周德煬，張立忠，景 治，楊建國，竇東陽

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 國家煤加工與潔凈化工程中心，江蘇 徐州 221116；2.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司 洗選中心，寧夏 靈武 751400)

隨著“工業(yè)4.0”的熱潮在全世界涌動及“中國制造2025”的提出和實(shí)施，越來越多的制造業(yè)將智能化制造作為企業(yè)前進(jìn)的方向。目前選煤智能化包括參數(shù)或狀態(tài)的智能化監(jiān)測[1]、工藝過程的智能化調(diào)節(jié)、裝備狀態(tài)的智能化診斷[2]、選煤廠的智能化管理等環(huán)節(jié)已在選煤工藝流程中得到一定應(yīng)用，但是選煤廠煤質(zhì)組成無法在線檢測成為制約選煤過程自動化和智能化的技術(shù)瓶頸[3]。

機(jī)器視覺作為智能化發(fā)展的一個(gè)重要分支，已經(jīng)在工業(yè)智能化的多個(gè)領(lǐng)域中得到運(yùn)用[4]，利用機(jī)器視覺通過圖像分析獲取目標(biāo)特征信息為煤質(zhì)組成分析提供了新的解決方向。張澤琳[5]研究了基于機(jī)器視覺的煤質(zhì)快速分析方法；李揚(yáng)[6]利用機(jī)器視覺完成了對動力煤煤質(zhì)組成的分析。本文主要介紹基于機(jī)器視覺的煤質(zhì)快速分析方法及其在重介選煤中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有煤質(zhì)組成分析方法及其不足

在選煤生產(chǎn)調(diào)節(jié)中，煤質(zhì)分析的及時(shí)性是影響選煤操作控制效果的重要因素[7]。煤質(zhì)分析不夠及時(shí)，不利于快速調(diào)整選煤過程參數(shù)，容易造成分選精度的降低和高價(jià)格產(chǎn)品產(chǎn)率的損失。準(zhǔn)確快速的煤質(zhì)分析方法是選煤智能化發(fā)展的需要。

用于指導(dǎo)選煤廠生產(chǎn)操作的煤質(zhì)組成包括煤的粒度組成和密度組成。煤的粒度組成通常通過篩分試驗(yàn)獲得。為保證煤樣的代表性，顆粒越粗則最少試驗(yàn)用量就越多。按國標(biāo)GB/T 477—2008《煤炭篩分試驗(yàn)方法 》的規(guī)定，對入洗上限達(dá)200 mm的淺槽重介入料而言，單個(gè)樣品的最小重量為2 t。對這些樣品進(jìn)行采樣、運(yùn)輸和人工篩分，直到報(bào)出數(shù)據(jù)，最快也得數(shù)個(gè)小時(shí)。煤的密度組成通常由浮沉試驗(yàn)獲得。按國標(biāo)GB/T 478—2008《煤炭浮沉試驗(yàn)方法》對煤樣進(jìn)行浮沉分析，每個(gè)樣最快也需要半天時(shí)間才能報(bào)出數(shù)據(jù)。對與分粒級的浮沉試驗(yàn)，1組試驗(yàn)通常需要4～5 d才能報(bào)出結(jié)果。

為解決煤質(zhì)分析的時(shí)間滯后問題，國標(biāo)MT/T 1—2007《商品煤含矸率和限下率的測定方法》中給出了快速浮沉法。該方法規(guī)定對最大200 mm粒度的煤采樣時(shí)，最小采樣總質(zhì)量為1.6 t，并將所采煤樣混合、縮分至規(guī)定的最小質(zhì)量后，送至浮沉室。由此可見，該方法從采樣到報(bào)出結(jié)果最快也需半小時(shí)左右。值得一提的是，隨著選煤廠輸煤膠帶的加寬加快，運(yùn)行中的自動采樣越來越難，停機(jī)采樣又影響正常選煤生產(chǎn)，其滯后時(shí)長成為適應(yīng)性控制難以逾越的鴻溝。

選煤生產(chǎn)過程中通常通過煤質(zhì)快速檢測法(快灰法)獲取洗選效果。該方法通過將一定重量的樣本放入高溫箱中灼燒40 min來測量其灰分，大大縮短了時(shí)間與人力、物力，但該方法至少也需要2 h才能完成，依然不能做到用更快速的檢測來滿足對選煤過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 基于機(jī)器視覺的煤質(zhì)快速分析

人的視覺系統(tǒng)是人最重要的感知系統(tǒng)，可為人提供70%～80%的外部信息，尤其某些重要信息是其他感知系統(tǒng)所不能提供的。在實(shí)際生產(chǎn)中，對于未經(jīng)分選的原煤，人往往通過眼睛直觀地區(qū)分出煤和矸石，也能通過眼睛知道單塊煤粒的形狀和大小。選煤工藝中的人工撿矸就是利用人眼識別矸石。由此可見，利用機(jī)器視覺可以實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)快速分析。

基于機(jī)器視覺的煤質(zhì)快速分析方法是通過相機(jī)拍攝待檢測的煤樣作為檢測樣本圖片，然后對圖片進(jìn)行圖像處理，分割出原煤顆粒區(qū)域[8]，提取出顆粒區(qū)域的特征信息，通過所提取的特征信息獲取原煤的粒級質(zhì)量分布與煤、矸質(zhì)量比，得到煤質(zhì)組成情況。

人工排矸時(shí)，人眼通過對原煤表面的顏色和紋理來區(qū)分煤和矸石[9]，所以機(jī)器視覺可以通過獲取圖像的顏色和紋理作為識別煤和矸石的特征信息。而煤與矸石的真正區(qū)別在于其密度各不相同，由此可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立顆粒區(qū)域的圖像特征與密度間的關(guān)系，在實(shí)現(xiàn)煤、矸識別的同時(shí)，為求解原煤質(zhì)量提供路徑。

為求解原煤的粒度組成，通過原煤顆粒的平面投影面積表征原煤顆粒粒徑和體積。

對立方體顆粒，邊長等于粒徑d，正投影面積S=d2，顆粒體積V=d3。

通過現(xiàn)場采樣圖片獲取顆粒投影面積S和圖片對應(yīng)煤樣的粒徑與體積，可求出系數(shù)α與β。考慮到不同粒度顆粒的形狀有一定差異，需對不同粒級的顆粒分別進(jìn)行分析，得出各粒級的形狀系數(shù)α和β值，最終獲得顆粒平面投影與其粒徑及體積之間的關(guān)系。

綜合上述過程，用圖像的顏色、紋理等參數(shù)可對原煤顆粒進(jìn)行煤矸識別、粒度級分類、密度預(yù)測、體積預(yù)測和質(zhì)量求解。至此，通過機(jī)器視覺可從圖片中獲得待檢測樣本的粒度組成分布質(zhì)量比和密度組成質(zhì)量比，完成煤質(zhì)組成分析。其快速分析流程見圖1。

圖1 基于機(jī)器視覺的煤質(zhì)快速分析流程

與其他煤質(zhì)分析方法相比，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)分析的過程中無需人工大量采樣，數(shù)據(jù)獲取與分析均由計(jì)算機(jī)計(jì)算得出，方法高效快捷，節(jié)省大量人力物力，可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測，完全符合智能化選煤工藝的需求。

3 煤質(zhì)在線分析在紅柳選煤廠的應(yīng)用

國能集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司洗選中心紅柳選煤廠位于寧夏靈武市馬家灘鎮(zhèn)，是寧夏煤業(yè)洗選中心的骨干廠。紅柳選煤廠水洗系統(tǒng)主要生產(chǎn)工藝為[10]：200～25 mm 塊煤重介淺槽分選，25～1 mm末煤重介旋流器主再洗，1～0.1 mm粗煤泥采用螺旋分選機(jī)分選，0.1～0 mm細(xì)煤泥采用沉降離心機(jī)+壓濾機(jī)回收。為實(shí)現(xiàn)選煤智能化，在塊煤淺槽主洗系統(tǒng)應(yīng)用了基于機(jī)器視覺的煤質(zhì)組成分析，實(shí)現(xiàn)了煤質(zhì)組成實(shí)時(shí)分析，為智能化選煤提供塊煤煤質(zhì)檢測結(jié)果。

煤質(zhì)在線分析系統(tǒng)主要由圖像采集模塊與PC機(jī)組成。圖像采集模塊獲得的圖片為2 400萬像素，每分鐘可獲取15張圖片。PC機(jī)分析煤質(zhì)時(shí)選取3張連續(xù)圖片進(jìn)行計(jì)算，圖片為布滿煤樣無膠帶露出，以滿足煤質(zhì)分析的樣本需求。

入廠原煤在分選前經(jīng)準(zhǔn)備車間篩分出塊煤和末煤，其中小于25 mm的末煤通過重介旋流器分選，大于25 mm的塊煤進(jìn)重介淺槽洗選，洗選的最大粒徑為200 mm。為準(zhǔn)確獲得分選效果，分別在篩分后的原煤(粒徑200～25 mm)301號膠帶、末煤302號膠帶、精煤產(chǎn)品3108號膠帶和矸石產(chǎn)品901號膠帶上增設(shè)相機(jī)，作為檢測點(diǎn)，用以采樣拍攝圖片(見圖2)。

圖2 紅柳洗煤廠圖像采集點(diǎn)

將相機(jī)拍攝的樣品圖片傳輸至計(jì)算機(jī)，通過機(jī)器視覺的圖像分割技術(shù)和特征提取技術(shù)獲取圖片顆粒區(qū)域的特征信息，各特征信息分別輸入已建立好的密度模型、粒徑模型和體積模型，計(jì)算求解出圖片顆粒區(qū)域的粒徑和質(zhì)量，最后得到各膠帶上煤質(zhì)組成，包括精煤產(chǎn)品煤中帶矸率和矸石產(chǎn)品中帶煤率。

將多組經(jīng)過煤質(zhì)分析系統(tǒng)的煤樣做人工篩分和浮沉實(shí)驗(yàn)，對比各分析結(jié)果的誤差均值，見表1～表3。

表1 301號原煤膠帶的各粒級分析誤差均值

表2 302號末煤膠帶的各粒級分析誤差均值

表3 各膠帶煤矸比分析誤差均值

系統(tǒng)分析結(jié)果與現(xiàn)場驗(yàn)證結(jié)果的誤差均值在10%以下，可以看到，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)組成快速分析具有很高的可信度，為智能化選煤發(fā)展探索了一條新的技術(shù)路線，同時(shí)為選煤廠智能化建設(shè)提供了參考。

4 結(jié) 語

長期以來，選煤廠煤質(zhì)組成無法在線檢測成為制約選煤過程自動化和智能化的技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)有煤質(zhì)分析方法受制于采樣與試驗(yàn)過程的繁瑣，耗時(shí)耗力巨大，無法滿足選煤智能化的需要?；跈C(jī)器視覺的煤質(zhì)快速分析法的出現(xiàn)及其在紅柳選煤廠智能化建設(shè)中的應(yīng)用表明，這一困擾選煤廠的難題初步得到了解決。通過紅柳選煤廠應(yīng)用煤質(zhì)組成快速分析的結(jié)果可以看出，利用機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)組成快速分析具有很高的可行性。但要實(shí)現(xiàn)更為快速精確的煤質(zhì)組成分析，仍需要進(jìn)一步的研究優(yōu)化。