运维之道无人机自动盘煤及数据分析监控技术研究

Posted 2021-04-27 中国电力设备管理协会

特邀《电力设备管理》杂志推文

一. 项目意义

燃料是为火电厂提供能源(化学能)的物质基础，在总的发电成本中，占比例最大的要数燃料成本，一般来说，燃料成本占发电企业总发电成本的70--80%左右。因此，燃料成本是发电厂生产经营和经济核算的中心环节。由于部分地区煤炭价格升高，运载能力有限，有些电厂存煤量己急剧下降，若持续下去将对电力供应造成严重影响。要使企业在竞争中求得生存、得到发展，必须重视并加强电厂燃料管理。火电厂燃料管理，实际上是一项兼有生产管理和经营管理的工作，它不仅包括燃煤供应计划的编制、燃煤成本的核算、燃煤数量和质量的验收、燃煤的合理储存，而且还包括燃煤的盘点。燃料管理的现代化管理水平对火力发电厂的生产安全、经济、稳定和提高企业的经济效益有着极大的作用。其中火电厂燃煤的盘点是燃料管理中的一项重要工作:燃煤电厂煤场存煤量的计量是目前尚未解决的一个重大技术难题，也是目前电厂迫切想解决的问题之一。火电厂的燃煤管理是生产管理的重要环节之一。因为火电厂每月的效率是与发电量和耗煤量密切相关的，而煤场存煤量的计量对电厂的经济指标有着直接的影响，因而要准确、迅速地测量出煤场存煤量，是各电厂进行成本核算、经济效益评估和科学管理的例行工作。煤场存煤量的盘点还保证了煤场储备量的合理。因为电厂为了避免由于燃料供应中断而影响正常发电，必须有一定数量的储备。但是储备量过多，不仅影响电厂资金周转，而且增加储存损耗。储备量过少，又不能保证正常发电。究竟储备多少合适，这就需要根据电厂储存条件、日消耗水平、运输间隔、经常储备量与保险储备量等因素，确定一个合理的储备量。而电厂存储煤多是露天存放，易风化和自燃。为了减少储备损耗，也应保证煤场的合理储备量。由此，燃煤电厂存煤量计量的准确与否，一方面关系到电厂煤耗的计量和经济性指标;另一方面也关系到如何根据电厂的负荷，准确预测现有存煤的可用时间，这是电厂在运行过程中应该掌握的重要数据，尤其是在用煤紧张的情况下更为如此。因此，我团队在意于研发无人机自动盘煤及数据分析监控系统，实现多情况下时时盘煤，计算并控制煤场数量，实现煤场监控和大数据整理，为公司经营和燃料成本控制提供数据支持。

二. 研究成功

本项目将单点激光测距模块安装于四轴无人机上，不同于以往的安装在龙门吊和安装于斗轮机上的方式，具有开创性的创新。四轴无人机拥有绝佳的机动性能和适应性能。同时，目前四轴无人机的飞行已经非常可靠，能够适应户外工业作业功能。一台四轴无人机激光盘煤装置可以给多个电厂进行盘煤测量工作,无需安装。

(一) 四轴飞行器的飞行控制是本项目研究的基础。针对本项目所带定点激光测距模块和差分GPS定位模块以及多个控制器的重量，来选择合适功率的电调、无刷电机和四轴无人机机架。同时根据飞行任务的时间长短和电机功率来确定选择电池容量。四轴无人机飞行进行测量工作需要足够的稳定性。研发足够稳定的飞控模块，利用经典的PID控制算法以及其他适应控制算法是四轴无人机激光盘煤装置项目成功的基础。

(二) 定高飞行。本项目采用四轴无人机定高飞行测量的策略，所以采用合适的海拔高度传感器（气压高度计、惯性传感器或者GPS海拔模块）非常关键。否则高度不同对测量结果有着很大影响。选定海拔高度数据后需要对四轴无人机进行定高飞行控制，采用先进的闭环控制算法，以及采用神经网络或者遗传算法对闭环控制参数进行最优计算等都是本项目需要研究的内容。

 

(三) 差分式GPS定位。差分GPS（differential GPS-DGPS，DGPS）是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度的技术。本项目虽然是户外作业，GPS定位精度已然很高，但是为了更进一步的提高定位精度，将采用差分式GPS定位。定位精度可以达到厘米级别。差分GPS需要借助无线数传电台实时将基站的GPS位置坐标和信号发送给移动端。移动端通过数传电台传回来的修正量，并结合本地GPS接收的信号，综合计算得到更加精确的定位坐标值。

(四) 激光测量模块。测量模块是本项目的主要功能模块，主要功能为读取激光测距模块的距离数据并存入SD卡中。本装置提供两种计算煤堆体积的方法：

1）遍历飞行完毕后主控芯片将所有的点数据交给DSP芯片来进行拟合计算得到一个体积近似值。此值误差相对较大，但是计算较为便捷。

2）将SD卡插入电脑中，利用基于Matlab的GUI上位机软件，充分发挥Matlab强大的科学计算优势，得到一个较为精确的煤堆体积值。本项目的测量模块采用STM32+DSP处理器的模式，其中STM32单片机负责激光测距数据的读取，惯性导航模块的读取，接收无线控制信号、存储有关数据信息、用户交互等。DSP数字信号处理器则负责将返回的所有坐标数据进行数据拟合计算并且返回一个体积计算值。

(五) 插值拟合算法的研究。插值拟合算法是将煤堆表面有限个轮廓点进行曲线拟合的过程，是还原煤堆形状的关键步骤。所以拟合算法的好坏将是决定本项目精度的关键。

1）通过DSP芯片进行三维拟合。煤堆表面有限个轮廓点的坐标信息以一定的格式存储于SD卡数据文件中，在进行体积计算时，首先STM32单片机从SD卡中提取相关的数据于DSP芯片的内存变量中；其次，利用相关的预处理算法对采集的坐标数据进行去噪，如奇异点剔除、均值处理、边界识别等；再次，利用不规则三角形网格对坐标数据进行重构，对与相邻两次扫描的截面体积微元，经网格划分后可得众多的用于体积计算的小的三棱柱，将所有小的三棱柱的体积相加即得整个截面体积微元的体积；最后，把所有截面体积累加即可求得整个料场内堆料的体积。

2）通过GUI上位机软件进行拟合。STM32主控芯片显示模块陀螺仪惯性导航模块SD卡模块激光测距模块DSP芯片数传电台Matlab软件中拥有众多的离散拟合函数。本项目将通过不断的实验，分析各种拟合函数对煤堆拟合的影响，找出误差最小的拟合函数并应用到本项目的拟合中。采用Matlab软件和电脑强大的计算能力，使得计算结果比DSP芯片计算的要精确更多。

经费投入：计划投入经费30万元，用于设备的采购和软件的研发。

研发激励机制：对工程研发效益的5%作为对研发人元的激励。

三. 可推广性

本项目将单点激光测距模块安装于六轴无人机上，利用六轴无人机的平台和Matlab强大的工程计算功能，不同于以往的安装在龙门吊和安装于斗轮机上的方式，具有开创性的创新效果。 

本装置摒弃了传统人工丈量需要用推土机整形，然后人工卷尺测量的繁杂工作。同时也避免激光测量需要动用斗轮机或者龙门吊等大型机械。仅仅需要一个小小的四轴无人机，一名工作人员，操作十五分钟就可以将一个大型煤场测量完毕。 

本装置相对固定式激光盘煤仪，移动式激光盘煤仪来说，成本较低。并且多个电厂可以同时使用同一个本装置，因为本装置不需要固定安装，只在测量作业时拿出即可。避免户外严酷环境的影响。投入使用后，可以推广到全国的电厂灰厂等环境中投入使用。该装置能够有效的提高盘煤效率，降低盘煤工作量。并能节省相对巨大的固定式盘煤设备投资。

四. 社会效益

六轴无人机盘煤只需投资30万元及可实现自动盘煤，可运用与煤场、灰厂、矿场等场地。无人机盘煤便于携带，可变换地点，按需要随时进行盘点，实现一机多用。在外单位继续盘点场地情况时，还可实现对外租用。现有的斗轮机式盘煤和轨道式盘煤，依靠与固定设备如斗轮机或轨道。盘点地点固定，不能实现一机多用，需要大量的固定设备投入。

以固定式盘煤设备一台投入约70万元计算，对于有三台斗轮机的电厂可节省固定投入200万元，对于灰厂可节省投入100万元，对于露天煤炭或港口可节省投入500-1000万元。同时六轴无人机盘煤无需设备停运，不影响生产正常运行，对于电厂接卸节省1小时可节省费用约2万元，全年可节省费用50万元。对于大型煤场如港口煤场，吞吐量在800万吨，节省1小时可节省费用约30万元，全年可节省1000万元。

五. 推动行业进步

以前的固定式盘煤只能定使盘点且费时、费力，而无人机盘煤无需人力干预，解放劳动力，且不影响电厂正常生产，可实现时时盘煤，提升了燃料管理的现代化水平对火力发电厂的生产安全、经济、稳定和提高企业的经济效益有着极大的作用。其中火电厂燃煤的盘点是燃料管理中的一项重要工作:燃煤电厂煤场存煤量的计量是目前尚未解决的一个重大技术难题，也是目前电厂迫切想解决的问题之一。火电厂的燃煤管理是生产管理的重要环节之一。因为火电厂每月的效率是与发电量和耗煤量密切相关的，而煤场存煤量的计量对电厂的经济指标有着直接的影响，因而要准确、迅速地测量出煤场存煤量，是各电厂进行成本核算、经济效益评估和科学管理的例行工作。煤场存煤量的盘点还保证了煤场储备量的合理。因为电厂为了避免由于燃料供应中断而影响正常发电，必须有一定数量的储备。但是储备量过多，不仅影响电厂资金周转，而且增加储存损耗。储备量过少，又不能保证正常发电。究竟储备多少合适，这就需要根据电厂储存条件、日消耗水平、运输间隔、经常储备量与保险储备量等因素，确定一个合理的储备量。而电厂存储煤多是露天存放，易风化和自燃。为了减少储备损耗，也应保证煤场的合理储备量。由此，燃煤电厂存煤量计量的准确与否，一方面关系到电厂煤耗的计量和经济性指标;另一方面也关系到如何根据电厂的负荷，准确预测现有存煤的可用时间，这是电厂在运行过程中应该掌握的重要数据，尤其是在用煤紧张的情况下更为如此。因此，我团队在意于研发无人机自动盘煤及数据分析监控系统，实现多情况下时时盘煤，计算并控制煤场数量，实现煤场监控和大数据整理，为公司经营和燃料成本控制提供数据支持。

主创人员：聂维峥、孙  健、苏利辉

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