彭雄波1 陈宇丹2 阮国鑫3
广东省工程技术研究所有限公司 广东广州 ?510440
摘要：本方法采用激光测距仪和角度仪测绘系统，可以实现煤堆体积自动计量，绘制煤堆三维图形，通过软件对数据进行处理和计算，实现煤堆体积的计量，通过堆密度的计算得出重量。
关键词：煤堆；体积；测绘；重量
1 范围
本标准规定了用激光盘煤仪与煤炭堆密度小容器测定煤的重量的方法。本标准适用褐煤、烟煤、无烟煤。
2 引用标准
下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB 475-2008 商品煤样采取方法
MT/T 739-2011 煤炭堆密度小容器测定方法
3 方法提要
将采集的煤样经已知容积的小容器测定煤的重量，从而得出煤的堆密度，再通过激光盘煤仪测量出煤堆的体积，由煤的堆密度乘以煤堆的体积得出该煤堆的重量。
4 仪器设备
4.1 激光盘料仪由激光测距仪、角度编码器、笔记本电脑及其它附件组成，或由相关组件集成。通过在煤场周边建立空间坐标系统即煤场控制网。由笔记本电脑内的采集软件通过激光测距仪、角度编码器等测量装置取得煤堆表面特征点的空间坐标，再由后台数据处理软件建立数字地面模型，生成反映煤堆形状的三维立体图形，并计算出煤堆的体积，输入煤堆的密度后可自动得出煤堆的重量。
4.1.1 激光测距仪
激光测距仪内部由一个大范围的激光量程传感器、一个流体倾斜传感器、一个观测目镜系统和一个数据输出端口组成，其中激光量程传感器测量距离，倾斜传感器测量角度值。这些传感器和控制软件结合起来，通过仪器相应按钮和后面板的液晶显示屏获得数据。
激光测距仪的前面板上有两个镜头，一个镜头发射红外激光信号，另一个镜头接收从目标反射回来的激光信号并将信号信息传输到仪器内部的电路中去。后面板包括液晶显示器、电池室、串口连接器。通过串口连接器可将激光测距仪连接到数据采集器或笔记本计算机上。图一为一种适用的激光测距仪。
前面板 后面板
图一 前后面板示意图
4.1.2角度编码器（如图二所示）
角度编码器可以分为两类元件，一类是光机械装置，用来实现光栅与角度运行中测得的数值编码的结合，一类是光电读数装置，用以实现读出、处理和分析数值。
图二 角度编码器
4.2 容器：容积为200L（0.200m3），内边长为585mm的正方体容器。结构坚固，内表面光滑。
4.3 台秤：最大量程为500kg，称量准确度大于或等于0.1%。
5 测定步骤
5.1按照MT/T 739-2011规定测量煤的堆密度。
5.2 使用激光盘煤仪测定煤堆的体积
5.2.1 按照说明书安装调试激光盘煤仪。
5.2.2 双击桌面上的“3deManager”的快捷方式。
5.2.3点击“自然物体”栏目。
5.2.4点击“开始采点”图标。
5.2.5点击“随机采点”栏目。
5.2.6输入“文件名称”。
5.2.7输入“煤场名称”。
5.2.8输入“仪器高度”，仪器的高度是单脚支架下面标尺读数减去0.25的常量即是仪器高度。
5.2.9 如已建网络，则点击“已建立网络”栏目，将激光测距仪开机，然后转入5.2.11步骤。
5.2.10 如需建临时网络，将激光测距仪开机，按右边中间的键将测量状态调到“VD”，将仪器瞄准煤场零位测量一下。这时仪器会显示一个值（假定为V），则高度差Z=（－Ｖ）－仪器高度。然后点击“随机建网”。程序会弹出对话框，要求输入原点的坐标，X、Y值均为０， Z值为计算出来的高度差。输完后点击确定。
5.2.11将编码器开机进行初始化，即将测距仪的瞄准红点打开，对准煤场长边的方向，然后按下编码器右上角第一个键。（仪器会快速的响两声，并且将这个方向定义为零度）。
5.2.12 点击“接收数据”，进入测量状态。
5.2.13 按激光测距仪右边中间的键将测量状态调到“HD”，在按右手边第一个按钮多次测量煤场的各个特征点，一般隔三至五米取一个点，煤堆底部，顶部和煤堆变化比较多的地方都要采点。
5.2.14 在第一控制点上的数据采集完后，另一个人确定好下一个观测点，并站好位置，操作人员先输入“目标高度”，然后点击“增加控制点”按钮，将仪器对准该位置进行测量。
5.2.15 将仪器移到下一个点上，调水平。将“目标高度”一栏中的数字删除，再将“后视”前小框内的小勾勾上，再按“前一个点”将控点序号调到仪器刚才所在的点，再对准该点测一下，并观察测距仪显示的距离是否与测过来时的距离一致。同时看程序中控点序号是否又回到当前点。如果是，则可继续对煤堆进行测量。
5.2.16 重复5.2.13至5.2.15，直至煤场所有特征点都测完。
5.2.17.1煤堆数据是按照一定的顺序在观测点上用仪器测量煤堆轮廓的特征点获取的。便携式盘煤仪测量煤堆将获得斜距、方位、垂直角，并不是三维坐标，因此需进行转换才能获得煤堆的三维坐标数据。
1） 斜距：测量仪器到目标点的直线距离。用Ld表示。
2） 垂直角：测量仪器的测点至观测目标的方向线与水平面间的夹角，用α表示。
3） 方位角：测量仪器平视线与正北方向的夹角，用β表示。
数据采样过程：如图1 所示，设基点T1坐标为（ 0，0，0） ，通过基点T1的坐标去测量T2，经过式（ 1）转换得到T2三维坐标，依次类推，得到T3，T4坐标。得到观测网数据之后，由每个基点去测量碎部点。盘煤仪获取的每个点的斜距、方位角、垂直角，可通过式（ 2） 将其转换成三维坐标。
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式中： x0，y0，z0为坐标原点，h为盘煤仪激光源高度。
5.2.17.2建立三维模型
通常激光盘煤仪采集到的数据点是离散的，无法直接进行体积计算，因此为了将这些离散的煤堆轮廓数据点生成三维图形，需要把所有测点投影到平面上，在对这些点进行Delaunay三角剖分，形成三维图形。
任何一个不规则物料堆体都可以被分割成若干个四面体（三棱锥），由于四面体是三维空间最简单的不规则体单元。因此，将煤堆体积转化为四面体体积计算，用它来计算体积，计算精度高，且易于实现计算机自动化。具体煤堆体积计算流程如图2所示。
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7 盘煤记录和报告
7.1记录煤堆的重量；
7.2记录特征煤堆形状；
7.3 记录煤的堆密度；
7.4 记录煤堆的体积；
7.5记录盘煤的日期；
7.6记录煤场号。
8方法精密度
重复性限：同一操作者用同一台设备在同一场地同一堆物体进行测定，两次测量的体积绝对值之差不大于0.5%。
结束语
方法从使用的仪器、原理和特点为，详细论述了方法操作和仪器的使用，最后通过软件形成三维图和计算堆体积。目前本方法证明采用激光测距的方法应用我们日常煤场的盘点工作，实用性和可操作性比较强，能够满足客户精度要求。由于本人的学识浅薄，在叙述方法时，难免出现疏忽和错漏之处，希望批评指正，不胜感激。
参考文献
[1]一种圆形封闭煤场无死角红外测温技术的应用[J]. 王艳春,尹新伟,陈婷.??科技资讯.?2016(35)
[2]圆形封闭式煤场激光盘点仪的改造实践[J]. 陈伟,刘毅.??华电技术.?2017(03)
[3]大型散货堆体积的快速测量[J]. 杨德山,董丽丽,梁倩倩,许文海.??光学精密工程.?2016(09)
[4]封闭式圆形煤场储量研究[J]. 于喜文.??中国新技术新产品.?2016(10)
[5]圆形煤场设计方案比较[J]. 黄胜.??电力勘测设计.?2016(02)