田茂義　孫志陽(yáng)　高　航　侯海龍　周茂倫,

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院；2.青島秀山移動(dòng)測(cè)量有限公司)

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井筒病害巡檢系統(tǒng)在礦井巡檢中的應(yīng)用

田茂義1孫志陽(yáng)1高航1侯海龍2周茂倫1,2

(1.山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院；2.青島秀山移動(dòng)測(cè)量有限公司)

摘要煤礦安全巡檢是礦井生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，井筒病害巡檢系統(tǒng)可為煤礦安全生產(chǎn)提供穩(wěn)定、可靠的病害信息。該系統(tǒng)融入了現(xiàn)代化信息技術(shù)，外業(yè)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高效采集，極大提高了作業(yè)效率；內(nèi)業(yè)結(jié)合GIS影像處理方法，實(shí)現(xiàn)了煤礦安全巡檢人員辦公信息化，提高了巡檢的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和可靠性。為煤礦企業(yè)信息化發(fā)展提供重要參考依據(jù)，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞井筒病害巡檢系統(tǒng)礦井影像數(shù)據(jù)采集

礦井巡檢是煤礦安全生產(chǎn)過(guò)程中的必要保障，出色的巡檢工作能夠及時(shí)排查出礦井的潛在安全隱患，為煤礦企業(yè)的安全運(yùn)營(yíng)保駕護(hù)航。礦井承擔(dān)著原煤提升、生產(chǎn)設(shè)備和材料的上下井、通訊以及排水等重要任務(wù)，是整個(gè)煤礦安全保障系統(tǒng)的重要組成部分。目前，手工記錄巡檢是我國(guó)煤礦安全巡檢的主要工作方式，巡檢員通過(guò)筆錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)后移交到井上數(shù)據(jù)處理中心錄入微機(jī)，這就需要操作人員篩選和錄入很多繁雜的數(shù)據(jù)，增加了巡檢難度，不便于日后的查詢(xún)[1]。為克服傳統(tǒng)巡檢的局限性，山東科技大學(xué)聯(lián)合青島秀山移動(dòng)測(cè)量有限公司，研發(fā)了井筒病害巡檢系統(tǒng)，對(duì)礦井進(jìn)行安全、高效檢測(cè)，同時(shí)獲取海量礦井影像，結(jié)合GIS影像處理方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井壁裂縫、滲水、破碎等病害的交互式自動(dòng)提取，為礦井管理人員提供有效的信息[2-3]。

1　井筒病害巡檢系統(tǒng)簡(jiǎn)介

井筒病害巡檢系統(tǒng)硬件主要由4臺(tái)工業(yè)相機(jī)(GS22-GE-50S5C/M-C)、照明系統(tǒng)(LED照明燈)、豎井巡檢儀和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成。軟件主要包含數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、圖像拼接系統(tǒng)、圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng)、圖像管理系統(tǒng)以及病害分析系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)具有體積小、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)作靈活、不影響正常生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集時(shí)可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)海量影像數(shù)據(jù)，通過(guò)中央控制系統(tǒng)將采集的數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。借助于井筒病害巡檢系統(tǒng)的后處理軟件，實(shí)現(xiàn)影像的預(yù)處理、拼接配準(zhǔn)、病害采集等功能，最終建立井筒病害數(shù)據(jù)庫(kù)，有助于多期數(shù)據(jù)分析對(duì)比，方便巡檢人員管理與維護(hù)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1　井筒病害巡檢系統(tǒng)

2　井筒病害巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理

2.1數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作

安置儀器前注意整平三腳架，確保無(wú)誤后將該系統(tǒng)固定安裝在罐籠頂部。數(shù)據(jù)采集作業(yè)中，固定好豎井巡檢儀，調(diào)節(jié)其載體位置，保持每次數(shù)據(jù)采集作業(yè)起始點(diǎn)相同，基準(zhǔn)誤差不得超過(guò)1 m，每次作業(yè)將巡檢儀中心相機(jī)正對(duì)拍攝區(qū)同一參照物，進(jìn)而確保每次數(shù)據(jù)采集時(shí)巡檢的井筒范圍相同。

2.2外業(yè)數(shù)據(jù)采集

啟動(dòng)井筒病害巡檢系統(tǒng)，可高效、自動(dòng)采集影像，可通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行相機(jī)采集狀態(tài)監(jiān)控，設(shè)備的電源管理等同步控制。該系統(tǒng)采集到的影像格式為.raw數(shù)據(jù)，經(jīng)系統(tǒng)解析功能可轉(zhuǎn)換為jpg格式，方便后續(xù)處理與使用。

2.3數(shù)據(jù)處理2.3.1內(nèi)業(yè)處理流程

圖2為基于井筒病害巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程。

圖2　井筒病害巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程

2.3.2圖像預(yù)處理

在采集過(guò)程中，伴隨著投影變形的影響，從影像中心向外影像變形程度會(huì)逐漸增大，影像之間的重疊度較大，可對(duì)影像進(jìn)行適當(dāng)裁剪，降低數(shù)據(jù)量，以防內(nèi)存不足，提高拼接效率；采用灰度變換算法進(jìn)行空間域影像增強(qiáng)，增強(qiáng)影像的整體效果，改善影像質(zhì)量,以便在后續(xù)操作時(shí)更好地分析與理解；根據(jù)預(yù)先建立的影像拼接模型創(chuàng)建圖像索引，索引文件存儲(chǔ)了影像拍攝時(shí)間、實(shí)際礦井中的位置等信息，是影像分區(qū)及拼接的依據(jù)。

2.3.3圖像拼接配準(zhǔn)

拼接分為兩個(gè)階段：縱向拼接，單相機(jī)影像拼接，把每個(gè)相機(jī)處理后的影像分別進(jìn)行拼接，形成4幅單相機(jī)影像；橫向拼接，全相機(jī)拼接，把上一階段形成的單相機(jī)影像進(jìn)行橫向拼接，最后把4個(gè)相機(jī)的影像拼接為一幅高清，寬幅影像。橫向拼接過(guò)程中，采用GIS方法對(duì)圖像進(jìn)行地理坐標(biāo)配準(zhǔn)，生成相應(yīng)的地理坐標(biāo)文件，此文件定義了影像像素坐標(biāo)與實(shí)際地理坐標(biāo)的仿射關(guān)系[4-5],以及空間校正等處理。

2.3.4病害采集

圖像拼接配準(zhǔn)完成后，形成清晰完整影像，應(yīng)用配套的軟件處理系統(tǒng)可進(jìn)行礦井病害的分類(lèi)提取，將采集到的病害自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)，可根據(jù)多期數(shù)據(jù)進(jìn)行病害分析。該過(guò)程可將多期的病害庫(kù)分類(lèi)導(dǎo)出，方便查詢(xún)與使用。

3　工程應(yīng)用

3.1礦井概況

某礦井深約610 m，獲取的影像2 500張。采集數(shù)據(jù)時(shí)礦井一般情況下亮度較低，而且礦井井壁的結(jié)構(gòu)比較相似。傳統(tǒng)人工檢查病害只能大體獲取病害位置、病害類(lèi)型，不能定量的分析病害到達(dá)的程度；每次檢查都需要1～2人,只能在礦井空閑時(shí)進(jìn)行,檢查不靈活；檢查過(guò)程中存在人員偷懶、漏檢等情況，造成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不完整，可用性差[4]。病害巡檢系統(tǒng)無(wú)人值守，自動(dòng)采集外業(yè)數(shù)據(jù)。外業(yè)采集數(shù)據(jù)大約需要30 min，常規(guī)巡檢過(guò)程內(nèi)業(yè)處理需要1.5～2個(gè)工作日，快速巡檢內(nèi)業(yè)(有針對(duì)性的檢查)需0.5個(gè)工作日。

3.2成果展示

經(jīng)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理后，可清晰查詢(xún)井筒病害信息，圖3為井筒病害提取影像。表1展示了部分井筒出水統(tǒng)計(jì)信息和井壁損壞統(tǒng)計(jì)信息，根據(jù)這些信息可及時(shí)掌握井筒病害，并作出補(bǔ)救措施。

圖3　井筒病害提取影像表1　部分井筒、井壁出水統(tǒng)計(jì)

位置編號(hào)病害類(lèi)型等級(jí)影響區(qū)域深度/m方位/(°)采集日期備注井筒1縫隙出水明顯130北偏東8212-291縫隙出水明顯2130北偏東8212-291井壁滲水一般1140北偏東5412-292井壁滲水嚴(yán)重170北偏東312-292井壁滲水嚴(yán)重1170北偏東312-29此次巡檢共發(fā)現(xiàn)井壁出水5處,其中井壁滲水3處,縫隙出水2處。井壁1結(jié)堿嚴(yán)重222正北12-281裂縫一般1.55北偏西7112-282結(jié)堿明顯3.51北偏東4612-293結(jié)堿一般212.27南偏西312-294結(jié)堿明顯217.34南偏西412-291掉渣嚴(yán)重240.56南偏西2112-28此次巡檢沒(méi)發(fā)現(xiàn)井壁損壞,結(jié)堿4處,裂縫1處,掉渣1處。

4　結(jié)果分析

根據(jù)井筒病害巡檢系統(tǒng)導(dǎo)出的病害報(bào)告，可直觀分析井筒病害的類(lèi)型、病害深度以及病害等級(jí)。病害深度與實(shí)際病害位置偏離10～15 cm，該偏差滿(mǎn)足實(shí)際需要。井筒病害等級(jí)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際病害比較可知,該系統(tǒng)病害等級(jí)程度基本符合井筒現(xiàn)狀，達(dá)到98%以上。將提取的病害進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)，建立起多期數(shù)據(jù)，可以根據(jù)多期數(shù)據(jù)對(duì)比,采取有效措施去除病害,并防止病害的擴(kuò)大生長(zhǎng)。

5　結(jié)　語(yǔ)

井筒病害巡檢系統(tǒng)作為一種全新的礦井井壁影像數(shù)據(jù)采集手段，可以獲取大量的井壁影像，為礦井病害的獲取提供豐富的信息。井筒病害巡檢系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)無(wú)人值守全自動(dòng)圖片采集，相對(duì)于傳統(tǒng)的病害檢查，極大的降低了外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，效率相對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)也有提高。外業(yè)采集數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)業(yè)處理后可對(duì)影像進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析，為決策者提供可靠的病害信息，及時(shí)采取有效措施避免因井筒病害帶來(lái)的災(zāi)害。該系統(tǒng)雖然可以滿(mǎn)足實(shí)際的需要，但是精度還需進(jìn)一步提高，處理內(nèi)業(yè)時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高。隨著技術(shù)的不斷提高，井筒病害巡檢系統(tǒng)配套軟件的不斷優(yōu)化，必將促進(jìn)該技術(shù)在礦井病害中的廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2016-04-22)

田茂義(1976—)，男,副教授,博士，266590 山東省青島市。