關于煤棚數字化的可行性研究分析

摘要：數字化料場技術作為一項新興技術，旨在通過數字化系統化方法，實現煤炭存儲和統計的高效、安全和可持續發展。與傳統的料場統計方法相比，數字化技術可以大大減少人力物力的浪費，并降低工人面臨的健康風險和危害。數字化料場技術實現了快速高效的數據采集，通過掃描儀掃描煤堆，可以在極短時間內獲得點云圖，進而獲得煤的體積、長度等重要信息，從而提高了數據處理的精度和準確性，提高了生產效率、質量和安全性。此外，數字化料場技術還改善了工人的工作條件和安全性，減輕了工人的工作負擔和健康風險，并促進了環境保護和減少對環境的污染。作為廣泛應用的新技術，數字化料場技術正在推動煤炭行業的生產方式轉型和創新。隨著技術的不斷發展，數字化料場技術將會進一步拓展其應用領域，并為煤炭行業的可持續發展提供更為堅實的支撐。

關鍵詞：煤炭行業；煤棚；數字化

一、前言

十四五規劃提出，數字經濟核心產業增加值占GDP的比重五年之后要提升至10％，并提出加快建立以企業為主體、市場為導向、產學研用深度融合的產業技術創新體系，推動跨界創新[1]。尤其是在煤炭行業，因為煤的一些物理和化學性質導致煤棚工作非常危險和困難，如在輸送和破碎時產生大量的煤塵、灰塵、研石灰塵易使工人感染塵肺病，設備和管道等死角灰塵未及時清理易發生煤塵自燃甚至閃爆嚴重危害了員工的生命健康。為了將員工從艱苦的勞動環境中解放出來，降低人力物力等多方面成本，煤棚自動化、智能化、數字化無疑是解決當前所面臨問題的絕佳方案[2]。

二、盤煤系統交互流程

盤煤系統（圖1）是數字化料場的重要組成部分之一，它通過使用盤煤儀來實現對煤堆的高效、準確的盤點。該系統由16個盤煤儀組成，安裝在煤棚上方的兩側。這些盤煤儀通過左右互補的掃描方式對煤堆進行精準掃描，獲取煤堆的點云圖像信息。系統的交互流程如下：工人在2D盤煤系統中下發盤煤指令，盤煤儀會掃描現場料堆并將點云圖像自動上傳到服務器，自動運行算法處理圖像，計算出料堆的高度、體積、面積、位置等各項基本信息，并形成OBJ模型圖。這些信息會在2D盤煤系統中呈現出來，方便工人查看。現場工人可以通過生產計劃與2D地圖上的煤堆關聯，一旦關聯成功，2D盤煤系統中每個煤堆的上方就會立刻顯示當前煤堆的全部信息。此外，2D系統還會將當前綁定的煤堆信息提供給3D數字孿生系統使用，進一步完善數字化料場的信息化建設。通過這一流程，數字化料場實現了煤堆的快速、高效、準確盤點，為煤炭行業提供了更加先進的管理手段，提高了生產效率和安全性。

三、系統組成

盤煤系統是一個自主研發的系統，其主要功能是通過手動或自動的方式來實現自動化盤煤，提高了盤存和盤點的效率和準確性。在這個系統中，控制層結構比較復雜，由ECS系統、PLC系統、FLS和數據庫等多個模塊組成。在這個結構中，ECS系統是主要的控制中心，負責接收盤煤指令，并與PLC系統通過數據庫進行交互，實現對盤煤系統的控制和監測。PLC系統則負責實現IO流的傳輸，將盤煤指令傳遞給FLS。盤煤系統的優勢在于能夠快速獲取多種信息，如堆垛垛位、貨物歸屬、貨種、船名、噸數、煤質等，并且能夠安全地保存這些數據。

總體來說，盤煤系統是一個集盤存、盤點、數據管理等功能于一體的系統，其自動化盤煤和分秒級統計煤棚信息的特點，可以大大提高煤炭生產和管理的效率和準確性。解決了以前通過EXCEL編寫，可讀性差，保存方式死板，容易丟失的痛點。數據放入數據庫，可以自動備份。更加安全，可讀性強，快速查看每一天的煤棚情況，實現堆場精準掌控。

（一）硬件——激光掃描儀

1.運行模式

在煤棚左右兩端的馬道上安裝16個激光掃描儀，對物料進行掃描，料堆激光掃描檢測掃描裝置包括激光掃描設備、控制單元、各機構編碼器以及數據通訊設備，最后通過點云數據在后臺工控機進行呈像功能。

2.難點解決

激光掃描技術被廣泛應用于三維建模、測量和數據采集等領域，但在實際應用中會面臨一系列的難點和挑戰。

首先，由于激光掃描儀在瞬時獲得的數據量很大，數據傳輸速度成為一個問題。針對這個問題，我們采用千兆網來避免數據丟失，保證數據傳輸速度的同時不影響數據的準確性[3]。其次，角度單一是激光掃描儀常見的問題。為了解決這個問題，我們采用外接云臺與掃描儀結合的形式，使其擁有足夠的旋轉范圍，可以在多個方向進行掃描，從而得到更全面、更準確的數據。第三，數據準確性是激光掃描儀應用中的一個核心問題。為了增加數據的準確性，我們采取多個激光掃描儀掃描同一處進行補全，通過多次掃描來消除因噪聲和誤差引起的數據偏差，從而提高數據的精度和可靠性。最后，掃描盲區也是激光掃描儀常見的問題之一。在煤棚兩端存在掃描儀無法掃到的位置時，我們會采用移動的掃描儀，將其綁定在堆取料機上。在堆取料機處于煤棚軌道的兩端就可以掃描到煤棚兩端的堆垛信息。通過將不同掃描儀的掃描情況進行整合和分析，最終形成完整的點云圖（使用軟件CloudCompare進行處理）。這種方法可以彌補掃描盲區的不足，使得掃描結果更加全面、準確和可靠。

（二）FLS

FLS模塊是盤煤系統的數據管理與分析模塊，具有數據采集、處理和提供的功能。主要與PLC與盤煤儀交互，可以控制16臺激光掃描儀采集數據，生產點云圖PCD文件。通過多種算法對點云圖進行積分成模型，生成OBJ文件傳遞給3D數字孿生系統，實現“堆垛信息精準獲取”，包括堆垛體積、面積、高度、長度、寬度、形狀、起始位置等多種信息。相比以前只能粗略估算堆垛信息，FLS盤煤能夠實時獲取每個堆垛的準確信息，實現堆場精準掌控，提高了盤煤的效率和準確性。同時，FLS模塊還負責保存與分析煤棚的信息，并將分析好的信息提供給用戶，實現了數據的管理和分析。FLS處理后的料堆信息，將PCD文件轉化為OBJ文件。可以詳細看到料堆的實際情況。FLS是基于WINFORMS開發的，WINFORM是.NET開發平臺中對WINDOWSFORM的一種稱謂。主要用來做客戶端軟件。腳本來自C#。WINFORM含有一個窗體，作為控件和其他圖形的平臺，可以開發智能客戶端，易于部署和更新圖像，無論是否連接到INTERNET都可以工作，并且可以用比傳統的基于WINDOWS的應用程序（如MFC開發的WINDOWS應用程序）更安全的方式訪問本地計算機上的資源。.NET為開發WINFORM的應用程序提供了豐富的CLASSLIBRARY（類庫）[4]。

（三）PLC

采用IGT-DSER智能網關。支持各種PLC、智能儀表、遠程IO與數據庫之間雙向通訊，既可以讀取設備的數據上報到SQL數據庫，也可以從數據庫查詢數據后寫入到設備；數據庫軟件支持MySQL、SQLserver、PostgreSQL。支持串口、網口方式與多臺歐姆龍PLC進行通訊采集數據，同時也支持數據庫的數據寫入到PLC的寄存器，PLC、網關模塊都不用編程，只需通過網關模塊的參數軟件，配置數據庫的IP、用戶名、密碼等參數，綁定PLC寄存器與數據表的字段名即可。

（四）3D數字化料場

3D數字孿生系統對實際的煤棚進行了精準的還原，系統具體具有首頁大屏、煤棚全景、巡航模式、運行線路、煤堆信息、設備信息、監控信息等多個功能進行選擇，對于堆料機、取料機、堆取料機、地面皮帶、懸臂皮帶、尾車皮帶實時位置、運行狀態、操作模式等進行實時監測。該實時運維管理系統在技術上采用先進的工業互聯網技術，對于在煤棚中的機械設備以及物料移動等信息所產生的數據進行及時采集與處理，并傳輸到ECS管理系統，系統對傳輸的數據進行及時的存儲與處理，構建了實時的3D數字孿生系統。實現了設備作業信息獲取與煤堆分布以及呈現報表一體的智能化、高效化煤棚管理系統。數字堆場技術提供專業簡潔、交互友善的界面，集攝像監控、煤堆三維數字化模型、決策交互于一體，實現了遠程對煤棚全方位安全掌握及管控。煤棚裝備信息化互聯和數字堆場的建立，大幅提升了煤棚管理的精細化、決策的智能化。提高了生產效率，節約了成本。3D數字化料場采用UE4編寫而成。UE4是EPICGAMES公司開發的一款風靡全球的游戲開發引擎虛幻4引擎（英文名UNREALENGINE4）的簡稱，UE4是一套完整的構建游戲、模擬和可視化的集成工具，具備足夠的靈活性，可滿足不同規模的開發團隊需求。

為實現堆場每個元素精準監控，數字孿生系統不僅能夠提供堆場整體信息顯示和漫游，還可以實時獲取設備狀態和攝像頭畫面。通過對采集到的數據進行處理和分析，系統能夠在實時展示每一個堆垛的信息，包括體積、面積、高度、長度、寬度、形狀、起始位置等多種精準信息。相較于以往只能在設備上看到當前設備信息的方法，數字孿生系統的精準監控功能使得堆場中每個元素的信息都能夠得到統一的匯總和呈現。該研究的實現主要借助于數字化技術和工業互聯網技術，通過多種算法的應用，將點云數據轉化為模型文件，并通過數據庫進行交互，實現了數據的精準，可以為堆場管理提供全方位、實時、精準的信息獲取和處理，為提高煤礦生產效率和管理水平提供了重要的技術支持。

四、有效性

以前，每班次需6人在現場理貨，風吹日曬雨淋，而且統計貨物數據、堆場內機械調配全靠人工。現在，每班次僅1人在室內智能理貨。煤棚管理由人工決策變為智能管控，數據統計由手動匯總變為實時采集，工人逐步從室外轉到室內。建設數字堆場系統，激光掃描3D建模、數據實時采集分析、機械設備智能調配。實現了現場作業由人工向智能化無人化的轉變。依托數字堆場基本框架，建設煤棚運營、料堆匹配等核心功能，對大數據進行分析應用，全面優化提升生產調度水平。在一定程度上推動了自動化、智能化煤棚的發展進步。

五、趨勢

2D盤煤系統與3D數字孿生系統以及ECS系統相結合形成交互，滿足了現場自動化全流程作業的要求。生產組織最優，生產效率最高。現場具有生產計劃變數大，一步有變化，步步有變化以及設備、成本等各類數據各自獨立，統計分析全靠人工的特點。數字堆場系統的執行，極大程度上解決了這一問題。通過貨物的精準調度，實現了生產最優，工人理貨更加直觀，可以更加兼顧全場，使得在調度方式上有了顯著的改變，對全場作業計劃有了更加全面的把握。最大限度上滿足了公司的生產效益，大大提高了資源的利用率。隨著信息化技術的不斷發展，大數據技術的不斷提高，數字堆場系統算法具有更大的進步空間，在煤堆的處理可以做到更加精細，使得3D數字孿生系統中的煤堆與現場實際煤堆更加吻合，作業體系更加健全，工人可以實現更加精準的作業調配。

六、結語

數字堆場系統的投入使用，在極大程度上解決了煤棚現存的大部分問題，滿足了現場的生產需要。它不僅可以節省人力物力和提高工作效率，而且還可以提高精度和準確性，改善環境，減少對環境的污染，改善工人的工作條件和安全。大大提高了經濟效益，通過智能管控，作業體系更加完善。隨著技術的不斷發展，數字化料場將發揮更大的作用，為煤炭行業帶來更多的發展機會和改進。

參考文獻

[1]張毅.數字化轉型是什么？夯實管理基本功是數字化轉型的前置條件——淺談管理數字化的基本路徑[J].起重運輸機械，2021（21）：21-23.

[2]福特.數字化轉型的關鍵在于節省時間[J].今日制造與升級，2022（09）：13-14.

[3]鄒洪強.面向業務的數據承載網與傳送網端到端協同規劃方法研究[J].電信工程技術與標準化，2021，34（6）：1-4.

[4]蔣宗敏，康鵬舉，呂紅紅，等.基于數字孿生技術的數字化系統及其構建方法[P].CN109116751B，2019-01-01.