蔡有高，王旭修，魏正峰，李崇剛，時培領(lǐng)，劉艷佩

(華能(福建)海港有限公司，福建 福州 350602)

散貨港口、火力發(fā)電廠和鋼鐵廠等大型企業(yè)作為大宗散狀物料的重要中轉(zhuǎn)和終端用戶，通常采用專用的堆場區(qū)域儲存煤炭、礦石等散狀物料(簡稱散料)。堆料作業(yè)時散料通過皮帶機(jī)輸送至堆取料機(jī)，通過堆取料機(jī)將散料卸載并堆存在堆場中。待需要時通過旋轉(zhuǎn)斗輪將散料從料場料堆中取出，通過皮帶機(jī)輸送至下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

長期以來國內(nèi)散貨料場主要是依靠斗輪堆取料機(jī)進(jìn)行裝卸存儲，其操作方式主要以人工操作為主，長時間高強(qiáng)度作業(yè)容易因疲勞操作、夜間低照度作業(yè)等因素而造成安全生產(chǎn)事故[1]。其中因取料作業(yè)面料堆滑坡坍塌導(dǎo)致部分掩埋或全部掩埋斗輪機(jī)構(gòu)所造成的嚴(yán)重過載和設(shè)備傾覆事故，是較為典型的生產(chǎn)安全事故，在人工操作的堆取料機(jī)上常常發(fā)生。

近幾年國內(nèi)外散貨港口堆取料機(jī)智能化技術(shù)研究正隨著智慧港口建設(shè)理念飛速發(fā)展[2]，但針對取料作業(yè)過程中的塌垛預(yù)測問題通常采用一維測距傳感器進(jìn)行離散的點(diǎn)狀距離檢測實(shí)現(xiàn)防垮塌的基本防護(hù)，無法對料堆的形狀進(jìn)行綜合立體的檢測與分析，通?？刂七壿嬢^為簡單，防護(hù)閾值設(shè)置粗略，易產(chǎn)生誤報導(dǎo)致正常作業(yè)受到影響和限制。

本文以實(shí)際工程為依托，在基于三維激光掃描感知技術(shù)的散貨料場堆取料機(jī)自動控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用過程中，針對取料作業(yè)過程物料垮塌的形成原因和機(jī)理進(jìn)行分析，提出一種基于三維激光掃描機(jī)器視覺的料堆作業(yè)斷面形狀感知方法，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建料堆滑坡垮塌預(yù)測和保護(hù)算法，實(shí)現(xiàn)了取料作業(yè)過程自動防塌垛保護(hù)，并進(jìn)行相關(guān)的工程應(yīng)用與驗(yàn)證。

1 基本理論與實(shí)現(xiàn)

散料在堆放時能夠保持自然穩(wěn)定狀態(tài)的最大角度(單邊對地面的角度)，稱為自然安息角。在卸載堆料過程中，散料將會按照安息角自動進(jìn)行滑落堆積，不斷增高。不同種類的散料安息角各不相同。而在取料過程中，如高度過高、相鄰層作業(yè)斷面過近導(dǎo)致取料作業(yè)斷面料堆的安息角大于自然安息角時，堆垛將極易發(fā)生滑坡塌垛，導(dǎo)致斗輪被部分或全部掩埋引發(fā)嚴(yán)重過載、悶斗等作業(yè)安全問題，嚴(yán)重時將導(dǎo)致設(shè)備傾覆；同時高落差、大幅度滑坡也會對料堆周邊的流動機(jī)械、車輛和人員造成安全風(fēng)險。

本文采用機(jī)器視覺的檢測方法對作業(yè)斷面進(jìn)行三維實(shí)時建模與更新，并在實(shí)時三維模型基礎(chǔ)上分析作業(yè)面的形態(tài)結(jié)合相應(yīng)的防塌垛策略實(shí)現(xiàn)自動防塌垛保護(hù)。其主要原理為：通過斗輪堆取料機(jī)上安裝的三維激光掃描儀采集料堆表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并與堆取料機(jī)定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，經(jīng)過數(shù)據(jù)濾波和填充、坐標(biāo)變換等預(yù)處理，獲取料堆表面規(guī)整的三維坐標(biāo)網(wǎng)格數(shù)據(jù)并完成三維重建，在作業(yè)過程中根據(jù)實(shí)時掃描數(shù)據(jù)更新三維模型，提取當(dāng)前料堆作業(yè)面的幾何形狀特征，分析當(dāng)前作業(yè)面是否存在塌垛風(fēng)險，最終實(shí)現(xiàn)防塌垛保護(hù)控制，算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程

2 料場坐標(biāo)系建立

坐標(biāo)系建立的目的是為了求解各個坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系，使設(shè)備在運(yùn)動過程中各激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能還原到同一靜止坐標(biāo)系下即料場坐標(biāo)系，子坐標(biāo)系包括激光掃描儀坐標(biāo)系、俯仰機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系和軌道坐標(biāo)(料場坐標(biāo)系)[3]。料場坐標(biāo)系的建立先使用全球定位系統(tǒng)(GPS)測繪裝置在參照點(diǎn)A0處采集標(biāo)準(zhǔn)WGS84坐標(biāo)系下的大地坐標(biāo)，包括經(jīng)度、緯度以及大地高度等，將A0點(diǎn)平移一定距離后選取合適的虛擬料場坐標(biāo)原點(diǎn)W0，獲取A0點(diǎn)在虛擬料場坐標(biāo)下的坐標(biāo)值，構(gòu)架虛擬料場坐標(biāo)系。故需要將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為同橢球系下的空間直角坐標(biāo)后，再利用空間直角坐標(biāo)系變換，轉(zhuǎn)換為料場局部坐標(biāo)系，坐標(biāo)系位置建立如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)系位置建立

通過式(1)～(3)，可以求出GPS標(biāo)準(zhǔn)WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系到空間直角坐標(biāo)系X、Y、Z的變換：

X=(N+H)cosBcosL

(1)

Y=(N+H)cosBsinL

(2)

Z=[N(1-e2)+H]cosBcosL

(3)

式中：L為WGS84大地坐標(biāo)系中的經(jīng)度(東經(jīng)為正，西經(jīng)為負(fù))；B為大地坐標(biāo)系中的緯度(北緯為正，南緯為負(fù))；H為大地坐標(biāo)系中的大地高；N為卯酉圈的半徑，計(jì)算公式為：

(4)

(5)

式中：e為參考橢球的第一偏心率；a為參考地球橢球的長半軸；b為短半軸。

關(guān)于料場局部坐標(biāo)系的建立，規(guī)定料場坐標(biāo)系沿設(shè)備走行方向?yàn)閄軸、與軌道平面垂直方向?yàn)閆軸，垂直于X軸為Y軸，規(guī)定當(dāng)前設(shè)備軌道端點(diǎn)坐標(biāo)在料場坐標(biāo)系下的值為(0，620，0)，并獲取當(dāng)前點(diǎn)在全球坐標(biāo)系下的值，轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)系下的值，多次獲取該值后取平均為(xmean_xyz、ymean_xyz、zmean_xyz)，將采集數(shù)據(jù)通過式(6)轉(zhuǎn)為東北天坐標(biāo)系[4]：

(6)

式中：M為變換矩陣；xmean_BLh、ymean_BLh為堆取料機(jī)的俯仰水平，為回轉(zhuǎn)歸零狀態(tài)下臂架全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)天線在同一位置多次測量的經(jīng)度、緯度平均值。

調(diào)整堆取料機(jī)的俯仰水平，回轉(zhuǎn)歸零，從軌道起點(diǎn)處開始，控制大機(jī)走行，并每隔一定距離記錄下臂架GNSS天線的空間直角坐標(biāo)值，求走行方向向量為：X=norm(Xend-Xstart)，其中X=(Xx，Xy，Xz)，求向量X繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度β=arctan(Xy/Xx)，已知繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度其變換矩陣為：

(7)

最后通過式(8)將空間直角坐標(biāo)系的x、y、z值轉(zhuǎn)化為料場坐標(biāo)系下的X、Y、Z值。

[XYZ1]=[xyz1](MT)-1M1+[x0y0z00]

(8)

式中：x0、y0、z0為當(dāng)前設(shè)備軌道端點(diǎn)坐標(biāo)。

3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

通過三維激光掃描儀對料堆表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集過程中，容易因雨、雪、霧、粉塵以及機(jī)械設(shè)備本體遮擋產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)和無效數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中采用弦高法和多重回波技術(shù)相結(jié)合的方法對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[5-6]，由于受激光掃描儀的安裝位置以及掃描范圍的影響，掃描的料堆數(shù)據(jù)會存在小范圍的漏洞區(qū)域，同時也會存在料堆背面因激光掃描儀視線遮擋產(chǎn)生的大面積盲區(qū)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)料堆的完整三維重建，系統(tǒng)針對小范圍掃描盲區(qū)漏洞采用加權(quán)平均算法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)填充[7]，針對大范圍料堆背面遮擋盲區(qū)，安息角預(yù)估算法對料堆背面數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，點(diǎn)云預(yù)處理前后的對比如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云預(yù)處理前后對比

4 料堆取料面形態(tài)特征提取

取料過程中需要實(shí)時對當(dāng)前作業(yè)料堆的取料面的輪廓進(jìn)行提取，所以應(yīng)根據(jù)料堆三維模型進(jìn)行分析，堆取料機(jī)作業(yè)過程中的某一個作業(yè)料堆通過激光掃描進(jìn)行三維重構(gòu)后的實(shí)時地形見圖4。以堆取料機(jī)回轉(zhuǎn)軸為Z軸，以堆取料機(jī)臂架中心線在水平面上的投影為X軸，其中Z軸正方向垂直朝上，X軸正方向?yàn)橹赶蚨份喌姆较颍O(shè)料場地平面處Z=0。此時建立了一個垂直于地面的ZOX平面，那么任意時刻該平面將會與作業(yè)對象料堆三維表面形成交匯曲線，見圖4b)中虛線部分，通過將圖中的虛線部分提取出來后得到圖4c)中的輪廓曲線，此輪廓曲線將用來進(jìn)行料堆垮塌風(fēng)險評估計(jì)算。

圖4 料堆取料面形態(tài)特征提取過程

5 料堆垮塌風(fēng)險判斷

在取料作業(yè)過程中，必須實(shí)時分析作業(yè)面是否存在塌垛風(fēng)險，從而避免悶斗等生產(chǎn)事故的發(fā)生。本文在前述三維激光掃描儀實(shí)時建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出一種基于三維模型在線測量的塌垛預(yù)測算法。將圖4c)中提取出的料堆表面離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，得到當(dāng)前作業(yè)位置下的料堆面結(jié)構(gòu)曲線如圖5所示。設(shè)當(dāng)前料層的斗輪取料切入點(diǎn)(即斗輪旋轉(zhuǎn)軸正下方)在沿臂架方向的坐標(biāo)為X1，且層高為H1；Dw為斗輪直徑，依托工程的斗輪直徑為9.8 m；而上一層的斗輪取料切入點(diǎn)坐標(biāo)為X2，層高為H2，要求最大取料層高小于0.7倍斗輪直徑。則令取料面與相鄰的支撐面之間水平距離L=X2-X1。

圖5 預(yù)測塌料計(jì)算

假設(shè)當(dāng)前取料方向?yàn)樽咝姓较?，則若要沒有垮料風(fēng)險，應(yīng)有θ小于當(dāng)前料種的自然安息角α，當(dāng)上一層物料層高小于0.7倍斗輪直徑時，根據(jù)多次測試及操作人員經(jīng)驗(yàn)可以認(rèn)定上層為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可以忽略上層高度H2及其向下的作用，即可推導(dǎo)出：

(9)

(10)

(11)

式中：D3為面與相鄰的支撐面之間允許的最小水平距離。

當(dāng)上一層物料層高大于等于0.7倍斗輪直徑時，考慮上層高度H2及其向下的作用，即H3=H1+H2，可推導(dǎo)出：

(12)

(13)

(14)

6 現(xiàn)場測試

以華能集團(tuán)福州羅源灣料場無人化控制系統(tǒng)為依托，針對堆取料機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)，基于三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建一套作業(yè)斷面幾何形狀特征實(shí)時提取的方法，通過對作業(yè)斷面幾何特征的實(shí)時分析，結(jié)合導(dǎo)致料堆塌垛的觸發(fā)條件，實(shí)現(xiàn)一套防塌垛分級預(yù)測策略，現(xiàn)場對物料的防塌垛距離進(jìn)行多次測試。根據(jù)現(xiàn)場安全生產(chǎn)規(guī)程無論采用人工模式或者自動模式取料，為避免預(yù)留過長的安全距離影響料場堆取料機(jī)作業(yè)，每層取料高度均不得大于0.7倍斗輪直徑，因此主要圍繞H2小于6.86 m(0.7倍斗輪直徑)的工況進(jìn)行測試，針對料場主要的煤炭品種分別做測試后，獲取測試結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 物料防塌垛距離測試結(jié)果

7 結(jié)語

1)通過應(yīng)用三維激光掃描機(jī)器視覺感知技術(shù)，構(gòu)建一套防塌垛分級預(yù)測決策機(jī)制，有效解決了斗輪堆取料機(jī)取料過程中料堆塌垛問題。

2)三維激光掃描機(jī)器視覺感知技術(shù)在福州華能羅源灣港區(qū)將軍帽無人堆取料機(jī)自動控制系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。結(jié)果表明，通過三維激光實(shí)時建模分析的自動取料過程防塌垛技術(shù)具備可靠性高、誤差小、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，并能降低取料過程中頻繁換層次數(shù)提高作業(yè)效率，完全滿足現(xiàn)場取料作業(yè)過程中的自動防塌垛安全保護(hù)需求。