煤棚堆料现场三维扫描体积测量技术

一、传统煤堆体积测量方法的困境

在过去很长一段时间里，煤棚堆料体积测量主要依靠传统方法，这些方法在实际应用中暴露出诸多问题。传统的存煤盘点方式，常常依赖人工拉皮尺、水准仪测量或者全站仪单点测量法等。以人工拉皮尺为例，测量人员需在煤堆上攀爬、拉尺，不仅要耗费大量人力、财力和时间，而且测量精度受人为因素影响极大，误差较大，准确度低。

水准仪测量和全站仪单点测量方式，对测量环境要求较高，在煤棚这种粉尘浓度高、环境复杂的场所，测量效果大打折扣。由于煤堆形状复杂多样，表面存在高低起伏、凸出与凹陷不一的形态，传统测量方法无法精准测量物料的体积。同时，这些方法受温湿度变化影响明显，普通设备容易出现故障或测量误差。而且，人工操作风险高，作业人员需频繁进入堆场，而堆场现场不仅环境恶劣，还存在有害气体积聚的风险，复杂的料堆结构和高空作业环境也使得作业人员面临较高的健康风险和坠落风险。此外，传统盘点方式耗时较长，导致生产过程被迫中断，无法保持连续性，进而引发显著的经济损失。

二、三维扫描体积测量技术的原理与优势

三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术是通过向目标物体发射激光束并接收反射信号，快速获取物体表面的密集点云数据，再通过算法计算点云体积，实现煤堆体积的精确测量。其核心在于利用激光的高方向性和高能量特性，准确地测量出激光从发射到反射回接收器的时间，从而计算出物体表面各点到扫描仪的距离，进而构建出物体的三维模型。

3D雷达扫描技术原理

锐达仪表的3D雷达扫描机器人采用太赫兹调频连续波（FMCW）雷达技术，其凭借先进的毫米波穿透技术和高效的数据采集能力工作。毫米波能够穿透煤棚内的粉尘，获取准确的测量数据。设备通过水平旋转与垂直摆动结构，实现360°无盲区扫描，精准感知料堆表面形态。

技术优势

1. 高精度：三维激光扫描技术单点精度可达毫米级，整体体积误差率≤1%；XK祥控固定式激光盘煤仪相对精度优于千分之五，能提供实时厘米级定位数据。这些高精度的测量结果为企业的库存管理和生产调度提供了可靠依据。
2. 非接触式测量：避免了人工攀爬煤堆带来的安全风险，尤其适用于高温、粉尘、有害气体积聚等恶劣环境。例如在煤棚中，工作人员无需进入危险区域，只需操作扫描设备即可完成测量。
3. 高效性：三维激光扫描单堆体扫描仅需10 - 30分钟，支持大面积连续扫描；激光盘煤仪一个煤场的扫描和测量可在半小时左右完成，大大提高了测量效率，减少了生产中断时间。
4. 环境适应性强：3D雷达扫描机器人可在高粉尘、高湿度的复杂环境中稳定运行，不受温湿度变化和粉尘干扰的影响，解决了传统测量设备在煤棚环境下的难题。

三、常见的三维扫描体积测量设备

三维激光扫描仪

三维激光扫描仪分为手持式和车载式。手持式适合小堆体的测量，具有便携性强的特点，可灵活应对不同位置的小范围煤堆。车载式则适用于大范围的煤场，例如某大型煤电企业采用车载式三维激光扫描仪，单次扫描可覆盖5万㎡煤场。

3D雷达扫描机器人

锐达仪表的3DPro2300雷达扫描机器人是该类设备的典型代表。它融合了太赫兹调频连续波（FMCW）雷达技术、三维点云建模与AI算法，通过水平旋转与垂直摆动结构实现360°无盲区扫描，单次扫描可获取16200个检测点数据。支持多物料分区测量与体积、质量计算，上位机软件将三维模型可视化，实时展示料堆分布与库存数据，用户可通过移动终端远程查看，支持无人值守作业。

固定式激光盘煤仪

XK祥控固定式激光盘煤仪利用激光测距技术，能够测量煤堆、土堆、矿石等物料的高度、长度及体积。在煤场安装使用时，可根据需求选择单台或多台激光盘煤仪，采用固定式定点安装方式对整个煤场进行盘点扫描。它具备全覆盖盘煤的能力，支持现场和远程两种控制方式，无盲区、无死角，覆盖面广；自动测量采集全部数据，无需人工干预；盘煤速度快，且不受外界磁场干扰，设备还具备防爆功能。

四、煤棚堆料三维扫描体积测量的流程

数据采集

1. 设备选择：根据煤棚的规模和煤堆的大小选择合适的扫描设备。对于小型煤棚或小堆体，可选用手持式三维激光扫描仪；对于大型煤棚和大范围煤堆，车载式三维激光扫描仪、3D雷达扫描机器人或多台固定式激光盘煤仪更为合适。
2. 扫描策略：以三维激光扫描为例，需要围绕煤堆设置多个扫描站点，确保点云密度≥50点/m²，重叠率≥30%，以保证获取完整、准确的点云数据。在使用3D雷达扫描机器人时，要合理规划其扫描路径，确保实现对煤堆的全面扫描。

数据处理

1. 点云拼接：通过特征匹配或标靶球实现多站点云对齐，将不同扫描站点获取的点云数据拼接成一个完整的点云模型。
2. 去噪处理：剔除离群点和无关物体（如车辆、设备）的数据，提高点云数据的质量。
3. 三角化建模：将点云转化为三角网格模型，生成煤堆表面数字高程模型（DEM），为后续的体积计算提供基础。

体积计算

1. 基准面设定：选择自然地面或设计标高作为基准，确保体积计算的准确性和一致性。
2. 体积算法选择：常见的算法有格网法和三角面法。格网法是将DEM划分为规则网格，计算每个网格体积并累加；三角面法是直接基于三角网格计算体积。

五、三维扫描体积测量技术的实际应用案例

某大型煤电企业案例

某大型煤电企业面临煤堆体积动态变化快、人工测量效率低的问题。该企业采用车载式三维激光扫描仪进行煤堆体积测量，单次扫描覆盖5万㎡煤场，体积测量误差率＜0.8%，效率提升60%。通过使用该技术，年节省人工成本约120万元，减少煤堆盘点误差导致的经济损失约80万元。这一案例充分展示了三维扫描体积测量技术在提高测量精度、降低成本和提高生产效率方面的显著优势。

锐达仪表3D雷达扫描机器人应用案例

在一些大型堆场，锐达仪表的3D雷达扫描机器人得到了广泛应用。该机器人凭借其先进的技术，在复杂工况下实现了高精度三维建模，为堆场智能化升级提供了全新解决方案。其非接触式测量方式减少了人员进入堆场的频次，降低了健康与坠落风险，同时大幅减少了扬尘污染，助力企业满足环保要求。通过云平台存储历史数据，结合机器学习分析料堆变化趋势，为物料调度、采购计划提供了科学依据。

六、三维扫描体积测量技术的未来发展趋势

AI辅助分析

结合机器学习算法，自动识别煤堆边界、凹陷区域等特征。通过大量的历史数据训练模型，使系统能够更准确地分析煤堆的形态和体积变化，进一步提高测量的自动化程度和准确性。

无人机集成

搭载激光雷达的无人机实现空中扫描，可提升复杂地形适应性。无人机能够快速、灵活地对煤棚堆料进行扫描，尤其是对于一些难以到达的区域或大型不规则煤堆，能够获取更全面的测量数据。

5G实时传输

扫描数据实时回传至云端，支持远程监控与决策。借助5G技术的高速稳定传输特性，工作人员可以在任何地点实时查看煤堆的测量数据和三维模型，及时做出生产调度和库存管理的决策。

多传感器融合

将三维扫描技术与其他传感器（如温湿度传感器、粉尘传感器等）融合，实现对煤棚环境和煤堆状态的全面监测。通过综合分析多种传感器的数据，为企业提供更丰富、准确的信息，进一步提高生产管理的智能化水平。

煤棚堆料现场三维扫描体积测量技术凭借其高精度、高效性和适应性强等优势，正逐渐取代传统的测量方法。随着技术的不断发展和创新，该技术将在煤炭行业的库存管理、生产调度和智能化升级等方面发挥越来越重要的作用。