条形煤场不规则煤堆建模管理统计方法及系统与流程

1.本发明涉及煤场管理技术领域，尤其涉及一种条形煤场不规则煤堆建模管理统计方法及系统。


背景技术：

2.火电厂煤场管理是现代燃料管理的一个重要环节，随着燃料管理的层次不断细分和加强，燃料的科学存储、有序输送、准确混配、经济燃烧都将起到至关重要的作用。煤场管理目前已成为我国电厂燃料管理的一个瓶颈，各个电厂均在花费大量的精力、物力、人力研究煤场管理、配煤掺烧管理，其目的是让生产运行人员精确掌握煤场信息以及发电企业锅炉燃烧的经济效益。解决煤场管理，关键在于建设数字化煤场，即在保障供应和安全的前提下有效地指导经济、环保、安全的配煤掺烧工作及煤场科学储存管理工作，实现煤场精细化管理。
3.数字化煤场的理念就是将复杂的煤场管理更加精细化，准确的掌握企业资产，使得企业在经营活动中掌握先机，从而获得最大化的经济利益。
4.通过对技术市场的调研，现有的煤场数字化技术对煤场内的储煤结构的管理比较粗犷，分堆管理的基本上通过煤场长度范围对不同煤质进行划分，自2021年以来，煤炭市场价格屡屡突破历史最高点，取料机取煤后会开设一条作业面，火电企业燃料为实现经营需求最大化的保障燃料库存，煤场经常存在作业面上压煤叠堆的情况，导致无法区分原煤堆和存放在作业面上的新煤的具体规格，对不同价格的煤摆放后不利于资产评估，如何对不规则煤堆进行模型管理，在技术市场上尚未见到相关报道。


技术实现要素：

5.根据上述提出的技术问题，而提供一种条形煤场不规则煤堆建模管理统计方法及系统。本发明采用的技术手段如下：
6.一种条形煤场不规则煤堆建模管理统计方法，包括如下步骤：
7.步骤1、对煤场进行网格化划分，将煤场和斗轮机统一到一个局部坐标系中；
8.步骤2、斗轮机上设置激光扫描仪，通过斗轮机的走行和姿态调整，确定激光扫描仪在煤场坐标系中的坐标；
9.步骤3、将煤场内的预置位点纵坐标初始化为0；
10.步骤4、斗轮机搭载激光扫描仪进行煤场全域扫描；
11.步骤5、将扫描仪全域扫描后的扫描数据与网格化划分的煤场预设点进行三角构网，对三角构网煤场内所有预置点赋值高度；
12.步骤6、煤场的预置三角形被赋值高度后形成三棱柱，计算出所有三棱柱的体积得到煤场料堆的总体积，得出煤场的存煤信息；
13.步骤7、在叠堆作业之前记录取料机针对煤堆的作业最后位置时的参数，利用取料机取料轨迹进行底面重构，获取原煤场模型，堆叠作业后，基于堆叠作业后的煤场模型和原
煤场模型对新堆叠煤场模型进行分割。
14.进一步地，所述激光扫描仪为两台，二者分别安装在斗轮机悬臂末端两侧，斗轮机执行走行扫描的过程中将悬臂回转使得两台扫描头分别获得内、外边坡的扫描数据，在运动至行走限位后，通过回转动作完成料堆在限位以外的位置扫描。
15.进一步地，步骤2整体激光扫描仪扫描原煤场后，空间三维坐标原点为斗轮机0限位处在基准面上的射影，右侧盘煤仪在煤场的空间坐标位置通过如下公式计算获得：
[0016][0017]
其中，l1为斗轮机回转中心与俯仰中心点之间的直线距离，l2为扫描头安装支架到俯仰中心的直线距离，l3为扫描头固定增高支架的高度，l4为行走机构轨道的水泥面至煤场基准面之间的高度，l5为俯仰中心点至行走机构轨道的水泥面之间的高度，l6、l7分别为两台激光扫描仪扫描头至悬臂中心线的距离，s为斗轮机的走行数据、θ为回转角度、γ为俯仰角度，m为斗轮机在机械限位处时回转中心到煤场宽度边界的距离。
[0018]
进一步地，步骤2中，激光扫描仪的扫描数据单周期数据集为平面极坐标数组，通过如下公式将料堆的点云数据转换至空间直角坐标系：
[0019][0020]
其中，ρ为扫描所得距离，αi为扫描极角。
[0021]
进一步地，所述步骤5中，将点云数据按照公式1、2进行直角坐标系转化，得到一组直角坐标阵列，忽略转化后的点云高度坐标值，将这些点云进行delaunay三角构网，利用插值法构网。
[0022]
进一步地，所述步骤7中，在叠堆作业之前记录取料机针对煤堆的作业最后位置即每层的俯仰角度、取料终止的走行位置自上而下记录为[sn,γn],其中，sn为处于n层作业最后位置的斗轮机的走行位置，γn为处于n层作业最后位置的俯仰角度，
[0023]
重构底面的第一层平面区的数学表达为：
[0024][0025]
在区域内的所有预置位高度坐标若小于l8sinγ l4 l5保持原高度不变，若大于则被赋值为l8sinγ l4 l5，由此可以构造由取料轨迹构成的模型平面。
[0026]
本发明还公开了一种条形煤场不规则煤堆建模管理系统，包括斗轮机、激光扫描仪和控制系统，所述激光扫描仪与控制系统相连，所述激光扫描仪设置在斗轮机上，所述斗轮机与控制系统相连，
[0027]
所述控制系统包括：
[0028]
坐标系构筑及网格划分单元，用于获取煤场所在空间信息，并基于预设的边长将煤场坐标系划分为具有预设坐标点的网格化结构；
[0029]
坐标转换单元，用于对激光扫描仪扫描数据进行坐标转换，使采集到的料堆的点云数据转换至空间直角坐标系；
[0030]
插值构网单元，用于将激光扫描仪扫描数据的直角坐标阵列进行delaunay三角构网，构网完成后，统计出这个点云获取周期内所有三角形的顶点索引；
[0031]
体积计算单元，用于对插值构网单元构建的三角形赋值高度，并基于所有三棱柱的体积得到煤场料堆的总体积；
[0032]
底面重构单元，用于基于料机针对煤堆不同层级作业后的最后位置的取料机数据重构各层平面区，构建原煤场模型；
[0033]
模型分割单元，用于对堆叠作业后的煤堆进行分区计算，根据分区后的底平面对堆叠后的不同煤堆进行分割。
[0034]
本发明针对条形煤场经常出现煤场储存空间紧张的情况，由于来煤的时段过于集中多数会导致在已开工作面的上方进行接卸，容易导致煤场管理统计的混乱，造成资产计算的错误，导致企业经营受损，本发明预先对原煤堆进行建模，通过激光扫描仪对煤场进行扫描，根据分区后的底平面对煤堆进行体积计算，智能化程度高，利用取料机取料轨迹进行底面重构，将叠堆部分进行模型分割，能够完成对叠堆工况下的燃料资产精准统计。
附图说明
[0035]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0036]
图1为本发明煤场网格化划分及预置点坐标高度赋值示意图。
[0037]
图2为本发明激光扫描仪在悬臂式斗轮机末端的安装简易示意图。
[0038]
图3为本发明整体流程图。
[0039]
图4为本发明斗轮机搭载激光扫描仪进行煤场全域扫描示意图。
[0040]
图5为本发明煤场高度赋值示意图。
[0041]
图6为本发明依据取料轨迹的重构平面示意图。
[0042]
图7为本发明模型分割效果图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
如图3所示，本发明实施例公开了一种条形煤场不规则煤堆建模管理统计方法，包括如下步骤：
[0045]
步骤1、对煤场进行网格化划分，将煤场和斗轮机统一到一个局部坐标系中；煤场
的x，y坐标值是固定设置，对应煤场的固定区域，煤场的变化仅仅是高度z值的变化。将煤场和斗轮机统一到一个局部坐标系里面，对斗轮机的运行轨迹和斗轮的坐标进行实时的计算，从而可以精确跟踪斗轮的位置，并计算与煤场煤堆的空间位置关系。
[0046]
如图1所示，本实施例以一个60*300m的条形煤场为例，设置网格的边长为0.25m，将煤场初始化成一个具有72000个方格、144000个直角三角形，289441个预设坐标点；以斗轮机回转中心到地面的射影点所在的平行于煤场边界的直线为x轴，煤场东侧宽度线为y轴建立空间直角坐标系。
[0047]
步骤2、斗轮机上设置激光扫描仪，通过斗轮机的走行和姿态调整，确定激光扫描仪在煤场坐标系中的坐标；
[0048]
具体地，如图2所示为激光扫描仪在悬臂式斗轮机上的安装示意图。为了能将煤场料堆的位置数据与斗轮机的悬臂和斗轮位置统一到相同的空间内，并能完成对煤场的全方位无死角的扫描，本实施例所述激光扫描仪为两台，选用sick-3601型扫描头，二者分别安装在斗轮机悬臂末端两侧，以便在高俯仰的状态下获得更好的视野，另外，所制作的扫描头固定支架高度也提升至4米，斗轮机执行走行扫描的过程中将悬臂回转至135
°
使得两台扫描头分别获得内、外边坡的扫描数据，在运动至行走限位后，通过回转动作完成料堆在限位以外的位置扫描。
[0049]
整体激光扫描仪扫描原煤场后，空间三维坐标原点为斗轮机0限位处在基准面上的射影，右侧盘煤仪在煤场的空间坐标位置通过如下公式计算获得：
[0050][0051]
其中，l1为斗轮机回转中心与俯仰中心点之间的直线距离，l2为扫描头安装支架到俯仰中心的直线距离，l3为扫描头固定增高支架的高度，l4为行走机构轨道的水泥面至煤场基准面之间的高度，l5为俯仰中心点至行走机构轨道的水泥面之间的高度，l6、l7分别为两台激光扫描仪扫描头至悬臂中心线的距离，s为斗轮机的走行数据、θ为回转角度、γ为俯仰角度，m为斗轮机在机械限位处时回转中心到煤场宽度边界的距离。这些公式是通过斗轮机的几何位置关系来计算盘煤仪所在煤场的实际位置，这样计算是将盘煤仪、取料机和激光点云数据放在了同一个坐标系中，提升了数据的可靠性。
[0052]
本实施例中，盘煤仪设置在取料机上，通过取料机的姿态数据计算出盘煤仪在煤场的实际坐标位置，当盘煤仪确定了自己的坐标位置后，从盘煤仪发射出的激光点就可以确定其在煤场的实际坐标，实施例中使用2个扫描仪，防止存在扫描盲区。
[0053]
sick-3601的扫描数据单周期数据集为平面极坐标数组，维度为2维：[扫描距离、扫描角度]，规定悬臂延申方向为极轴正方向，扫描头下方回收数据为有效数据采集接口分配大约2
°
为一个有效数据的最小数据单元，则在0～180
°
范围内单次扫描周期收集约90条有效数据，通过如下公式将料堆的点云数据转换至空间直角坐标系：
[0054][0055]
其中，ρ为扫描所得距离，αi为扫描极角。
[0056]
步骤3、将煤场内的预置位点纵坐标初始化为0；
[0057]
步骤4、斗轮机搭载激光扫描仪进行煤场全域扫描；
[0058]
本实施例中，斗轮机行走至0米限位，回转至左限位5度，俯仰角抬至最高8.5度。如图4所示，斗轮机执行扫描动作。首先悬臂执行回转动作，从5度动作至135度，完成回转扫描；斗轮机执行走行动作，从0米行走至256米，完成走行扫描过程；到达256米限位后，执行悬臂回转动作，悬臂从135度回转至175度，完成回转扫描。通过上述动作的完成，保证激光线全面无死角的对整个煤场进行一次扫描。
[0059]
步骤5、将扫描仪全域扫描后的扫描数据与网格化划分的煤场预设点进行三角构网，对三角构网煤场内所有预置点赋值高度；
[0060]
具体地，sick扫描仪的周发射频率为25hz,系统每秒发送一次指令获取扫描仪的扫描数据，将两次激光点组成点云阵列，将点云数据按照公式1、2进行直角坐标系转化，得到一组直角坐标阵列，忽略转化后的点云高度坐标值，将这些点云进行delaunay三角构网，利用插值法构网。
[0061]
利用图1中的超级三角形oab作为初始三角形(该三角形包含了煤场区域内的所有点)，利用插值法构网，具体方式如下：
[0062]
(1)构建包含点阵列的超级三角形oab；
[0063]
(2)将阵列中的任意一点m插入已有的三角网中。
[0064]
(3)找到m所在的三角形，连接三角形的顶点与m，生成三个新三角形。
[0065]
(4)进行三角形重构，更新三角形集合，将新三角形的顶点坐标写入三角形集合中。
[0066]
(5)重复步骤(2)(3)(4)直到所有点均进行了插入操作。
[0067]
(6)将所有顶点中有超级三角形顶点的三角形去除。
[0068]
构网完成后，统计出这个点云获取周期内所有三角形的顶点索引，判断该周期内是否存在预置点在所构三角形网内的任意三角形内部，其判断方法如下：
[0069]
(1)选取点云获取周期内横、纵坐标最大、最小值组成矩形区域，提取该区域内所有预置位点；
[0070]
(2)提出三角网集合中的三角形顶点坐标ai,bi,ci(i为delaunay三角网中三角形的索引)，
[0071]
(3)依次提取一次构网周期内矩形区域的所有预置点pj(j为矩形区域内预置点的索引)，分别计算向量叉乘结果m＝aipj^bip
j n＝aipj^c
i p
j h＝c
i pj^bipj；如果m,n,h同号(同正或同负)则pj在此三角形内部，否则在三角形外部，
[0072]
(4)当有预置点在某个三角形内时，将该三角形的三个顶点高度坐标加权平均后赋值给预置点的高度坐标。
[0073]
步骤6、当整体扫描结束后，煤场内所有预置点将被赋值高度如图5所示。煤场的预
置三角形被赋值高度后形成三棱柱，计算出所有三棱柱的体积得到煤场料堆的总体积，得出煤场的存煤信息；
[0074]
步骤7、在叠堆作业之前记录取料机针对煤堆的作业最后位置时的参数，利用取料机取料轨迹进行底面重构，获取原煤场模型，堆叠作业后，基于堆叠作业后的煤场模型和原煤场模型对新堆叠煤场模型进行分割。
[0075]
具体地，用户可以通过煤场的平面定义不规则的线段对煤堆进行分区计算，根据分区后的底平面对煤堆进行体积计算。
[0076]
在叠堆作业之前记录取料机针对煤堆的作业最后位置即每层的俯仰角度、取料终止的走行位置自上而下记录为[sn,γn],其中，sn为处于n层作业最后位置的斗轮机的走行位置，γn为处于n层作业最后位置的俯仰角度，如图6所示，重构底面的第一层平面区的数学表达为：
[0077][0078]
其中，x、y表示第一层平面对应的横、纵坐标范围，是一组点的范围集合，在这个范围内所有的高度是一致的。在区域内的所有预置位高度坐标若小于l8sinγ l4 l5保持原高度不变，若大于则被赋值为l8sinγ l4 l5，由此可以构造由取料轨迹构成的模型平面；图示为5层，第2层～第5层也按照公式(3)记载的方式进行计算，其中，l8是俯仰中心点到斗轮的直线距离。
[0079]
在工作面叠堆的工况发生时，对整体煤堆完成盘点，使用取料轨迹获取到重构的底面进行模型分割效果如图7所示，至此可以完成对叠堆工况下的燃料资产精准统计。
[0080]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。