儲煤場多點激光掃描盤煤系統研究

靳永亮 孫彥亮 胡旭喆

（河北建投沙河發電有限責任公司，河北 沙河 054100）

目前，在國內應用比較普遍的盤煤方法包括人工測量、激光雷達盤煤測量、無人機盤煤等[1-2]。其中，依靠人工方法解決儲煤場盤煤問題時容易產生比較大的誤差，而且人工現場測量勞動強度大，工作環境差，人員不能長時間停留，導致耗費時間較長[3-4]。借助無人機技術進行盤煤，受到設備自身的限制會出現難以控制定位精度、無人機抖動拍照模糊等問題，尤其是對于封閉式儲煤場的適應性比較差[5-6]。現有的激光雷達盤煤系統實施過程復雜，維護成本高，測量距離短，透視幾何定位存在測量死角和盲區[7-8]。針對沙河發電公司儲煤場盤煤方法的現狀和實際需求，設計了一種多點激光掃描3D 點云模型成像的自動盤煤系統，將多點激光掃描技術應用到數字化煤場的管理系統中，使用3D 圖形降維的方法存儲原始點云數據，并將多種坐標系下的點云模型進行濾波、降噪、網格化處理，使系統能快速地轉換成彩圖，提高了整個場地中數據的聚合度。

1 多點激光掃描盤煤系統結構

1.1 儲煤場概況

河北建投沙河發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，煤場四周設置環形消防通道。煤場內斗輪機布置于煤場中間，斗輪機回轉半徑為30 m，斗輪直徑6.1 m。煤場堆高為12 m，煤場四周設置的擋風抑塵墻高度為18.6 m，原設計在煤場四周設置了噴淋抑塵設施，煤場已于2019 年實施煤場氣膜防塵封閉改造完畢。儲煤場利用以往的盤煤系統進行煤場盤點均存在一定困難，不能完全解決現場問題，主要表現在：煤場儲煤后，煤堆四周與擋煤墻接觸，無法從外側掃描煤堆輪廓，內側只能在堆取料機平臺上進行測量；煤場內封閉性較好，不適宜人員在煤場內長時間工作；單一堆取料臂運動范圍無法實現煤場全覆蓋要求，不能完成盤點任務。

1.2 盤煤系統結構

針對儲煤場上述問題，多點激光掃描盤煤系統通過在煤場內堆取料機堆料臂、取料臂和倉內環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云臺，利用堆料臂及取料臂分別運動，將其覆蓋范圍內煤堆進行掃描，在堆料臂、取料臂運動端部不能掃描部分，利用旋轉云臺擴大掃描儀掃描范圍，實現整個儲煤場的全覆蓋掃描。然后利用計算機后臺處理，將掃描結果拼接、成像、建模和數據分析，利用三維建模技術完成存煤三維建模和體積計算從而得到儲煤場當前存煤量。

整個盤煤系統中，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方式與堆料臂旋轉機構嚙合動作獲取堆料臂實時角度信息。取料臂激光掃描儀安裝在取料機門架平臺上，取料臂定位編碼器安裝在取料門架行程輪上，與行程輪同步運動獲得取料臂當前實時旋轉角度。頂部三臺激光掃描儀通過云臺連接平均分布在馬道頂端，實現對下方煤堆的實時掃描功能。盤煤系統網絡結構如圖1。

圖1 多點激光掃描設備網絡結構

2 多點激光掃描盤煤系統工作原理

整套盤煤系統中的激光掃描設備均有獨立的運動機構，掃描過程中均以各自為坐標中心進行測量距離的計算，五處激光掃描設備將出現五個獨立的點云坐標系統。由于煤場三維建模需要在一個統一的三維坐標系統中建立，因此需要將五個獨立的三維坐標進行坐標轉換。

2.1 點云坐標轉換

在點云坐標轉換中，建立一個基準坐標系統，以堆取料機中心作為坐標原點（O）、圓形煤場基準面作為坐標平面建立球形空間坐標系統。將測量得到的每個激光掃描設備相對于該球形空間坐標系中的坐標位置轉換到同一個坐標系統中，根據每個激光掃描設備相對于該球形坐標的偏移情況進行（x,y, z）坐標轉換，形成點云數據在球形坐標中的空間位置M，轉換關系如圖2所示。通過點云坐標轉換后，所有激光掃描設備掃描出來的圖形均在一個公用坐標系統中進行處理，形成完整的點云圖形如圖3 所示，可以進行煤場的三維建模。

圖2 坐標轉換后的球形坐標系統

圖3 坐標轉換后的點云圖形

2.2 離散點均值化處理算法

在進行完三維點云拼接轉換后，由于設備安裝誤差及設備掃描過程中的振動問題，在轉換后的點云坐標中仍然存在很多噪點需要處理，借助規則格網DEM 數據模型對激光掃描數據結果進行組織，能夠完成三維圖像的自動糾錯、降噪處理，使那些存在明顯噪聲和錯誤的數據被自動過濾，形成直觀、平滑、完整的模型數據。此外，可以調整規范化網格的DEM 數據的網格間隔，以適應現場所需要的精度和計算效率。通過離散數據的網格規范化處理將平面分布的離散測量點數據網格化，如圖4。

圖4 均值化之前的離散點分布

根據系統中給定的平面坐標P（x, y），再以鄰近的已知離散測量點作為參考點計算出P 點的高程。因為激光掃描得到的數據密度大，所以在對P 點高程進行計算時引入了加權平均算法。該算法將分布在同一個網格中的點的高度z 進行均值化，且規定網格點的（x, y）坐標為每個網格中心。通過合理制定網格的大小，在不影響精度的條件下盡可能增大網格，提高計算效率，同時能夠降低設備抖動對數據的影響。均值化后的離散點分布如圖5。

圖5 均值化后的離散點分布

完成點云離散化處理后，通過三維建模軟件可以建立完整的煤場三維模型，同時模型具有多種模式查看功能。結合三維數字化系統，利用現有點云數據通過3D 化的效果呈現，可以在系統后臺實時展示整個儲煤場內存煤變化情況及設備運行情況，利用預留接口為后續智慧礦山提供數據基礎，實現儲煤場實時三維信息展示功能。3D 化效果如圖6。

圖6 3D 實時展示系統

3 盤煤系統應用效果分析

3.1 盤煤系統主要功能

通過將該盤煤系統在河北建投沙河發電公司儲煤場進行工程應用，可以完成自動定時或人為手動操作盤點，相比以往人工盤煤操作簡單快捷，實現了在線對儲煤場存煤量的快速精準盤煤。經測試，整個盤煤系統可實現如下主要功能：

（1）儲煤場存煤數據由激光掃描設備自動采集和處理，并實時反饋后臺計算機進行三維建模，形成儲煤場存煤的多種圖形。整個盤點到建模完成時間小于20 min。

（2）激光掃描過程中能夠實現煤場圖形的整體實時更新，自動生成煤場三維模型。三維煤場模型具有分層、分堆計算管理功能，可以對任意分區內煤堆體積計算及煤種信息查詢。

（3）系統可完成儲煤場任意區域內儲煤量的盤點功能，盤點結果相對誤差小于0.5%，自動生成帶煤場立體圖形、存煤量、盤煤時間等多功能的報表，方便人員查閱和記錄。

（4）能夠實現煤場三維料場展示功能，展示畫面中顯示堆取料機三維形態，實時顯示堆料臂、取料臂狀態及數據。3D 實時展示系統能夠精準獲取料場內料堆及堆取料機三維模型，實時展示模型狀態。

（5）三維模型能夠實現顆?；芾砉δ?。煤場內煤堆立體分層管理可以精確到每次堆取煤任務時的料堆輪廓變化情況并計算體積。

3.2 經濟效益分析

激光掃描盤煤系統的實施可以節省公司人力成本投入。常規煤場盤點過程中需要3 人參與現場盤點工作，盤點時間需要3 h，目前公司相關人員人力成本每小時100 元，本項工作每周進行一次，一年可節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，人力成本每年可節省93 600 元。

綜合以上表明，設計的多點激光掃描3D 點云模型成像的自動盤煤系統適合沙河發電公司儲煤場，可以高效準確盤點儲煤場內存煤情況，對煤場存煤進行實時統計，避免了人為測量造成的盤煤周期長、誤差大的問題，有效提高了企業的經營管理水平。

4 結 論

針對沙河發電公司儲煤場的盤煤問題，建立了一種多點激光掃描3D 點云模型成像的自動盤煤系統，介紹了其系統結構組成和工作原理。通過將系統在沙河發電公司儲煤場進行盤煤工程應用，試驗表明系統的盤煤時間為20 min，盤煤誤差小于0.5%，而且經濟效益明顯，實現了儲煤場內儲煤量信息的實時、高效、準確統計。