黃　歡　周　泉　楊天龍　楊天宇

泰富重裝集團(tuán)有限公司

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散貨料場(chǎng)智能化信息化可視化的研究和應(yīng)用*

黃歡周泉楊天龍楊天宇

泰富重裝集團(tuán)有限公司

介紹了集料場(chǎng)可視化管理、作業(yè)智能化調(diào)度、物料和料堆信息化管理、設(shè)備自動(dòng)化作業(yè)等多種先進(jìn)技術(shù)于一體的可視化、信息化、智能化料場(chǎng)管理控制平臺(tái)的硬、軟件構(gòu)成及其在堆取料機(jī)的自動(dòng)堆取料控制中的應(yīng)用。該系統(tǒng)主要是利用激光掃描技術(shù)，對(duì)料堆進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，形成2D/3D可視化圖像、料場(chǎng)及料堆管理信息，同時(shí)通過(guò)智能化控制將這些信息轉(zhuǎn)化為PLC的控制指令，控制堆取料機(jī)自動(dòng)完成堆取料作業(yè)。

散貨料場(chǎng)；智能調(diào)度；信息管理；3D可視化

1　前言

目前，在散貨料場(chǎng)中，堆取料機(jī)主要負(fù)責(zé)物料的堆取作業(yè)，是整個(gè)原料場(chǎng)中非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其堆取作業(yè)通常依靠現(xiàn)場(chǎng)操作人員進(jìn)行，堆取料設(shè)備操作人員根據(jù)散料輸送中控室的指令和個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，將堆取料機(jī)開(kāi)到指定的料堆點(diǎn)進(jìn)行堆取料作業(yè)。一方面由于原料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)往往是露天的，受風(fēng)、雨等自然條件影響很大，且在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的可吸入性粉塵，漫天的粉塵嚴(yán)重影響到操作人員的健康；另一方面由于人工操作，物料的信息完全是人手工編寫(xiě)，不利于料場(chǎng)物料的信息化管理，同時(shí)料場(chǎng)料堆的分布、物料種類(lèi)、設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息無(wú)法實(shí)時(shí)顯示。因此，如何有效地減少人為因素，改善勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，降低勞動(dòng)成本，加強(qiáng)物料信息的管理以及實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)可視化，成了散貨料場(chǎng)面臨的共同問(wèn)題。

2　系統(tǒng)組成

2.1硬件系統(tǒng)組成

散貨料場(chǎng)智能化、信息化、可視化硬件系統(tǒng)主要由斗輪堆取料機(jī)控制系統(tǒng)和中控室中央控制系統(tǒng)兩部分組成，見(jiàn)圖1。

(1)堆取料機(jī)控制系統(tǒng)主要完成本地堆取料控制、各機(jī)構(gòu)狀態(tài)、故障采集、激光掃描及數(shù)據(jù)處理。堆取料機(jī)設(shè)有本地PLC可編程邏輯控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)本地的堆取料機(jī)的邏輯控制和堆取料機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)狀態(tài)及故障的數(shù)據(jù)采集。堆取料機(jī)上設(shè)有一臺(tái)高性能的機(jī)上堆取料自動(dòng)作業(yè)工控機(jī)操作站，用于實(shí)現(xiàn)與PLC的通信控制、局部堆型的數(shù)據(jù)處理以及自動(dòng)堆取料作業(yè)。在堆取料機(jī)的立柱頂端安裝三維激光掃描系統(tǒng)，用于掃描料堆數(shù)據(jù)，操作站把掃描的堆型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)以太網(wǎng)傳送給中控室中央服務(wù)器。堆取料機(jī)的臂架上設(shè)RTK-GPS系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)、俯仰、走行的精確定位。

(2)中央控制系統(tǒng)主要完成堆取料機(jī)設(shè)備調(diào)度作業(yè)計(jì)劃的生成、自動(dòng)堆取料機(jī)作業(yè)系統(tǒng)控制及料場(chǎng)料堆及物料管理。中控室設(shè)有冗余的服務(wù)器，用于料場(chǎng)料堆的三維處理、料堆堆取料作業(yè)控制以及與堆取料機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。該服務(wù)器安裝了oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，用于保存堆取料機(jī)的狀態(tài)、料場(chǎng)信息以及料堆信息等。中控室還設(shè)有遠(yuǎn)程操作手柄，必要時(shí)可以通過(guò)中控室的中央控制系統(tǒng)進(jìn)行人工干預(yù)。

圖1　硬件系統(tǒng)組成

2.2軟件平臺(tái)組成

散貨料場(chǎng)智能化、信息化、可視化系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要由如圖2所示的7個(gè)部分組成。

圖2　軟件平臺(tái)組成

堆取料機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)料堆掃描及堆取料機(jī)高精度定位、激光將掃描后的料堆數(shù)據(jù)以及定位數(shù)據(jù)，以指定料場(chǎng)為原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)料場(chǎng)料堆及設(shè)備的空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、作業(yè)參數(shù)設(shè)定和修改、各個(gè)設(shè)備操作權(quán)限的管理、自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)路徑可視化與堆取料自動(dòng)化控制、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控和進(jìn)度管理以及作業(yè)設(shè)備姿態(tài)和對(duì)象料堆實(shí)時(shí)可視化。

料堆可視化軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)由各個(gè)區(qū)域掃描的料堆數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)料場(chǎng)料堆數(shù)據(jù)的拼接、全料場(chǎng)料堆的2D或3D模式的可視化并具有視角轉(zhuǎn)變、局部放大等功能；實(shí)現(xiàn)料堆區(qū)域范圍的智能化識(shí)別。

料場(chǎng)料堆及物料管理軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物料信息追蹤，包括物料的種類(lèi)、運(yùn)輸?shù)呐?、客戶名稱等信息；實(shí)現(xiàn)料堆分布管理和可視化，包括料堆的編號(hào)、料堆的分布、設(shè)備的分布等信息；實(shí)現(xiàn)物料信息管理，包括物料編號(hào)、料堆位置、料堆體積、料堆重量、作業(yè)設(shè)備等信息；實(shí)現(xiàn)料堆物料盤(pán)庫(kù)。

堆取料作業(yè)設(shè)備調(diào)度軟件系統(tǒng)，主要是負(fù)責(zé)堆料作業(yè)時(shí)作業(yè)區(qū)域自動(dòng)尋優(yōu)，當(dāng)收到中央調(diào)度計(jì)算機(jī)的作業(yè)計(jì)劃后，根據(jù)物料種類(lèi)、作業(yè)噸位等進(jìn)行場(chǎng)地選擇；當(dāng)料場(chǎng)沒(méi)有此物料時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入新堆模式，計(jì)算相應(yīng)的起始位置后，推薦合適的空地給操作人員；如果料場(chǎng)有此物種時(shí)，則進(jìn)入空地堆新堆、續(xù)堆或者補(bǔ)堆模式，計(jì)算相應(yīng)的起始位置后，推薦合適的位置給操作人員；取料作業(yè)時(shí)，判斷最合適料堆，計(jì)算取料的起始位置和終止位置，自動(dòng)尋優(yōu)；實(shí)現(xiàn)單個(gè)作業(yè)計(jì)劃的多種作業(yè)方案推薦；作業(yè)結(jié)果提前可視化預(yù)覽。

料場(chǎng)設(shè)備防碰撞軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)作業(yè)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)防碰撞、防碰撞區(qū)域范圍和等級(jí)可設(shè)定、設(shè)備防碰撞的動(dòng)態(tài)2D和3D顯示。

堆取料設(shè)備遠(yuǎn)程管理軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)堆取料設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控；堆取料設(shè)備作業(yè)數(shù)據(jù)記錄與統(tǒng)計(jì)；堆取料設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)管理；設(shè)備故障、報(bào)警顯示與處理。

3　技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1三維激光掃描與坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及高度定位

3D激光掃描儀(替代人工操作過(guò)程中的人眼)利用TOF飛行時(shí)間原理，對(duì)堆取料機(jī)周邊的料堆進(jìn)行掃描測(cè)距，并進(jìn)行一系列的濾波、去振動(dòng)、去雨霧干擾等數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行連續(xù)的多維空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，獲取料堆表面網(wǎng)格在料場(chǎng)參照坐標(biāo)系中的絕對(duì)坐標(biāo)。堆取料機(jī)的定位精度直接關(guān)系到掃描料堆后還原坐標(biāo)系時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而對(duì)取料時(shí)斗輪斗體的切削深度控制、取料流量控制精度、料堆體積計(jì)算精度都有很大影響。因此系統(tǒng)采用兩點(diǎn)RTK-GPS系統(tǒng)，利用基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的差分互校功能實(shí)現(xiàn)高精度定位，并采用坐標(biāo)系矩陣變換計(jì)算出走行位置、回轉(zhuǎn)角度、俯仰角度。3D激光掃描儀見(jiàn)圖3。

圖3　3D激光掃描儀

3.2料場(chǎng)整體海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理與拼接及3D動(dòng)態(tài)顯示

中控可視化計(jì)算機(jī)需要接收各臺(tái)設(shè)備發(fā)回的料堆表面網(wǎng)格坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并采用特殊并行算法進(jìn)行處理，提升處理速度，將各個(gè)區(qū)域的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行邊緣重合數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行拼接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)料場(chǎng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整合。為便于更加直觀地顯示料場(chǎng)和設(shè)備的狀態(tài)，可引入3D繪圖渲染技術(shù)，這就需要采取特殊的圖像算法，保證料場(chǎng)和設(shè)備3D的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，保證3D畫(huà)面的渲染質(zhì)量，同時(shí)還必須保證圖像更新的實(shí)時(shí)性。料場(chǎng)拼接及3D可視化效果見(jiàn)圖4。

圖4　料場(chǎng)拼接及3D可視化效果

3.3取料流量的控制

取料過(guò)程中料堆隨時(shí)可能出現(xiàn)空隙，或者設(shè)備回轉(zhuǎn)出了取料作業(yè)料堆范圍之外，這樣易造成物料流量的不恒定，降低取料效率，因此系統(tǒng)采用先進(jìn)機(jī)器視覺(jué)PID預(yù)估控制算法，通過(guò)實(shí)時(shí)分析料堆的形狀來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)的方向和速度。同時(shí)還實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斗輪電機(jī)電流或液壓系統(tǒng)壓力，通過(guò)數(shù)學(xué)模型估算來(lái)調(diào)整回轉(zhuǎn)速度，保證流量處于較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。取料流量控制如圖5所示。

圖5　取料流量控制

3.4料場(chǎng)料堆識(shí)別、數(shù)據(jù)管理和設(shè)備的智能化調(diào)度

為了便于計(jì)劃管理人員操作便利，需要采用圖像識(shí)別算法對(duì)料場(chǎng)的料堆進(jìn)行識(shí)別，判別每個(gè)料堆的范圍和起始位置，從而將其與作業(yè)參數(shù)(如物料種類(lèi)、作業(yè)量、作業(yè)時(shí)間、作業(yè)設(shè)備等)進(jìn)行整合后，以直觀分布圖的方式進(jìn)行顯示?？梢栽诳梢暬缑嫔喜榭吹矫總€(gè)料堆的各種詳細(xì)信息，也可在利用此數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，引入智能調(diào)度算法，完成堆取料作業(yè)設(shè)備的智能化調(diào)度。

4　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)結(jié)合了激光掃描技術(shù)、GPS技術(shù)、料場(chǎng)三維成像技術(shù)、PLC控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了料場(chǎng)可視化、信息化、智能化管理控制，大大地改善了勞動(dòng)環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了料場(chǎng)管理和調(diào)度水平。

Research and Application of the Intelligence,Informatization &Visualization Technology on Bulk Material Field

Huang HuanZhou QuanYang TianlongYang Tianyu

Tidfore Heavy Equipment Group Co., Ltd.

The paper mainly introduces the hardware and software constitutes of the visualization , informatization and intelligence stockyard management and control platform, which contains a variety of advanced technologies such as stockyard visualization, intelligent job scheduling, information management of material and stockpile, and automation jobs. The platform is developed to achieve the real-time scanning of the stockpile by utilizing the laser scanning technique. Through this method, it can generate the 2D/3D visualization pictures as well as management information of stockyard and stockpile. Furthermore, the system can also convert the management information into the PLC Control commands by intelligent control system and further control the Stacker/Reclaimer to complete stacking/reclaiming operation automatically.

bulk material stockyard; intelligent job scheduling; information management; 3D visualization

2016-05-20

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.04.015

*科技計(jì)劃項(xiàng)目：湖南省科技成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化，項(xiàng)目編號(hào):2014CK1001

黃歡： 411201,湖南省湘潭市九華經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)奔馳路6號(hào)