露天煤场运用多旋翼无人机盘煤系统的研究与应用
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作者:袁千军
摘 要：采用无人机技术，搭载先进感知平台，采用高清（4K）数字摄影技术，实现对露天煤场的自动巡查，通过使用三维建模技术和计算机图形处理技术，对空间位置信息数据在计算机平台进行三维坐标转换，重构实景三维模型，还原被测煤堆的真实形状分布，科学计算出煤堆体积等，实现快速、精准盘煤，是一种专用于露天煤场盘煤的全新盘煤方式。
关键词：无人机 4K 露天煤场 三维建模 精准盘煤
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0079-02
Abstract： using unmanned aerial vehicle （uav） technology， with advanced sensing platform， in hd （4 k） digital photographic technology， to realize automatic search for open coal yard， through the use of 3 d modeling technology and computer image processing technology， the spatial location information data on the computer platform for 3 d coordinate transformation， reconstructing three-dimensional models of real measured real shape distribution of coal pile， restore science and calculate the coal pile such as volume， rapid， accurate plate coal， is a dedicated to open the new dish plate coal of coal.
Key Words： Unmanned aerial vehicle; 4 k; Open pit coal mine; 3d modeling; Precision plate of coal
储煤场的存煤盘点监管是各生产煤矿、港口及火力发电厂等企业安全管理的重要工作之一，同时也是企业生产管理、运销调度及成本 核算的重要组成部分。
无人机盘煤技术采用无人机搭载先进感知平台，实现对储煤场的全区域巡查，并进行储煤场三维重构、储量计算等，实现煤场存煤的精确盘点，为企业生产计划、运销调度等提供科学决策依据。
无人机盘煤系统有效地避免了人为误差，简单可靠，高效快捷，省时省力，是代替现有盘煤方式的优选方案。
1 系统组成
露天煤场盘煤系统由无人机系统、通信系统、GPS系统、地面站系统四部分组成，如图1所示。无人机系统主要包括飞控系统、传感器系统和检测终端及云台等，实现铁路沿线及采空区高清图像获取、及GPS高精度空间位置融合。GPS系统包括导航卫星及高精度差分GPS数据获取。通信系统包括数据链路及高清图传系统，实现机载感知平台获取数据的高效传输。地面站系统包括数据智能管理分析系统和数据管理系统，地面站系统中的体积计算模块通过获取图像时记录的GPS信息计算出三维模型的体积，从而计算出煤堆体积，实现露天煤场煤量三维重构、体积计算和数据处理等。
2 系统基本工作原理
系统以无人机为载体，采用高清（4K）数字摄影技术和差分GPS综合位置传感技术实现煤场实景三维重构，即时获取煤场的空间位置，并同步傳输到地面站计算机平台。通过使用三维建模技术和计算机图形处理技术，对空间位置信息数据在计算机平台进行三维坐标转换，重构实景三维模型，还原被测煤堆的真实形状，科学计算出煤堆体积等数据参数。
3 三维重构实例数据及试验结果对比
3.1 实例数据
本实验以淮北国安电厂露天储煤场作为研究对象，淮北国安电厂露天储煤场具有国内先进的激光雷达盘煤系统（通过激光盘煤仪装在斗轮机上进行盘煤），并且该露天储煤场对煤炭的进出量有着详细的记录（理论存煤量），方便进行试验对比分析。通过无人机搭载4K高清相机与高精度GPS在露天储煤场上方飞行8min，获取86张分辨率为4000×2250像素并且含有高精度三维地理信息的高清图像。在获取图像时，记录每张图像的GPS定位数据并要求每一张图像与前一张拍摄的图像都有重合，以便于图像之间的特征匹配。
将无人机所拍摄的图片等数据导入地面站数据处理分析系统，通过图像的特征提取与匹配、稀疏重建和稠密重建三个步骤获得露天储煤场的三维模型，如图2所示。淮北国安电厂露天储煤场分为2个小型煤场。
地面站系统中的体积计算模块通过获取图像时记录的GPS信息计算出三维模型的体积，从而计出煤堆体积。所计算出两储煤场体积等数据如表1所示。
3.2 试验结果对比分析
（1）盘煤时间对比。作业中利用激光雷达盘煤系统对东、西两露天储煤场进行盘煤，所需时间约为65min。两露天储煤场无人机自动盘煤系统中无人机获取图像等数据时间为8min，地面站进行数据处理时间为37min，整个盘煤时间约为45min，盘煤过程缩短了30.8%的盘煤时间。若适当地改善地面站处理器配置，能够加快试验数据处理速度，进一步缩短盘煤时间。
（2）三维模型及误差对比。以西储煤场为例，露天储煤场激光雷达盘煤系统产生的三维模型（如图2最下面那副三维重构模型）所示。通过对比可以看出，无人机盘煤所产生的三维模型细节更加明显，边角更加突出且更接近煤场的真实外貌。激光雷达盘煤系统产生的三维模型边缘有许多阴影和盲区，在计算体积时会加大误差。
4 效益分析
露天储煤场无人机自动盘煤系统相较与激光雷达盘煤系统在盘煤时间上速度更快、效率更高，其三维重构画面细节更加清晰、接近真实煤场外貌，从而无人机盘煤系统在体积计算上也更加精确。操作及维护更为方便，降低了煤场的投入，有效节省了人力、物力和财力。为煤场配煤决策提供高精度的数据管理参数和可靠的查询依据。降低了企业管理成本，具有较大的推广和应用价值。在升级盘煤技术具有典型示范作用，具有极大的经济价值和社会效益。
5 结语
针对于露天储煤场的盘煤问题，提出了一种有效的露天储煤场无人机自动盘煤系统，介绍了其系统组成和理论依据。通过对该系统在淮北国安电厂露天储煤场的盘煤试验数据分析发现，在盘煤效率和精确度上无人机自动盘煤系统都要优越于原激光雷达盘煤系统。露天储煤场无人机自动盘煤系统适用于煤矿、港口和燃煤电厂的大中小型露天储煤场，能够解决煤炭清洁、高效盘煤所面临的实际问题，应用测量测绘领域的先进技术，开发新的高效应用系统，提高储煤场监管的信息化程度，为企业成本核算提供科学依据，同时也为储煤场安全生产提供可靠保障，为提升煤场企业的社会经济效益提供科学的技术手段。具有很好的应用前景。
参考文献
[1] 林森，程耕国.基于激光扫描的储煤场散装物料计量系统[J].微计算机信息，2007（25）：113-114，197.
[2] 钱建生，程建.基于无人机自动盘煤及煤炭自燃隐患监测系统[D].中国矿业大学，2016.
[3] 李弼程，彭天强，彭波，等.智能图像处理技术[M].北京：电子工业出版社，2004.
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