。管理方的自主系統(tǒng)可以與自主操作系統(tǒng)集成。還可以(但是不必一定)使得操作者能夠?qū)芾矸阶灾飨到y(tǒng)施加超馳控制，并且通過該系統(tǒng)對自主操作系統(tǒng)施加超馳控制。表述“按操作限定的地理邊界”應(yīng)被理解為意指包圍如下地帶的邊界在該地帶中進行操作或者可以時常進行操作。例如，在采礦地點的情況下，包圍活動的梯段裝載地帶的邊界可以是按操作限定的，該邊界可以是圍繞操作中的拖運卡車可以沿其行駛的靜態(tài)車道的邊界。所描述的系統(tǒng)和方法具有多方面的應(yīng)用；例如在采礦、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、海洋或軍事應(yīng)用中進行自主操作的方法，其中可以在限定的區(qū)域中的至少一個地帶(具有按操作限定的地理邊界)中進行自主操作。例如，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的情況下，可以采用本發(fā)明以幫助實現(xiàn)對在較大農(nóng)場的固定地帶中操作的自主農(nóng)業(yè)機器的控制。另外如先前指出的以及根據(jù)一個示例性實施例，所描述的系統(tǒng)和方法可以在采礦中得到應(yīng)用，并且本發(fā)明可以結(jié)合采礦控制系統(tǒng)(“MCS”)。因此，MCS可以可選地與采礦自動化系統(tǒng)(“MAS”)的其它組件一起集成在MAS中，MAS的其它組件可選地包括采礦規(guī)劃系統(tǒng)(“MPS”)和在本文中稱為采礦圖像編纂系統(tǒng)(“MPCS”或“MPC”)的采礦分析系統(tǒng)。 可以參考表12和13，表12和13列出了本說明書中使用的這些和其它縮寫和術(shù)語。該系統(tǒng)集成了操作單元(部署在采礦中的第三方設(shè)備系統(tǒng)可以具有它們自己的自動化系統(tǒng))、圖像編纂系統(tǒng)、規(guī)劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。MAS概念的實施需要采用自動化和/或操作人員的采礦區(qū)域內(nèi)有界的、唯一限定的固定地帶或空間區(qū)域。這些地帶中的每一個被看作是一個自動化島(IoA)，其實際上可以隨著時間改變位置或者其邊界的形狀可以改變，每個以它自己的一組入口點、出口點、規(guī)則和約束條件在本地操作。為了安全，IoA之間應(yīng)該嚴格分開，在任何給定的時間，實體都僅在唯一的IoA的控制之下，并且所描述的方法提供用于控制交互作用的手段?？梢允褂梦锢碚系K物如料堆和柵欄或者虛擬“障礙物”如基于GPS的繪圖的組合以使島/地帶分開。由于采礦中的所有實體典型地都具有自定位能力，所以可以配置虛擬障礙物以在實體偏離它們的操作區(qū)域時報警或者停止工作。在最高級，可將整個采礦看作一個ΙοΑ。然后可以定義子區(qū)域島的層級，以囊括具體的工作區(qū)。例如，可以針對道路網(wǎng)、要鉆探的梯段和挖掘區(qū)在采礦內(nèi)抽象地創(chuàng)建分開的 IoA0此外，可能期望在給定的采礦情形下根據(jù)需要在這些區(qū)內(nèi)創(chuàng)建較小IoA的嵌套層級。 移入和移出IoA被嚴格控制，并且使用過渡地帶的概念(下面參照圖9和圖10描述)來定義入口點和出口點周圍過渡被管理的區(qū)域。這些過渡地帶的作用是為可以發(fā)生控制交接的區(qū)域提供嚴格的邊界，并且確保除非在經(jīng)認證的系統(tǒng)的控制下否則實體不操作。MAS及其組件能夠以集中式、分布式或者分散式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。例如，MPC和NCS系統(tǒng)可以是分布式的或者是分散式的，使得每個IoA可以具有負責(zé)該IoA的專用的控制單元和 MPC實例。同樣的系統(tǒng)還可以由集中式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。例如，由采礦圖像編纂系統(tǒng)生成的模型可以存儲在集中式數(shù)據(jù)庫中，或者可以由集中式控制器計算對所有IoA的控制，并且將該控制傳送到每個ΙοΑ。所描述的系統(tǒng)的主要功能塊由軟件實現(xiàn)。因此，在適當(dāng)?shù)那闆r下，在本說明書中使用術(shù)語來描述軟件實現(xiàn)?？梢栽谥T如服務(wù)器等計算系統(tǒng)形式的適當(dāng)計算機硬件的幫助下實現(xiàn)圖像編纂系統(tǒng)、規(guī)劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所需的軟件。服務(wù)器包括接收、存儲和執(zhí)行適當(dāng)計算機指令所必須的適當(dāng)組件。該組件可以包括處理單元、存儲器、存儲和輸入-輸出接口。標(biāo)準的計算硬件還包括用于硬件組件之間通信的總線。適當(dāng)系統(tǒng)的一個例子是Dell PowerEdge M600服務(wù)器，其可以容納在Dell PowerEdge MlOOOe外殼中?？梢允褂眠m當(dāng)?shù)挠嬎銠C硬件和軟件來實現(xiàn)操作單元中的自動化功能?？梢栽诰哂袀溆秒娫吹那度胧接嬎銠C上運行需要在苛刻條件下例如采礦中的單元上運行的軟件，該嵌入式計算機包括接收、存儲和執(zhí)行適當(dāng)計算機指令所必須的適當(dāng)組件。該組件可以包括處理單元、存儲器、存儲和輸入-輸出接口。適當(dāng)系統(tǒng)的一個例子是由美國加州圣何塞市的 Ampro Computers公司提供的Ampro LittleBoardTM 800單板機。如果自動化單元被部署在苛刻的條件下，則可以將該計算機系統(tǒng)容納在保護外殼中?？梢允褂弥С蛛p向通信的無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)單元之間以及操作單元和MAS的組件之間的通信。1、集成式自動化系統(tǒng)圖1例示了用于采礦的集成式自動化系統(tǒng)的高級結(jié)構(gòu)100。該系統(tǒng)的關(guān)鍵元件包括 軟件子系統(tǒng) 嵌入式硬件系統(tǒng) 傳感器系統(tǒng) 數(shù)據(jù)融合、處理和存儲系統(tǒng) 智能規(guī)劃、調(diào)度和控制子系統(tǒng) 自主車輛 通信網(wǎng)絡(luò)自主系統(tǒng)的核心元件是采礦自動化系統(tǒng)(MAS) 101，它是分布式實時自動化系統(tǒng)。 該MAS包括接口、子系統(tǒng)、邏輯連接和信息傳播鏈路，以連接并支持操作者和普通第三方自動化和信息元件。1. 1操作者控制人對自主操作的監(jiān)督是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個方面，并且圖1中例示了這一點，其中操作者元件102用于囊括所有人與MAS 101的交互作用。這可以包括物理分布在采礦地點、 中央采礦控制室和遠程操作中心(ROC)(未示出)的操作者。該MAS結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)造為允許該系統(tǒng)中的任何元件被人類操作者102查詢，并且操作者作用可以被定義為允許控制和監(jiān)視所有自主處理，有權(quán)限取代自主系統(tǒng)或者關(guān)閉它們。該級控制是為緊急情況和安全情況而準備的，并且不期望在常規(guī)操作期間執(zhí)行該控制。操作者的作用的關(guān)鍵要素可以包括 監(jiān)視采礦中的實體的狀態(tài)； 管理、規(guī)劃并調(diào)度采礦中的操作； 處理并管理緊急情況； 信息系統(tǒng)的監(jiān)管評估。
1. 1. 1.鏈路 L-I表1示出人類操作者102和MAS 101之間的信息交互。僅通過被發(fā)送的并且不是特定消息格式或協(xié)議的類型的信息描述針對該系統(tǒng)中的所有鏈路(L-1至Lll)描述的信息交換。圖1中例示了鏈路L-I的位置。人類操作者102能夠添加、編纂、更新或刪除MAS 101的任何子系統(tǒng)中的信息。該操作者與圖2中所示的MPS 201、MCS 203和MPCS 202直接相互作用，并且有能力批準和否決這些子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)或者任何活動。表1 :MAS 101和人類操作者102之間的信息交換(L_l)
權(quán)利要求
1.一種在限定的地理區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自主操作的方法，所述方法包括 針對所述限定的地理區(qū)域建立管理方的自主系統(tǒng)；在所述管理方的所述自主系統(tǒng)中建立在所述地理區(qū)域內(nèi)具有按操作限定的地理邊界的多個固定地帶；采用具有自主操作系統(tǒng)的實體在所述多個固定地帶中相應(yīng)的固定地帶內(nèi)執(zhí)行具體的自主操作；以及將管理方的所述自主系統(tǒng)與所述實體的所述自主操作系統(tǒng)集成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述集成步驟包括在管理方的所述自主系統(tǒng)中注冊所述自主實體與相應(yīng)固定地帶；以及管理方的所述自主系統(tǒng)指導(dǎo)所注冊的所述自主實體在所述相應(yīng)固定地帶內(nèi)的所述操作。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中所述實體包括至少一個移動自主實體，并且所述方法包括所述管理方的所述自主系統(tǒng)控制所述移動自主實體在固定地帶之間的移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中控制所述移動自主實體的移動包括如果所述移動自主實體移動到不同的固定地帶中，則注冊所述移動自主實體與所述不同的固定地帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，包括在相鄰固定地帶之間提供過渡地帶，其中如果所述移動實體在所述相鄰地帶之間移動，則所述管理方的所述自主系統(tǒng)指導(dǎo)所述移動實體穿過所述過渡地帶。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，包括改變所述限定的地理區(qū)域內(nèi)的至少一個所述固定地帶的所述地理邊界。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中建立所述多個固定地帶使用了包括物理障礙物的地理邊界。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項所述的方法，其中建立所述多個固定地帶使用了包括虛擬障礙物的地理邊界。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，包括使用基于位置的控制系統(tǒng)來映射所述虛擬障礙物。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述限定的地理區(qū)域包括采礦地點，并且其中所述固定地帶分別包圍所述采礦地點內(nèi)的不同采礦操作區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述采礦操作區(qū)包括所述采礦地點的鉆孔區(qū)、 爆破區(qū)、裝載區(qū)、拖運區(qū)和加工區(qū)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，包括使得至少一個管理方操作者能夠?qū)λ龉芾矸降乃鲎灾飨到y(tǒng)、并且通過該系統(tǒng)對所述實體的所述自主操作系統(tǒng)施加超馳控制。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括使得所述管理方操作者能夠詢問所述管理方的所述自主系統(tǒng)以及所述自主操作系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括向所述操作者提供取代或關(guān)閉自主系統(tǒng)的權(quán)限。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括所述管理方的所述自主系統(tǒng)使得所述操作者能夠執(zhí)行從以下任務(wù)中選擇的任務(wù)監(jiān)控所述實體的狀態(tài)；管理、規(guī)劃和調(diào)度所述地理區(qū)域中的操作；處理和管理緊急情況；以及信息系統(tǒng)的監(jiān)管評估。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述集成包括所述管理方的所述自主系統(tǒng)組合來自多個傳感器的信息，以形成所述地理區(qū)域和所述自主實體的操作圖像。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述集成包括所述管理方的所述自主系統(tǒng)為所述自主實體的操作調(diào)度任務(wù)。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中所述自主操作系統(tǒng)包括用于在所述固定地帶內(nèi)控制多個自主實體的自主系統(tǒng)。
19.一種用于集成多個自主實體在限定的地理區(qū)域內(nèi)的操作的自動化系統(tǒng)，所述自動化系統(tǒng)包括 圖像編纂系統(tǒng)，所述圖像編纂系統(tǒng)組合來自多個傳感器的信息以形成所述地理區(qū)域和所述自主實體的操作圖像，其中所述地理區(qū)域包括具有按操作限定的地理邊界的多個固定地帶；以及控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括與每個固定地帶相對應(yīng)的至少一個控制器，其中所述自主實體與相應(yīng)控制器相關(guān)聯(lián)，并且所述控制器被設(shè)置成指導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的實體的自主操作。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的自動化系統(tǒng)，還包括與所述圖像編纂系統(tǒng)和所述控制系統(tǒng)通信的規(guī)劃系統(tǒng)，所述規(guī)劃系統(tǒng)為所述自主實體的操作調(diào)度任務(wù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的自動化系統(tǒng)，其中受控制的所述多個實體是不同類的，并且包括至少第一和第二實體類型。
22.根據(jù)權(quán)利要求19至21中的任一項所述的自動化系統(tǒng)，包括實現(xiàn)所述自主系統(tǒng)和所述實體的自主操作系統(tǒng)的互操作性的多個接口單元。
23.根據(jù)權(quán)利要求19至22中的任一項所述的自動化系統(tǒng)，其中所述自主實體中的至少一個是移動的，并且所述控制系統(tǒng)被設(shè)置成控制所述移動實體在固定地帶之間的移動。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的自動化系統(tǒng)，其中所述控制系統(tǒng)被設(shè)置成在所述移動實體移動到與不同的控制器相對應(yīng)的固定地帶中的情況下將所述移動實體與所述不同的控制器相關(guān)聯(lián)。
25.根據(jù)權(quán)利要求19至M中的任一項所述的自動化系統(tǒng)，包括至少一個操作者接口， 所述操作者接口使得操作者能夠?qū)λ鲎灾飨到y(tǒng)、并且通過所述自主系統(tǒng)對所述實體施加超馳控制。
26.根據(jù)權(quán)利要求19至25中的任一項所述的自動化系統(tǒng)，其中所述圖像編纂系統(tǒng)包括與相應(yīng)固定地帶相對應(yīng)的多個子系統(tǒng)，所述子系統(tǒng)被設(shè)置成形成對應(yīng)固定地帶的操作圖像。
27.—種基本上如本文中參照附圖所述的用于在限定的地理區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自主操作的方法。
28.—種基本上如本文中參照附圖所述的自動化系統(tǒng)。
全文摘要
在限定的地理區(qū)域內(nèi)進行自主操作。在管理方的自主系統(tǒng)中，建立在該地理區(qū)域內(nèi)具有按操作限定的地理邊界的多個固定地帶。具有自主操作系統(tǒng)的實體在該多個固定地帶中相應(yīng)的固定地帶內(nèi)執(zhí)行具體的自主操作。管理方的自主系統(tǒng)與實體的自主操作系統(tǒng)集成。
文檔編號G05B19/418GK102460325SQ201080026275
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月1日
發(fā)明者休·達蘭特-懷特, 埃里克·內(nèi)特爾頓, 奧利·海達爾·格克特根, 羅斯·亨尼西 申請人:悉尼大學(xué)