散貨料場智能化信息化可視化的研究和應用*

黃　歡　周　泉　楊天龍　楊天宇

泰富重裝集團有限公司

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散貨料場智能化信息化可視化的研究和應用*

黃歡周泉楊天龍楊天宇

泰富重裝集團有限公司

介紹了集料場可視化管理、作業智能化調度、物料和料堆信息化管理、設備自動化作業等多種先進技術于一體的可視化、信息化、智能化料場管理控制平臺的硬、軟件構成及其在堆取料機的自動堆取料控制中的應用。該系統主要是利用激光掃描技術，對料堆進行實時掃描，形成2D/3D可視化圖像、料場及料堆管理信息，同時通過智能化控制將這些信息轉化為PLC的控制指令，控制堆取料機自動完成堆取料作業。

散貨料場；智能調度；信息管理；3D可視化

1　前言

目前，在散貨料場中，堆取料機主要負責物料的堆取作業，是整個原料場中非常重要的生產環節，其堆取作業通常依靠現場操作人員進行，堆取料設備操作人員根據散料輸送中控室的指令和個人的經驗，將堆取料機開到指定的料堆點進行堆取料作業。一方面由于原料場現場往往是露天的，受風、雨等自然條件影響很大，且在設備運轉的過程中產生了大量的可吸入性粉塵，漫天的粉塵嚴重影響到操作人員的健康；另一方面由于人工操作，物料的信息完全是人手工編寫，不利于料場物料的信息化管理，同時料場料堆的分布、物料種類、設備狀態等相關信息無法實時顯示。因此，如何有效地減少人為因素，改善勞動環境，降低勞動強度，降低勞動成本，加強物料信息的管理以及實現料場可視化，成了散貨料場面臨的共同問題。

2　系統組成

2.1硬件系統組成

散貨料場智能化、信息化、可視化硬件系統主要由斗輪堆取料機控制系統和中控室中央控制系統兩部分組成，見圖1。

(1)堆取料機控制系統主要完成本地堆取料控制、各機構狀態、故障采集、激光掃描及數據處理。堆取料機設有本地PLC可編程邏輯控制系統，用于實現本地的堆取料機的邏輯控制和堆取料機各個機構狀態及故障的數據采集。堆取料機上設有一臺高性能的機上堆取料自動作業工控機操作站，用于實現與PLC的通信控制、局部堆型的數據處理以及自動堆取料作業。在堆取料機的立柱頂端安裝三維激光掃描系統，用于掃描料堆數據，操作站把掃描的堆型數據進行處理，通過以太網傳送給中控室中央服務器。堆取料機的臂架上設RTK-GPS系統，用于實現堆取料機的回轉、俯仰、走行的精確定位。

(2)中央控制系統主要完成堆取料機設備調度作業計劃的生成、自動堆取料機作業系統控制及料場料堆及物料管理。中控室設有冗余的服務器，用于料場料堆的三維處理、料堆堆取料作業控制以及與堆取料機控制系統的實時通信。該服務器安裝了oracle數據庫，用于保存堆取料機的狀態、料場信息以及料堆信息等。中控室還設有遠程操作手柄，必要時可以通過中控室的中央控制系統進行人工干預。

圖1　硬件系統組成

2.2軟件平臺組成

散貨料場智能化、信息化、可視化系統軟件平臺主要由如圖2所示的7個部分組成。

圖2　軟件平臺組成

堆取料機自動作業系統主要實現料堆掃描及堆取料機高精度定位、激光將掃描后的料堆數據以及定位數據，以指定料場為原點，實現料場料堆及設備的空間坐標轉換、作業參數設定和修改、各個設備操作權限的管理、自動規劃作業路徑可視化與堆取料自動化控制、作業狀態監控和進度管理以及作業設備姿態和對象料堆實時可視化。

料堆可視化軟件系統主要負責由各個區域掃描的料堆數據進行網格化處理，實現整個料場料堆數據的拼接、全料場料堆的2D或3D模式的可視化并具有視角轉變、局部放大等功能；實現料堆區域范圍的智能化識別。

料場料堆及物料管理軟件系統主要負責實現物料信息追蹤，包括物料的種類、運輸的批次、客戶名稱等信息；實現料堆分布管理和可視化，包括料堆的編號、料堆的分布、設備的分布等信息；實現物料信息管理，包括物料編號、料堆位置、料堆體積、料堆重量、作業設備等信息；實現料堆物料盤庫。

堆取料作業設備調度軟件系統，主要是負責堆料作業時作業區域自動尋優，當收到中央調度計算機的作業計劃后，根據物料種類、作業噸位等進行場地選擇；當料場沒有此物料時，自動進入新堆模式，計算相應的起始位置后，推薦合適的空地給操作人員；如果料場有此物種時，則進入空地堆新堆、續堆或者補堆模式，計算相應的起始位置后，推薦合適的位置給操作人員；取料作業時，判斷最合適料堆，計算取料的起始位置和終止位置，自動尋優；實現單個作業計劃的多種作業方案推薦；作業結果提前可視化預覽。

料場設備防碰撞軟件系統主要負責作業過程中的動態防碰撞、防碰撞區域范圍和等級可設定、設備防碰撞的動態2D和3D顯示。

堆取料設備遠程管理軟件系統主要負責堆取料設備的運行狀態監控；堆取料設備作業數據記錄與統計；堆取料設備維護保養管理；設備故障、報警顯示與處理。

3　技術實現

3.1三維激光掃描與坐標系轉換及高度定位

3D激光掃描儀(替代人工操作過程中的人眼)利用TOF飛行時間原理，對堆取料機周邊的料堆進行掃描測距，并進行一系列的濾波、去振動、去雨霧干擾等數據處理后，進行連續的多維空間坐標系轉換，獲取料堆表面網格在料場參照坐標系中的絕對坐標。堆取料機的定位精度直接關系到掃描料堆后還原坐標系時數據的準確性，從而對取料時斗輪斗體的切削深度控制、取料流量控制精度、料堆體積計算精度都有很大影響。因此系統采用兩點RTK-GPS系統，利用基準站和流動站的差分互校功能實現高精度定位，并采用坐標系矩陣變換計算出走行位置、回轉角度、俯仰角度。3D激光掃描儀見圖3。

圖3　3D激光掃描儀

3.2料場整體海量點云數據的處理與拼接及3D動態顯示

中控可視化計算機需要接收各臺設備發回的料堆表面網格坐標數據，并采用特殊并行算法進行處理，提升處理速度，將各個區域的掃描數據進行邊緣重合數據處理后進行拼接，實現整個料場點云數據的整合。為便于更加直觀地顯示料場和設備的狀態，可引入3D繪圖渲染技術，這就需要采取特殊的圖像算法，保證料場和設備3D的實時動態顯示，保證3D畫面的渲染質量，同時還必須保證圖像更新的實時性。料場拼接及3D可視化效果見圖4。

圖4　料場拼接及3D可視化效果

3.3取料流量的控制

取料過程中料堆隨時可能出現空隙，或者設備回轉出了取料作業料堆范圍之外，這樣易造成物料流量的不恒定，降低取料效率，因此系統采用先進機器視覺PID預估控制算法，通過實時分析料堆的形狀來調整回轉的方向和速度。同時還實時監測斗輪電機電流或液壓系統壓力，通過數學模型估算來調整回轉速度，保證流量處于較為穩定的范圍內。取料流量控制如圖5所示。

圖5　取料流量控制

3.4料場料堆識別、數據管理和設備的智能化調度

為了便于計劃管理人員操作便利，需要采用圖像識別算法對料場的料堆進行識別，判別每個料堆的范圍和起始位置，從而將其與作業參數(如物料種類、作業量、作業時間、作業設備等)進行整合后，以直觀分布圖的方式進行顯示。可以在可視化界面上查看到每個料堆的各種詳細信息，也可在利用此數據的基礎上，引入智能調度算法，完成堆取料作業設備的智能化調度。

4　結語

本系統結合了激光掃描技術、GPS技術、料場三維成像技術、PLC控制技術，實現了料場可視化、信息化、智能化管理控制，大大地改善了勞動環境，降低了勞動強度，提升了料場管理和調度水平。

Research and Application of the Intelligence,Informatization &Visualization Technology on Bulk Material Field

Huang HuanZhou QuanYang TianlongYang Tianyu

Tidfore Heavy Equipment Group Co., Ltd.

The paper mainly introduces the hardware and software constitutes of the visualization , informatization and intelligence stockyard management and control platform, which contains a variety of advanced technologies such as stockyard visualization, intelligent job scheduling, information management of material and stockpile, and automation jobs. The platform is developed to achieve the real-time scanning of the stockpile by utilizing the laser scanning technique. Through this method, it can generate the 2D/3D visualization pictures as well as management information of stockyard and stockpile. Furthermore, the system can also convert the management information into the PLC Control commands by intelligent control system and further control the Stacker/Reclaimer to complete stacking/reclaiming operation automatically.

bulk material stockyard; intelligent job scheduling; information management; 3D visualization

2016-05-20

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.015

*科技計劃項目：湖南省科技成果轉化及產業化，項目編號:2014CK1001

黃歡： 411201,湖南省湘潭市九華經濟技術開發區奔馳路6號