儲(chǔ)煤場多點(diǎn)激光掃描盤煤系統(tǒng)研究

靳永亮 孫彥亮 胡旭喆

（河北建投沙河發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 沙河 054100）

目前，在國內(nèi)應(yīng)用比較普遍的盤煤方法包括人工測量、激光雷達(dá)盤煤測量、無人機(jī)盤煤等[1-2]。其中，依靠人工方法解決儲(chǔ)煤場盤煤問題時(shí)容易產(chǎn)生比較大的誤差，而且人工現(xiàn)場測量勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作環(huán)境差，人員不能長時(shí)間停留，導(dǎo)致耗費(fèi)時(shí)間較長[3-4]。借助無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行盤煤，受到設(shè)備自身的限制會(huì)出現(xiàn)難以控制定位精度、無人機(jī)抖動(dòng)拍照模糊等問題，尤其是對于封閉式儲(chǔ)煤場的適應(yīng)性比較差[5-6]?，F(xiàn)有的激光雷達(dá)盤煤系統(tǒng)實(shí)施過程復(fù)雜，維護(hù)成本高，測量距離短，透視幾何定位存在測量死角和盲區(qū)[7-8]。針對沙河發(fā)電公司儲(chǔ)煤場盤煤方法的現(xiàn)狀和實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一種多點(diǎn)激光掃描3D 點(diǎn)云模型成像的自動(dòng)盤煤系統(tǒng)，將多點(diǎn)激光掃描技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化煤場的管理系統(tǒng)中，使用3D 圖形降維的方法存儲(chǔ)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將多種坐標(biāo)系下的點(diǎn)云模型進(jìn)行濾波、降噪、網(wǎng)格化處理，使系統(tǒng)能快速地轉(zhuǎn)換成彩圖，提高了整個(gè)場地中數(shù)據(jù)的聚合度。

1 多點(diǎn)激光掃描盤煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 儲(chǔ)煤場概況

河北建投沙河發(fā)電有限公司煤場采用三列貫通式布置，擋墻為排水溝與擋煤墻一體澆筑，煤場四周設(shè)置環(huán)形消防通道。煤場內(nèi)斗輪機(jī)布置于煤場中間，斗輪機(jī)回轉(zhuǎn)半徑為30 m，斗輪直徑6.1 m。煤場堆高為12 m，煤場四周設(shè)置的擋風(fēng)抑塵墻高度為18.6 m，原設(shè)計(jì)在煤場四周設(shè)置了噴淋抑塵設(shè)施，煤場已于2019 年實(shí)施煤場氣膜防塵封閉改造完畢。儲(chǔ)煤場利用以往的盤煤系統(tǒng)進(jìn)行煤場盤點(diǎn)均存在一定困難，不能完全解決現(xiàn)場問題，主要表現(xiàn)在：煤場儲(chǔ)煤后，煤堆四周與擋煤墻接觸，無法從外側(cè)掃描煤堆輪廓，內(nèi)側(cè)只能在堆取料機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行測量；煤場內(nèi)封閉性較好，不適宜人員在煤場內(nèi)長時(shí)間工作；單一堆取料臂運(yùn)動(dòng)范圍無法實(shí)現(xiàn)煤場全覆蓋要求，不能完成盤點(diǎn)任務(wù)。

1.2 盤煤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對儲(chǔ)煤場上述問題，多點(diǎn)激光掃描盤煤系統(tǒng)通過在煤場內(nèi)堆取料機(jī)堆料臂、取料臂和倉內(nèi)環(huán)形四周空間合理安裝固定盤煤激光掃描儀，且在掃描儀上端配置旋轉(zhuǎn)云臺(tái)，利用堆料臂及取料臂分別運(yùn)動(dòng)，將其覆蓋范圍內(nèi)煤堆進(jìn)行掃描，在堆料臂、取料臂運(yùn)動(dòng)端部不能掃描部分，利用旋轉(zhuǎn)云臺(tái)擴(kuò)大掃描儀掃描范圍，實(shí)現(xiàn)整個(gè)儲(chǔ)煤場的全覆蓋掃描。然后利用計(jì)算機(jī)后臺(tái)處理，將掃描結(jié)果拼接、成像、建模和數(shù)據(jù)分析，利用三維建模技術(shù)完成存煤三維建模和體積計(jì)算從而得到儲(chǔ)煤場當(dāng)前存煤量。

整個(gè)盤煤系統(tǒng)中，堆料臂激光掃描儀安裝在堆料臂前端落料口位置，堆料臂定位編碼器采用齒輪傳動(dòng)方式與堆料臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)嚙合動(dòng)作獲取堆料臂實(shí)時(shí)角度信息。取料臂激光掃描儀安裝在取料機(jī)門架平臺(tái)上，取料臂定位編碼器安裝在取料門架行程輪上，與行程輪同步運(yùn)動(dòng)獲得取料臂當(dāng)前實(shí)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度。頂部三臺(tái)激光掃描儀通過云臺(tái)連接平均分布在馬道頂端，實(shí)現(xiàn)對下方煤堆的實(shí)時(shí)掃描功能。盤煤系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 多點(diǎn)激光掃描設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 多點(diǎn)激光掃描盤煤系統(tǒng)工作原理

整套盤煤系統(tǒng)中的激光掃描設(shè)備均有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，掃描過程中均以各自為坐標(biāo)中心進(jìn)行測量距離的計(jì)算，五處激光掃描設(shè)備將出現(xiàn)五個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)。由于煤場三維建模需要在一個(gè)統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系統(tǒng)中建立，因此需要將五個(gè)獨(dú)立的三維坐標(biāo)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

2.1 點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，建立一個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，以堆取料機(jī)中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)（O）、圓形煤場基準(zhǔn)面作為坐標(biāo)平面建立球形空間坐標(biāo)系統(tǒng)。將測量得到的每個(gè)激光掃描設(shè)備相對于該球形空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)中，根據(jù)每個(gè)激光掃描設(shè)備相對于該球形坐標(biāo)的偏移情況進(jìn)行（x,y, z）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，形成點(diǎn)云數(shù)據(jù)在球形坐標(biāo)中的空間位置M，轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。通過點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，所有激光掃描設(shè)備掃描出來的圖形均在一個(gè)公用坐標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，形成完整的點(diǎn)云圖形如圖3 所示，可以進(jìn)行煤場的三維建模。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的球形坐標(biāo)系統(tǒng)

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云圖形

2.2 離散點(diǎn)均值化處理算法

在進(jìn)行完三維點(diǎn)云拼接轉(zhuǎn)換后，由于設(shè)備安裝誤差及設(shè)備掃描過程中的振動(dòng)問題，在轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云坐標(biāo)中仍然存在很多噪點(diǎn)需要處理，借助規(guī)則格網(wǎng)DEM 數(shù)據(jù)模型對激光掃描數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行組織，能夠完成三維圖像的自動(dòng)糾錯(cuò)、降噪處理，使那些存在明顯噪聲和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)被自動(dòng)過濾，形成直觀、平滑、完整的模型數(shù)據(jù)。此外，可以調(diào)整規(guī)范化網(wǎng)格的DEM 數(shù)據(jù)的網(wǎng)格間隔，以適應(yīng)現(xiàn)場所需要的精度和計(jì)算效率。通過離散數(shù)據(jù)的網(wǎng)格規(guī)范化處理將平面分布的離散測量點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化，如圖4。

圖4 均值化之前的離散點(diǎn)分布

根據(jù)系統(tǒng)中給定的平面坐標(biāo)P（x, y），再以鄰近的已知離散測量點(diǎn)作為參考點(diǎn)計(jì)算出P 點(diǎn)的高程。因?yàn)榧す鈷呙璧玫降臄?shù)據(jù)密度大，所以在對P 點(diǎn)高程進(jìn)行計(jì)算時(shí)引入了加權(quán)平均算法。該算法將分布在同一個(gè)網(wǎng)格中的點(diǎn)的高度z 進(jìn)行均值化，且規(guī)定網(wǎng)格點(diǎn)的（x, y）坐標(biāo)為每個(gè)網(wǎng)格中心。通過合理制定網(wǎng)格的大小，在不影響精度的條件下盡可能增大網(wǎng)格，提高計(jì)算效率，同時(shí)能夠降低設(shè)備抖動(dòng)對數(shù)據(jù)的影響。均值化后的離散點(diǎn)分布如圖5。

圖5 均值化后的離散點(diǎn)分布

完成點(diǎn)云離散化處理后，通過三維建模軟件可以建立完整的煤場三維模型，同時(shí)模型具有多種模式查看功能。結(jié)合三維數(shù)字化系統(tǒng)，利用現(xiàn)有點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過3D 化的效果呈現(xiàn)，可以在系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)時(shí)展示整個(gè)儲(chǔ)煤場內(nèi)存煤變化情況及設(shè)備運(yùn)行情況，利用預(yù)留接口為后續(xù)智慧礦山提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)煤場實(shí)時(shí)三維信息展示功能。3D 化效果如圖6。

圖6 3D 實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)

3 盤煤系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

3.1 盤煤系統(tǒng)主要功能

通過將該盤煤系統(tǒng)在河北建投沙河發(fā)電公司儲(chǔ)煤場進(jìn)行工程應(yīng)用，可以完成自動(dòng)定時(shí)或人為手動(dòng)操作盤點(diǎn)，相比以往人工盤煤操作簡單快捷，實(shí)現(xiàn)了在線對儲(chǔ)煤場存煤量的快速精準(zhǔn)盤煤。經(jīng)測試，整個(gè)盤煤系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下主要功能：

（1）儲(chǔ)煤場存煤數(shù)據(jù)由激光掃描設(shè)備自動(dòng)采集和處理，并實(shí)時(shí)反饋后臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維建模，形成儲(chǔ)煤場存煤的多種圖形。整個(gè)盤點(diǎn)到建模完成時(shí)間小于20 min。

（2）激光掃描過程中能夠?qū)崿F(xiàn)煤場圖形的整體實(shí)時(shí)更新，自動(dòng)生成煤場三維模型。三維煤場模型具有分層、分堆計(jì)算管理功能，可以對任意分區(qū)內(nèi)煤堆體積計(jì)算及煤種信息查詢。

（3）系統(tǒng)可完成儲(chǔ)煤場任意區(qū)域內(nèi)儲(chǔ)煤量的盤點(diǎn)功能，盤點(diǎn)結(jié)果相對誤差小于0.5%，自動(dòng)生成帶煤場立體圖形、存煤量、盤煤時(shí)間等多功能的報(bào)表，方便人員查閱和記錄。

（4）能夠?qū)崿F(xiàn)煤場三維料場展示功能，展示畫面中顯示堆取料機(jī)三維形態(tài)，實(shí)時(shí)顯示堆料臂、取料臂狀態(tài)及數(shù)據(jù)。3D 實(shí)時(shí)展示系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)獲取料場內(nèi)料堆及堆取料機(jī)三維模型，實(shí)時(shí)展示模型狀態(tài)。

（5）三維模型能夠?qū)崿F(xiàn)顆?；芾砉δ?。煤場內(nèi)煤堆立體分層管理可以精確到每次堆取煤任務(wù)時(shí)的料堆輪廓變化情況并計(jì)算體積。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

激光掃描盤煤系統(tǒng)的實(shí)施可以節(jié)省公司人力成本投入。常規(guī)煤場盤點(diǎn)過程中需要3 人參與現(xiàn)場盤點(diǎn)工作，盤點(diǎn)時(shí)間需要3 h，目前公司相關(guān)人員人力成本每小時(shí)100 元，本項(xiàng)工作每周進(jìn)行一次，一年可節(jié)省公司人力成本投入46 800 元；而且，還可以將解放出來的人力進(jìn)行其他工作，間接減少人力成本46 800 元。因此，人力成本每年可節(jié)省93 600 元。

綜合以上表明，設(shè)計(jì)的多點(diǎn)激光掃描3D 點(diǎn)云模型成像的自動(dòng)盤煤系統(tǒng)適合沙河發(fā)電公司儲(chǔ)煤場，可以高效準(zhǔn)確盤點(diǎn)儲(chǔ)煤場內(nèi)存煤情況，對煤場存煤進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，避免了人為測量造成的盤煤周期長、誤差大的問題，有效提高了企業(yè)的經(jīng)營管理水平。

4 結(jié) 論

針對沙河發(fā)電公司儲(chǔ)煤場的盤煤問題，建立了一種多點(diǎn)激光掃描3D 點(diǎn)云模型成像的自動(dòng)盤煤系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和工作原理。通過將系統(tǒng)在沙河發(fā)電公司儲(chǔ)煤場進(jìn)行盤煤工程應(yīng)用，試驗(yàn)表明系統(tǒng)的盤煤時(shí)間為20 min，盤煤誤差小于0.5%，而且經(jīng)濟(jì)效益明顯，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)煤場內(nèi)儲(chǔ)煤量信息的實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。