摘要：數(shù)字化料場技術(shù)作為一項新興技術(shù)，旨在通過數(shù)字化系統(tǒng)化方法，實現(xiàn)煤炭存儲和統(tǒng)計的高效、安全和可持續(xù)發(fā)展。與傳統(tǒng)的料場統(tǒng)計方法相比，數(shù)字化技術(shù)可以大大減少人力物力的浪費，并降低工人面臨的健康風(fēng)險和危害。數(shù)字化料場技術(shù)實現(xiàn)了快速高效的數(shù)據(jù)采集，通過掃描儀掃描煤堆，可以在極短時間內(nèi)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(shù)據(jù)處理的精度和準(zhǔn)確性，提高了生產(chǎn)效率、質(zhì)量和安全性。此外，數(shù)字化料場技術(shù)還改善了工人的工作條件和安全性，減輕了工人的工作負(fù)擔(dān)和健康風(fēng)險，并促進了環(huán)境保護和減少對環(huán)境的污染。作為廣泛應(yīng)用的新技術(shù)，數(shù)字化料場技術(shù)正在推動煤炭行業(yè)的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化料場技術(shù)將會進一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，并為煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更為堅實的支撐。

關(guān)鍵詞：煤炭行業(yè)；煤棚；數(shù)字化

一、前言

十四五規(guī)劃提出，數(shù)字經(jīng)濟核心產(chǎn)業(yè)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(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用深度融合的產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新體系，推動跨界創(chuàng)新[1]。尤其是在煤炭行業(yè)，因為煤的一些物理和化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致煤棚工作非常危險和困難，如在輸送和破碎時產(chǎn)生大量的煤塵、灰塵、研石灰塵易使工人感染塵肺病，設(shè)備和管道等死角灰塵未及時清理易發(fā)生煤塵自燃甚至閃爆嚴(yán)重危害了員工的生命健康。為了將員工從艱苦的勞動環(huán)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(shù)字化無疑是解決當(dāng)前所面臨問題的絕佳方案[2]。

二、盤煤系統(tǒng)交互流程

盤煤系統(tǒng)（圖1）是數(shù)字化料場的重要組成部分之一，它通過使用盤煤儀來實現(xiàn)對煤堆的高效、準(zhǔn)確的盤點。該系統(tǒng)由16個盤煤儀組成，安裝在煤棚上方的兩側(cè)。這些盤煤儀通過左右互補的掃描方式對煤堆進行精準(zhǔn)掃描，獲取煤堆的點云圖像信息。系統(tǒng)的交互流程如下：工人在2D盤煤系統(tǒng)中下發(fā)盤煤指令，盤煤儀會掃描現(xiàn)場料堆并將點云圖像自動上傳到服務(wù)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(tǒng)中呈現(xiàn)出來，方便工人查看?，F(xiàn)場工人可以通過生產(chǎn)計劃與2D地圖上的煤堆關(guān)聯(lián)，一旦關(guān)聯(lián)成功，2D盤煤系統(tǒng)中每個煤堆的上方就會立刻顯示當(dāng)前煤堆的全部信息。此外，2D系統(tǒng)還會將當(dāng)前綁定的煤堆信息提供給3D數(shù)字孿生系統(tǒng)使用，進一步完善數(shù)字化料場的信息化建設(shè)。通過這一流程，數(shù)字化料場實現(xiàn)了煤堆的快速、高效、準(zhǔn)確盤點，為煤炭行業(yè)提供了更加先進的管理手段，提高了生產(chǎn)效率和安全性。

三、系統(tǒng)組成

盤煤系統(tǒng)是一個自主研發(fā)的系統(tǒng)，其主要功能是通過手動或自動的方式來實現(xiàn)自動化盤煤，提高了盤存和盤點的效率和準(zhǔn)確性。在這個系統(tǒng)中，控制層結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，由ECS系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、FLS和數(shù)據(jù)庫等多個模塊組成。在這個結(jié)構(gòu)中，ECS系統(tǒng)是主要的控制中心，負(fù)責(zé)接收盤煤指令，并與PLC系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)對盤煤系統(tǒng)的控制和監(jiān)測。PLC系統(tǒng)則負(fù)責(zé)實現(xiàn)IO流的傳輸，將盤煤指令傳遞給FLS。盤煤系統(tǒng)的優(yōu)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(shù)、煤質(zhì)等，并且能夠安全地保存這些數(shù)據(jù)。

總體來說，盤煤系統(tǒng)是一個集盤存、盤點、數(shù)據(jù)管理等功能于一體的系統(tǒng)，其自動化盤煤和分秒級統(tǒng)計煤棚信息的特點，可以大大提高煤炭生產(chǎn)和管理的效率和準(zhǔn)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(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)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(xiàn)堆場精準(zhǔn)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(shè)備、控制單元、各機構(gòu)編碼器以及數(shù)據(jù)通訊設(shè)備，最后通過點云數(shù)據(jù)在后臺工控機進行呈像功能。

2.難點解決

激光掃描技術(shù)被廣泛應(yīng)用于三維建模、測量和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，但在實際應(yīng)用中會面臨一系列的難點和挑戰(zhàn)。

首先，由于激光掃描儀在瞬時獲得的數(shù)據(jù)量很大，數(shù)據(jù)傳輸速度成為一個問題。針對這個問題，我們采用千兆網(wǎng)來避免數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)傳輸速度的同時不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(jié)合的形式，使其擁有足夠的旋轉(zhuǎn)范圍，可以在多個方向進行掃描，從而得到更全面、更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。第三，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性是激光掃描儀應(yīng)用中的一個核心問題。為了增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)據(jù)偏差，從而提高數(shù)據(jù)的精度和可靠性。最后，掃描盲區(qū)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(qū)的不足，使得掃描結(jié)果更加全面、準(zhǔn)確和可靠。

（二）FLS

FLS模塊是盤煤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與分析模塊，具有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，生產(chǎn)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(shù)字孿生系統(tǒng)，實現(xiàn)“堆垛信息精準(zhǔn)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，F(xiàn)LS盤煤能夠?qū)崟r獲取每個堆垛的準(zhǔn)確信息，實現(xiàn)堆場精準(zhǔn)掌控，提高了盤煤的效率和準(zhǔn)確性。同時，F(xiàn)LS模塊還負(fù)責(zé)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(xiàn)了數(shù)據(jù)的管理和分析。FLS處理后的料堆信息，將PCD文件轉(zhuǎn)化為OBJ文件?？梢栽敿?xì)看到料堆的實際情況。FLS是基于WINFORMS開發(fā)的，WINFORM是.NET開發(fā)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(fā)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(tǒng)的基于WINDOWS的應(yīng)用程序（如MFC開發(fā)的WINDOWS應(yīng)用程序）更安全的方式訪問本地計算機上的資源。.NET為開發(fā)WINFORM的應(yīng)用程序提供了豐富的CLASSLIBRARY（類庫）[4]。

（三）PLC

采用IGT-DSER智能網(wǎng)關(guān)。支持各種PLC、智能儀表、遠(yuǎn)程IO與數(shù)據(jù)庫之間雙向通訊，既可以讀取設(shè)備的數(shù)據(jù)上報到SQL數(shù)據(jù)庫，也可以從數(shù)據(jù)庫查詢數(shù)據(jù)后寫入到設(shè)備；數(shù)據(jù)庫軟件支持MySQL、SQLserver、PostgreSQL。支持串口、網(wǎng)口方式與多臺歐姆龍PLC進行通訊采集數(shù)據(jù)，同時也支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)寫入到PLC的寄存器，PLC、網(wǎng)關(guān)模塊都不用編程，只需通過網(wǎng)關(guān)模塊的參數(shù)軟件，配置數(shù)據(jù)庫的IP、用戶名、密碼等參數(shù)，綁定PLC寄存器與數(shù)據(jù)表的字段名即可。

（四）3D數(shù)字化料場

3D數(shù)字孿生系統(tǒng)對實際的煤棚進行了精準(zhǔn)的還原，系統(tǒng)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(shè)備信息、監(jiān)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(tài)、操作模式等進行實時監(jiān)測。該實時運維管理系統(tǒng)在技術(shù)上采用先進的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對于在煤棚中的機械設(shè)備以及物料移動等信息所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行及時采集與處理，并傳輸?shù)紼CS管理系統(tǒng)，系統(tǒng)對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行及時的存儲與處理，構(gòu)建了實時的3D數(shù)字孿生系統(tǒng)。實現(xiàn)了設(shè)備作業(yè)信息獲取與煤堆分布以及呈現(xiàn)報表一體的智能化、高效化煤棚管理系統(tǒng)。數(shù)字堆場技術(shù)提供專業(yè)簡潔、交互友善的界面，集攝像監(jiān)控、煤堆三維數(shù)字化模型、決策交互于一體，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程對煤棚全方位安全掌握及管控。煤棚裝備信息化互聯(lián)和數(shù)字堆場的建立，大幅提升了煤棚管理的精細(xì)化、決策的智能化。提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了成本。3D數(shù)字化料場采用UE4編寫而成。UE4是EPICGAMES公司開發(fā)的一款風(fēng)靡全球的游戲開發(fā)引擎虛幻4引擎（英文名UNREALENGINE4）的簡稱，UE4是一套完整的構(gòu)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(guī)模的開發(fā)團隊需求。

為實現(xiàn)堆場每個元素精準(zhǔn)監(jiān)控，數(shù)字孿生系統(tǒng)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(shè)備狀態(tài)和攝像頭畫面。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，系統(tǒng)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(zhǔn)信息。相較于以往只能在設(shè)備上看到當(dāng)前設(shè)備信息的方法，數(shù)字孿生系統(tǒng)的精準(zhǔn)監(jiān)控功能使得堆場中每個元素的信息都能夠得到統(tǒng)一的匯總和呈現(xiàn)。該研究的實現(xiàn)主要借助于數(shù)字化技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過多種算法的應(yīng)用，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型文件，并通過數(shù)據(jù)庫進行交互，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)，可以為堆場管理提供全方位、實時、精準(zhǔn)的信息獲取和處理，為提高煤礦生產(chǎn)效率和管理水平提供了重要的技術(shù)支持。

四、有效性

以前，每班次需6人在現(xiàn)場理貨，風(fēng)吹日曬雨淋，而且統(tǒng)計貨物數(shù)據(jù)、堆場內(nèi)機械調(diào)配全靠人工?，F(xiàn)在，每班次僅1人在室內(nèi)智能理貨。煤棚管理由人工決策變?yōu)橹悄芄芸兀瑪?shù)據(jù)統(tǒng)計由手動匯總變?yōu)閷崟r采集，工人逐步從室外轉(zhuǎn)到室內(nèi)。建設(shè)數(shù)字堆場系統(tǒng)，激光掃描3D建模、數(shù)據(jù)實時采集分析、機械設(shè)備智能調(diào)配。實現(xiàn)了現(xiàn)場作業(yè)由人工向智能化無人化的轉(zhuǎn)變。依托數(shù)字堆場基本框架，建設(shè)煤棚運營、料堆匹配等核心功能，對大數(shù)據(jù)進行分析應(yīng)用，全面優(yōu)化提升生產(chǎn)調(diào)度水平。在一定程度上推動了自動化、智能化煤棚的發(fā)展進步。

五、趨勢

2D盤煤系統(tǒng)與3D數(shù)字孿生系統(tǒng)以及ECS系統(tǒng)相結(jié)合形成交互，滿足了現(xiàn)場自動化全流程作業(yè)的要求。生產(chǎn)組織最優(yōu)，生產(chǎn)效率最高。現(xiàn)場具有生產(chǎn)計劃變數(shù)大，一步有變化，步步有變化以及設(shè)備、成本等各類數(shù)據(jù)各自獨立，統(tǒng)計分析全靠人工的特點。數(shù)字堆場系統(tǒng)的執(zhí)行，極大程度上解決了這一問題。通過貨物的精準(zhǔn)調(diào)度，實現(xiàn)了生產(chǎn)最優(yōu)，工人理貨更加直觀，可以更加兼顧全場，使得在調(diào)度方式上有了顯著的改變，對全場作業(yè)計劃有了更加全面的把握。最大限度上滿足了公司的生產(chǎn)效益，大大提高了資源的利用率。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷提高，數(shù)字堆場系統(tǒng)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(xì)，使得3D數(shù)字孿生系統(tǒng)中的煤堆與現(xiàn)場實際煤堆更加吻合，作業(yè)體系更加健全，工人可以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的作業(yè)調(diào)配。

六、結(jié)語

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

參考文獻

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

[2]福特.數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵在于節(jié)省時間[J].今日制造與升級，2022（09）：13-14.

[3]鄒洪強.面向業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)承載網(wǎng)與傳送網(wǎng)端到端協(xié)同規(guī)劃方法研究[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2021，34（6）：1-4.

[4]蔣宗敏，康鵬舉，呂紅紅，等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化系統(tǒng)及其構(gòu)建方法[P].CN109116751B，2019-01-01.