中圖分類號(hào)：TN249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）14-0069-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.14.018

0 引言

煤場(chǎng)盤點(diǎn)，即盤煤，是火力發(fā)電廠儲(chǔ)煤場(chǎng)管理的重要組成部分。儲(chǔ)煤場(chǎng)存煤通常是極不規(guī)則的，傳統(tǒng)上采用人工丈量法，即將煤堆整理成規(guī)范的立體形狀，再用米尺或經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀等工具測(cè)量有關(guān)參數(shù)，計(jì)算煤堆體積[]。應(yīng)用傳統(tǒng)方法丈量煤堆體積，存在工作量大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、準(zhǔn)確性差等問(wèn)題，因此，目前我國(guó)很多電廠采用激光盤煤儀來(lái)測(cè)定煤堆體積。該儀器利用激光系統(tǒng)快速測(cè)量整個(gè)煤場(chǎng)的各特征點(diǎn)，并能自動(dòng)記錄其空間坐標(biāo)，然后采用數(shù)字內(nèi)插擬合技術(shù)建立數(shù)字地面模型，從而計(jì)算出煤場(chǎng)煤堆的體積[2]。

1 原理方法

1.1 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T31091—2014《煤場(chǎng)管理通用技術(shù)要求》、MT/T739—2011《煤炭堆密度小容器測(cè)定方法》。

1.2 儀器要求

激光盤煤儀由激光測(cè)距儀、水平角編碼器、三腳架、專用計(jì)算機(jī)及處理軟件組成。盤煤精度要求小于等于 0.5% ，適用于任何大小的煤場(chǎng)，對(duì)煤場(chǎng)的長(zhǎng)、寬、高及煤堆形狀無(wú)限制，并且不受外界磁場(chǎng)干擾。此外，儀器滿足IP67防水、防塵、防振要求，使用環(huán)境溫度 -30～+60Ω^°C 。

1.3 基本原理

激光盤煤儀是在儲(chǔ)煤場(chǎng)建立測(cè)量控制網(wǎng)和空間坐標(biāo)系，利用激光測(cè)距儀與角度測(cè)量裝置的組合系統(tǒng)，對(duì)被測(cè)煤堆進(jìn)行掃描，獲取激光點(diǎn)所接觸表面到觀測(cè)網(wǎng)各個(gè)測(cè)量站點(diǎn)的距離和水平、垂直方向方位角度信息，計(jì)算出掃描點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。通過(guò)計(jì)算機(jī)專用軟件處理，給出煤堆三維立體圖形和煤堆體積。

1.4 測(cè)量步驟

1）設(shè)備校驗(yàn)與工具準(zhǔn)備：確保計(jì)量器具（如激光盤煤儀、皮帶秤等）經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，誤差控制在允許范圍內(nèi)（如激光盤煤儀誤差 ?0.5% 。對(duì)于人工盤點(diǎn)，須準(zhǔn)備卷尺、密度測(cè)試容器等工具，并按規(guī)范進(jìn)行堆密度模擬測(cè)試。

2）煤堆歸整與密度測(cè)定：通過(guò)斗輪機(jī)或推土機(jī)將煤堆整形成規(guī)則幾何體（如梯形、矩形），以減少測(cè)量盲區(qū)。根據(jù)煤種、水分及堆放方式分類測(cè)定堆密度，可采用容器模擬法（如 0.5m³ 金屬容器加壓實(shí)驗(yàn)）或參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如MT/T739）。

3）體積測(cè)量與質(zhì)量計(jì)算：使用便攜式激光盤煤儀，以每秒1800點(diǎn)的高頻采集煤堆表面數(shù)據(jù)（圖1），通過(guò)德洛內(nèi)三角網(wǎng)建模生成3D輪廓，誤差可控制在 0.5% 以內(nèi)。根據(jù)體積與堆密度的乘積得出煤量，公式為：質(zhì)量 體積 × 堆密度。堆密度須按煤種實(shí)測(cè)，例如某焦煤的加壓堆密度可能達(dá) 1.2t/m³ ，而未加壓僅 0.9t/m³ 。

4數(shù)據(jù)對(duì)比與分析：將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與賬面庫(kù)存對(duì)比，計(jì)算賬貨相符率。賬貨相符率 .= （賬面貨物重量/煤場(chǎng)盤點(diǎn)貨物重量） ×100% 。其中，賬面貨物重量是指賬面庫(kù)存的貨物重量，煤場(chǎng)盤點(diǎn)貨物重量是指煤場(chǎng)實(shí)際盤點(diǎn)庫(kù)存貨物重量。

DOaes總點(diǎn)數(shù)：534

2 數(shù)據(jù)處理

激光盤煤儀的數(shù)據(jù)處理是一個(gè)系統(tǒng)化的過(guò)程，涵蓋了從數(shù)據(jù)采集到最終分析展示的多個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)煤堆測(cè)量結(jié)果、儀器高度和控制點(diǎn)的坐標(biāo)，將各測(cè)站掃描點(diǎn)按照一定的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為當(dāng)前控制網(wǎng)所設(shè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，得到拼接后的煤堆表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2）。這些數(shù)據(jù)包含了煤堆表面每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息 （X，Y，Z） 以及反射強(qiáng)度等其他相關(guān)信息。數(shù)據(jù)采集的過(guò)程通常是在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行，以確保數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1）數(shù)據(jù)清洗：剔除異常值和噪聲數(shù)據(jù)，裁剪個(gè)別冗余數(shù)據(jù)，對(duì)齊并插補(bǔ)多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)等，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。這一步驟對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要，因?yàn)樵肼晹?shù)據(jù)可能會(huì)影響最終的分析結(jié)果。

②）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：將掃描儀采集到的斜距、方位角、垂直角等信息轉(zhuǎn)換為實(shí)際的三維坐標(biāo)。這需要使用特定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，以確保數(shù)據(jù)的精確性。

3）數(shù)據(jù)拼接：編輯點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線擬合和曲面重構(gòu)，建立煤堆數(shù)字高程模型和三維立體模型。若使用多臺(tái)掃描儀進(jìn)行掃描，需將不同掃描儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和融合，形成完整的煤堆三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這一步驟確保了數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性[3]。

2.3 數(shù)據(jù)分析與建模

1）三維建模：利用數(shù)字內(nèi)插擬合技術(shù)和三維建模算法，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成煤堆的三維立體圖形。這一步驟能直觀地展示煤堆的形狀和分布，為后續(xù)的體積和重量計(jì)算提供基礎(chǔ)。

2）體積計(jì)算：通過(guò)體積積分算法或三維模型的幾何分析，計(jì)算煤堆的體積。若基準(zhǔn)面上存在非煤物體或建筑，應(yīng)扣除其預(yù)先測(cè)定的體積。這一步驟需要精確的算法支持，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4 數(shù)據(jù)可視化與展示

1）三維可視化：生成煤堆的三維立體圖形，支持放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等操作，方便用戶從不同角度查看煤堆信息。這一步驟對(duì)于直觀理解煤堆的分布和形狀非常有幫助。

2多維度展示：可以生成煤堆的高度圖、剖面圖等，從不同維度展示煤堆的信息，滿足不同用戶的需求。

2.5 報(bào)表生成與輸出

1）數(shù)據(jù)報(bào)表：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，生成包含煤堆體積、重量、分區(qū)信息等的報(bào)表。這些報(bào)表可以用于煤場(chǎng)管理、庫(kù)存盤點(diǎn)等目的。

2）自定義模板：支持自定義Excel模板，方便用戶根據(jù)需求輸出數(shù)據(jù)。用戶可以根據(jù)自己的管理需求定制報(bào)表的格式和內(nèi)容。

2.6 數(shù)據(jù)管理與存儲(chǔ)

1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將采集和處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢和分析，更有助于長(zhǎng)期跟蹤煤場(chǎng)的變化情況。

2）數(shù)據(jù)更新：支持定期或?qū)崟r(shí)更新數(shù)據(jù)，確保煤場(chǎng)管理的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性，這對(duì)于及時(shí)調(diào)整煤場(chǎng)管理策略非常重要。

通過(guò)以上步驟，激光盤煤儀能夠高效、準(zhǔn)確地處理煤堆數(shù)據(jù)，為煤炭管理和決策提供有力支持。這一系統(tǒng)化的過(guò)程不僅提高了數(shù)據(jù)處理的效率，還確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)于現(xiàn)代化煤場(chǎng)管理具有重要意義。

3 結(jié)果計(jì)算

根據(jù)特征曲線，將所測(cè)煤堆切割為若干個(gè)四方柱體進(jìn)行數(shù)學(xué)積分計(jì)算，四方柱體上端不受形狀限制，均可以計(jì)算出實(shí)際體積，因而可以根據(jù)實(shí)際煤堆計(jì)算出實(shí)際體積（圖3）。

庫(kù)存煤量盤點(diǎn)結(jié)果采用標(biāo)準(zhǔn)煤表示，按以下公式計(jì)算，結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后兩位：

G_rc=DV

G_ce=DVQ_net，ar/29.271

式中： G_rc 為庫(kù)存原煤量 （t）;G_∞ 為庫(kù)存原煤折算的標(biāo)準(zhǔn)煤量（tce）; D 為庫(kù)存煤堆積密度 （t/m³） ： V 為庫(kù)存煤堆積體積 （m³） ： Q_net，ar 為庫(kù)存煤收到基低位發(fā)熱量（MJ/kg）;29.271 為1kg標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量（MJ/kgce）。

注：GB/T2589建議 1kg 標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量為29.307MJ 。

如果一個(gè)煤場(chǎng)分區(qū)存放不同類別的煤，應(yīng)分區(qū)域給出煤量盤點(diǎn)結(jié)果。儲(chǔ)煤場(chǎng)庫(kù)存總煤量為各區(qū)域盤點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)煤量之和。

4 誤差分析

4.1 人為誤差

1特征點(diǎn)選擇不當(dāng)：在便攜式激光盤煤儀使用中，操作人員需手動(dòng)選擇煤堆表面特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。若特征點(diǎn)分布不均勻（如遺漏凹陷區(qū)域或過(guò)度集中于平整區(qū)域），會(huì)導(dǎo)致三維建模時(shí)內(nèi)插算法擬合表面形狀失真。例如，某電廠實(shí)測(cè)表明，特征點(diǎn)密度從2500個(gè)減少至1000個(gè)時(shí)，體積誤差可擴(kuò)大至 3% 以上。

2）姿態(tài)控制誤差：手持設(shè)備在移動(dòng)過(guò)程中可能因抖動(dòng)或傾斜導(dǎo)致激光測(cè)距儀姿態(tài)偏移。研究表明，姿態(tài)角（俯仰、橫滾、偏航）誤差超過(guò)1時(shí)，體積誤差可達(dá) 1.2% 。例如，某電廠實(shí)測(cè)表明，因操作者行走時(shí)未保持設(shè)備水平，導(dǎo)致煤堆高度數(shù)據(jù)系統(tǒng)性偏低，最終體積計(jì)算偏差達(dá) 0.8% 。

3定位數(shù)據(jù)同步問(wèn)題：當(dāng)設(shè)備依賴GPS或斗輪機(jī)行程輪定位時(shí)，操作人員若未校準(zhǔn)定位系統(tǒng)或忽略軌道積煤影響，可能引入坐標(biāo)偏差。例如，某電廠實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，軌道積煤導(dǎo)致行程輪軌跡誤差 0.1m ，角度偏差 0.3^° ，最終體積誤差達(dá) 0.5% 。

4.2 系統(tǒng)誤差

1設(shè)備硬件固有誤差。

（1）激光測(cè)距精度：激光發(fā)射器與接收器的校準(zhǔn)偏差、設(shè)備老化等因素導(dǎo)致測(cè)距誤差。例如，部分設(shè)備在 10% 反射率條件下最大測(cè)距誤差可達(dá) ±3cm 。（②）姿態(tài)傳感器誤差：手持或移動(dòng)式設(shè)備的俯仰角、橫滾角測(cè)量偏差（如 ±0.5^° 誤差可能導(dǎo)致高度計(jì)算誤差達(dá) 1.5%） °（3）編碼器定位誤差：軌道移動(dòng)式設(shè)備的編碼器數(shù)據(jù)漂移，導(dǎo)致位置坐標(biāo)偏移，直接影響三維模型構(gòu)建精度。

②安裝與定位偏差。

（1）掃描盲區(qū)：早期設(shè)備安裝在堆取料機(jī)臂上時(shí)，受機(jī)械臂回轉(zhuǎn)角度限制（如堆料機(jī)有效掃描角度僅 203^° ，導(dǎo)致煤堆邊緣數(shù)據(jù)缺失。

（2）GPS定位偏差：露天煤場(chǎng)中GPS信號(hào)受天氣干擾，定位誤差可達(dá)米級(jí)，影響坐標(biāo)標(biāo)定。

3）環(huán)境干擾因素。

（1）溫濕度與粉塵：高濕度或煤場(chǎng)粉塵導(dǎo)致激光散射，測(cè)距精度下降（實(shí)測(cè)濕度 gt;80% 時(shí)誤差增加約0.5%） 。

（②）煤堆表面特性：煤堆密度分布不均（如壓實(shí)區(qū)與松散區(qū)密度差異達(dá) 10% 以上），導(dǎo)致體積-重量換算誤差。

4算法模型局限性。

（1）插值算法誤差：傳統(tǒng)數(shù)字內(nèi)插技術(shù)對(duì)復(fù)雜煤 堆表面擬合不足，實(shí)測(cè)顯示煤堆頂部凹陷區(qū)域的體 積計(jì)算誤差可達(dá) 2% 0

（2）陰影補(bǔ)償不足：煤堆遮擋區(qū)域的補(bǔ)償算法未考慮煤堆傾角，導(dǎo)致補(bǔ)償體積偏差（如補(bǔ)償誤差達(dá)0.8m³/m） 。

為驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性，以某電廠每月最后一天盤煤為例，取3個(gè)月所得數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)誤差分析。誤差由下列公式計(jì)算，所得數(shù)據(jù)如表1所示。

誤差=測(cè)量值真實(shí)值 ×100%

由表1可以看出，測(cè)量值是2024年1月至3月間每月煤場(chǎng)盤點(diǎn)時(shí)所測(cè)得的存煤量。由于是雙煤棚煤場(chǎng)，每次測(cè)量分別在1A、1B、2A、2B（即南北雙向）四個(gè)區(qū)域進(jìn)行，并根據(jù)每月進(jìn)煤量、出煤量、剩余煤量得出煤場(chǎng)實(shí)際存煤量，即真實(shí)值，再通過(guò)誤差計(jì)算公式得出誤差。根據(jù)誤差列的數(shù)據(jù)，得出測(cè)量的最大誤差為 0.48% ，最小誤差為 -0.18% ，系統(tǒng)測(cè)量誤差約為 ±0.48% ，小于 0.5% 。激光掃描盤煤精度較高，測(cè)量穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

在火力發(fā)電廠中，煤場(chǎng)存煤量的精準(zhǔn)管理直接影響發(fā)電成本核算和燃料調(diào)度效率。經(jīng)過(guò)理論研究、實(shí)際操作及結(jié)果分析，激光盤煤儀通過(guò)以下功能提升了管理效能。

1）測(cè)量精度不受外界磁場(chǎng)干擾：盤煤系統(tǒng)中的水平角編碼器采用光電數(shù)碼技術(shù)測(cè)量水平角度，不受發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及斗輪機(jī)、推土機(jī)、皮帶機(jī)鋼鐵支架等鐵磁性物質(zhì)的影響。

2）現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算和繪圖功能：可在現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)采集、體積計(jì)算和圖形繪制工作。這不僅省去了數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙ぷ?，而且在煤?chǎng)就能即時(shí)取得盤煤結(jié)果，可以現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)盤煤的正確性。

3）具有觀測(cè)點(diǎn)的平面現(xiàn)場(chǎng)顯示功能：此功能不但使觀測(cè)情況一目了然，還可以從圖形中立即發(fā)現(xiàn)測(cè)量中出現(xiàn)的錯(cuò)誤并現(xiàn)場(chǎng)改正，提高了觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量和盤煤成果的精度。

4）應(yīng)用場(chǎng)景廣：適用于不同物料、不同堆形的大宗商品，涵蓋冶金石化、水泥建材、港口物流、環(huán)保監(jiān)測(cè)等行業(yè)。

基于以上特點(diǎn)，激光盤煤儀將工業(yè)級(jí)測(cè)距技術(shù)與智能算法深度融合，解決了傳統(tǒng)盤煤效率低、誤差大、安全性差的痛點(diǎn)。隨著三維建模算法和邊緣計(jì)算技術(shù)的迭代，激光盤煤儀在復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了亞米級(jí)空間分辨率和千分級(jí)體積測(cè)量精度，成為當(dāng)前燃煤庫(kù)存管理的首選方案。

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收稿日期：2025-03-25

作者簡(jiǎn)介：張佳佳（1986一），男，安徽阜陽(yáng)人，助理研究員，研究方向：儀器儀表、煤化工。