文/楊勇

輸煤系統(tǒng)的智能化已成為一種趨勢(shì)，利用巡檢機(jī)器人在環(huán)境惡劣的輸煤現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的智慧巡檢，準(zhǔn)確識(shí)別煤倉(cāng)是否溢出，皮帶是否撕裂，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)是否有無(wú)關(guān)人員進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等等。同時(shí)，當(dāng)犁煤器進(jìn)行抬、落動(dòng)作時(shí)，需要切換對(duì)應(yīng)的視頻畫面至程控室監(jiān)控屏。目前，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到大力發(fā)展，在輸煤領(lǐng)域也有利用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶堵煤、撕裂、跑偏等的檢測(cè)。本文相較于當(dāng)前解決方案，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，并結(jié)合輸煤程控現(xiàn)有系統(tǒng)，并聯(lián)控現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)電視，當(dāng)對(duì)應(yīng)犁煤器動(dòng)作時(shí)，巡檢機(jī)器人可自主行走至對(duì)應(yīng)位置，采集落煤口視頻，利用機(jī)器視覺(jué)相關(guān)算法，準(zhǔn)確識(shí)別犁煤器是否動(dòng)作到位，煤倉(cāng)口是否有煤料溢出等等。

煤倉(cāng)口的煤料溢出時(shí)，可利用光流法、背景差分法等等，準(zhǔn)確識(shí)別溢出煤料形成的外形輪廓。本系統(tǒng)可與現(xiàn)有的輸煤程控系統(tǒng)通過(guò)通信接口相連接，并將現(xiàn)有的工業(yè)電視系統(tǒng)接入，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自動(dòng)控制與視頻聯(lián)動(dòng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 巡檢機(jī)器人嵌入式視覺(jué)處理單元

本文以溫州發(fā)電有限公司輸煤系統(tǒng)煤倉(cāng)間為基礎(chǔ)，配套開(kāi)發(fā)了輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人架設(shè)安裝在煤倉(cāng)間皮帶上方，可實(shí)現(xiàn)自主行走、沿線設(shè)備的智能檢測(cè)燈等。本文在巡檢機(jī)器人本體上搭載數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，并將視頻信息采集至機(jī)載的嵌入式視覺(jué)處理單元，系統(tǒng)內(nèi)部的視覺(jué)算法依次完成圖像濾波去噪、灰度轉(zhuǎn)換、canny邊緣檢測(cè)。同時(shí)，將原始圖像進(jìn)行顏色提取，根據(jù)煤料與背景之間的顏色差異，輔助邊緣檢測(cè)的結(jié)果，得出是否煤料溢出的判斷。

本文采用了嵌入式PC作為主控制器，該控制器中搭建Linux操作系統(tǒng)，并移植opencv視覺(jué)庫(kù)。因輸煤系統(tǒng)巡檢機(jī)器人需要處理可見(jiàn)光以及紅外圖像，本文采用了數(shù)字?jǐn)z像機(jī)與紅外熱成像儀作為視頻采集終端。并通過(guò)以太網(wǎng)接口與嵌入式PC相連接，視頻碼流在嵌入式PC中進(jìn)一步壓縮，最終通過(guò)無(wú)線通信終端傳輸至后臺(tái)服務(wù)器。

1.2 輸煤程控系統(tǒng)、機(jī)器人通信單元

火電廠輸煤系統(tǒng)一般采用PLC搭建控制系統(tǒng)，針對(duì)火電廠輸煤系統(tǒng)煤倉(cāng)間設(shè)備，程控PLC控制系統(tǒng)可控制現(xiàn)場(chǎng)犁煤器、皮帶機(jī)、拉繩開(kāi)關(guān)、跑偏開(kāi)關(guān)、撕裂開(kāi)關(guān)等等。因輸煤程控室往往離輸煤皮帶較遠(yuǎn)、離煤倉(cāng)間也有較遠(yuǎn)距離，使得巡檢機(jī)器人與輸煤程控系統(tǒng)之間的通信較為困難。本文采用2.4Ghz的無(wú)線自組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，并架設(shè)足夠的中繼器，有效解決輸煤現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互相遮擋，視頻信號(hào)傳輸?shù)膸捯?。程控室無(wú)線通信網(wǎng)關(guān)選用菲尼克斯工業(yè)無(wú)線網(wǎng)控制器，采用12dbi增益的全向玻璃鋼天線，并在天線饋線中段安裝防浪涌裝置，有效降低雷擊、浪涌對(duì)設(shè)備的危害。

1.3 工業(yè)電視智慧監(jiān)盤

本文以溫州發(fā)電有限公司輸煤系統(tǒng)煤倉(cāng)間為基礎(chǔ)，配套開(kāi)發(fā)了輸煤系統(tǒng)軌道式巡檢機(jī)器人，巡檢機(jī)器人通過(guò)機(jī)器視覺(jué)算法，將檢測(cè)的結(jié)果通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備傳輸至輸煤程控室。輸煤程控室的主控PLC根據(jù)當(dāng)前動(dòng)作的犁煤器、需要監(jiān)測(cè)的煤倉(cāng)編號(hào)，發(fā)出機(jī)器人移動(dòng)位置的指令，使得巡檢機(jī)器人行走至作業(yè)點(diǎn)。同時(shí)，程控PLC通過(guò)以太網(wǎng)口與工業(yè)電視的控制主板相連接，將現(xiàn)場(chǎng)固定機(jī)位所采集的對(duì)應(yīng)機(jī)位的工業(yè)電視畫面，以及巡檢機(jī)器人的實(shí)時(shí)畫面顯示在監(jiān)控大屏上。

此外，為了提高巡檢機(jī)器人定位精度，本文所設(shè)計(jì)的軌道式巡檢機(jī)器人利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)從動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)軌道行走，為了實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在軌道上的準(zhǔn)確定位，本文在主動(dòng)輪上安裝高精度編碼器，通過(guò)記錄主動(dòng)輪正反轉(zhuǎn)圈數(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)得軌道式巡檢機(jī)器人的位置。同時(shí)，為了消除系統(tǒng)的累積誤差，在軌道上間隔安裝基準(zhǔn)點(diǎn)，提高機(jī)器人的定位精度。本文采用了絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)編碼器，具備位置唯一、抗干擾、無(wú)需掉電記憶。該編碼器通過(guò)串行接口與嵌入式云臺(tái)控制器相連接，控制器將獲取的位置信息存儲(chǔ)至EEPROM。當(dāng)軌道式巡檢機(jī)器人自主巡檢時(shí)，只需按照存儲(chǔ)的既定巡檢任務(wù)，行走至對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，控制云臺(tái)，獲取正確的視頻圖像信息。

2 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

2.1 基于背景差分的溢煤檢測(cè)

背景差分是一種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法，其原理是通過(guò)將視頻碼流中當(dāng)前幀與之前采集的背景圖像進(jìn)行差分運(yùn)算，再選取合適的閾值來(lái)提取溢出的煤料。背景差分首先要建立一個(gè)背景圖像模型，然后利用連續(xù)兩幀之間差分運(yùn)算的結(jié)果，比對(duì)選取的閾值。如果當(dāng)前幀與背景的差值大于選定的閾值則把這些像素點(diǎn)的集合作為疑似區(qū)域，即煤料；如果當(dāng)前幀與背景的差值小于設(shè)定的閾值則把這些像素點(diǎn)看作是靜止區(qū)域，即背景。這樣就把溢出的煤料從圖像中分離出來(lái)。

利用背景差分法進(jìn)行溢出煤料的檢測(cè)，其關(guān)鍵是建立圖像檢測(cè)的背景模型。本文設(shè)計(jì)的輸煤系統(tǒng)煤倉(cāng)間落煤口，場(chǎng)景較為簡(jiǎn)單，背景基本不會(huì)發(fā)生什么變化。本文在系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行上煤操作時(shí)，選取多幀數(shù)據(jù)作為背景模型。同時(shí)，考慮到火電廠輸煤系統(tǒng)日間、夜間不同的光照條件，本文選取不同時(shí)間，不同成像條件下的圖像信息，加權(quán)計(jì)算最終的背景模型。

2.2 基于角點(diǎn)檢測(cè)的犁煤器動(dòng)作監(jiān)測(cè)

輸煤系統(tǒng)犁煤器一般為三角形狀，具有典型的角點(diǎn)特征，本文采用哈里斯角點(diǎn)檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)犁煤器抬到位、落到位的監(jiān)測(cè)。其算法基本思想是使用一個(gè)固定窗口在圖像上進(jìn)行任意方向上的滑動(dòng)，比較滑動(dòng)前與滑動(dòng)后兩種情況，窗口中的像素灰度變化程度，如果存在任意方向上的滑動(dòng)，都有著較大灰度變化，那么我們可以認(rèn)為該窗口中存在角點(diǎn)。在系統(tǒng)初始設(shè)置階段，只需操作工人在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作犁煤器完成一次完整的抬到位、落到位，系統(tǒng)即可準(zhǔn)確完成標(biāo)定工作。

2.3 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的皮帶落物檢測(cè)

在輸煤現(xiàn)場(chǎng)中，皮帶落是指意外掉落在輸煤皮帶上的無(wú)關(guān)雜物，例如工具、衣物、板材、甚至人或者動(dòng)物等，及時(shí)識(shí)別落物，并發(fā)出安全預(yù)警，對(duì)于輸煤系統(tǒng)的安全生產(chǎn)有重大意義。

機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分為三大類：監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)可用于一個(gè)特定的數(shù)據(jù)集（訓(xùn)練集）具有某一屬性（標(biāo)簽），但是其他數(shù)據(jù)沒(méi)有標(biāo)簽或者需要預(yù)測(cè)標(biāo)簽的情況。無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)可用于給定的沒(méi)有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)集（數(shù)據(jù)不是預(yù)分配好的），目的就是要找出數(shù)據(jù)間的潛在關(guān)系。強(qiáng)化學(xué)習(xí)位于這兩者之間，每次預(yù)測(cè)都有一定形式的反饋，但是沒(méi)有精確的標(biāo)簽或者錯(cuò)誤信息。本文涉及的應(yīng)用場(chǎng)景中，皮帶落物的種類一般為工具、衣物、板材、甚至人或者動(dòng)物等。上述物體的形態(tài)、顏色都有較大差異，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)上述物體進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高對(duì)物體識(shí)別的準(zhǔn)確率。

3 系統(tǒng)運(yùn)行界面

圖1：系統(tǒng)運(yùn)行界面圖

本文將工業(yè)電視與輸煤程控系統(tǒng)融合在一起，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了視頻與程控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，軟件采用intouch與QT上位機(jī)設(shè)計(jì)軟件，運(yùn)行界面如圖1。

4 小結(jié)

本文以溫州發(fā)電有限公司輸煤系統(tǒng)煤倉(cāng)為案例，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺(jué)以及程控PLC系統(tǒng)的智慧監(jiān)盤系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤倉(cāng)間上煤自動(dòng)監(jiān)控，為機(jī)器視覺(jué)在傳統(tǒng)輸煤領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索。