李宏偉

（1.中國煤炭科工集團太原研究院有限公司；2.山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006）

掘進機的主要用途就是煤礦巷道掘進、公路隧道掘進等，隨著我國煤礦綜采工作規(guī)模和數(shù)量進一步擴大，掘進機也在朝著大型化和重型化的方向發(fā)展，掘進機操作人員的視野盲區(qū)就會增大，司機無法觀察到位于掘進機尾部后方工作人員的位置，就給施工帶來了很多安全隱患。

1 掘進機司機的工作盲區(qū)

就目前煤礦開采工作來看，所使用的掘進機整機高度都在2米以上，寬度都大于3米，由此可見，掘進機的高度都比正常成年的身高要高，位于掘進機右側的司機在進行操作的時候，無法通過自身能力觀察到位于掘進機左側的施工人員，由此可見，掘進機在左右擺動的時候，十分容易引發(fā)擠壓事故，造成人員傷亡的情況：（1）掘進機司機前方視野盲區(qū)：前方視覺盲區(qū)一般都位于掘進機截割部懸臂段下部和鏟板之間的夾角區(qū)域，掘進機在施工作業(yè)的時候，在掘進機前方不會出現(xiàn)相關工作人員。但是，在維修和檢查掘進機設備和零部件的時候，掘進機司機無法發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的工作人員，就會出現(xiàn)視覺盲區(qū)；（2）掘進機司機側方視野盲區(qū)：側方視野盲區(qū)一般都位于掘進機司機為對策的掘進機和巷道壁之間的區(qū)域。如果這個區(qū)域有施工人員進行活動，一般來說，掘進機司機無法察覺，也就形成了視野盲區(qū)，尤其是在井下煤礦開采的過程當中，在環(huán)境昏暗、塵土飛揚的情況下，加大了擠壓事故發(fā)生的概率；（3）掘進機司機后方視野盲區(qū)：后方視野盲區(qū)位于掘進機整機的后方區(qū)域，這片區(qū)域有皮帶轉載運輸機，也有大量的工作人員進行活動，最危險的區(qū)域就是掘進機尾部和皮帶轉載運輸機連接的區(qū)域，這個區(qū)域會經(jīng)常有相關人員清理掉落的煤灰，但是，掘進機司機又看不到，容易形成盲區(qū)。

圖1

2 掘進機人員識別系統(tǒng)的組成

如圖1所示，該系統(tǒng)采用了本質安全性電源，利用隔離器隔離后為攝像頭和CPE進行供電，攝像頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后就可以對掘進機周圍的人員進行識別，然后，經(jīng)過網(wǎng)絡隔離器傳輸?shù)骄W(wǎng)絡。

2.1 人員識別系統(tǒng)攝像頭的設計

作為人臉圖像采集的主要部件，在掘進機上需要安裝攝像頭，攝像頭需要具備防爆屬性，以提升其安全性。除此之外，在井下煤礦開采的過程當中，開采環(huán)境粉塵較多，容易弄臟攝像頭的鏡片，導致攝像頭無法對周圍人員進行正常識別，因此，要對人員識別系統(tǒng)的攝像頭做好隔爆和防塵保護，保證攝像頭的作用能夠得到最大化發(fā)揮。掘進機隔爆型攝像頭主要是由攝像機、隔爆箱、以及帶有自動清洗功能的玻璃窗組成的。其中，具有自動清洗功能的玻璃窗能夠通過遙控實現(xiàn)左右轉動，實現(xiàn)自我清洗，消除其表面的灰塵，減少粉塵給攝像頭人員識別帶來的影響。

2.2 攝像頭的布置

根據(jù)不同的視覺盲區(qū)需要合理進行攝像頭的布置。掘進機前方視覺盲區(qū)的攝像頭應該放置于掘進機回轉臺下方的機架側面，這樣既能夠觀察到司機的視野盲區(qū)，又能夠讓攝像頭受到回轉臺的保護，避免被不慎掉落的煤渣、巖石砸壞。前方視覺盲區(qū)攝像頭布置如圖2所示。

圖2

掘進機側方的視覺盲區(qū)攝像頭應該設置在掘進機司機側對側的整機護板下方，這樣能夠作為司機視野的延伸，讓司機觀察的范圍更廣，同樣，也能夠讓攝像頭處于被保護的狀態(tài)，不會被外力因素破壞。側方視覺盲區(qū)攝像頭的安裝位置如圖3所示。

由于受到刮板運輸機的遮擋，掘進機的后方視野盲區(qū)攝像頭的放置位置應該在掘進機尾部兩側的整機護板下方，能夠保證識別到周圍的工作人員，同時，保證了人員的安全，在方便掘進機司機觀察后方情況的同時，也能夠保護攝像頭不被破壞。掘進機后方視野盲區(qū)攝像頭的安裝位置如圖6所示。

2.3 攝像頭的隔振

在煤礦開采作業(yè)的過程中，掘進機在施工作業(yè)時，往往會伴隨強烈的震動，尤其是掘進機的后方區(qū)域，震動會更加強烈，在考慮安置攝像頭的時候，應該充分考慮到巨大震動給攝像頭人員識別帶來的影響，就需要一定的技術來降低震動給攝像頭帶來的影響，盡可能地消除外部因素干擾，確保攝像頭處于良好的工作狀態(tài)，為掘進機司機提供視野，避免人員傷亡的情況發(fā)生?？梢钥紤]采用橡膠減震墊來減震，好處在于，橡膠材料的彈性大、減震效果十分明顯，并且經(jīng)濟實惠，能節(jié)省成本。

3 人員識別系統(tǒng)圖像識別處理

3.1 人臉的檢測

人臉檢測主要是利用攝像頭對人臉部的顏色、結構、模板等特征信息的提取，對人臉進行實時檢測，方便掘進機司機確定機器周圍人員的位置。

圖3

3.2 檢測后圖像預處理

人員識別系統(tǒng)所獲得的圖像容易受到各種外部因素的制約和限制，因此，剛采集到的圖像不能夠被直接利用，需要在早期階段對圖像進行各種形式上的處理，包括噪聲過濾、灰度校正等。常用的人臉圖像預處理方式包括灰度變換、歸一化、幾何校正等。

3.3 圖像的特征提取

人員識別系統(tǒng)的圖像特征提取指的就是，要對人臉像素統(tǒng)計特征、圖像變換系數(shù)特征等進行提取，就是利用識別系統(tǒng)來建立人臉的立體模型，利用代數(shù)或者統(tǒng)計學習的方式完成人臉特征提取，保證了提取的效率和質量，讓掘進機司機能夠第一時間了解設備周圍是否存在工作人員，以免出現(xiàn)人員傷亡的情況。

3.4 圖像的識別和匹配

在對人臉特征進行識別后，就需要進行匹配，把提取得到的人臉特征模型和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫已有的數(shù)據(jù)進行匹配，圖像識別一般可以分為兩種：一類為辨認，就是對圖像進行一對多匹配；另一類為確認，就是對圖像進行一對一的比對。

4 掘進機人員識別系統(tǒng)需要解決的問題

就目前人員識別系統(tǒng)的設計和應用方面來看，已經(jīng)取得了不錯的成效，但是，在井下煤礦開采的過程中，特別是掘進機人員識別系統(tǒng)，還存在方方面面的難題，其中主要表現(xiàn)在：（1）井下煤礦開采工作所面臨的的環(huán)境比較昏暗，可見度較低，沒有充足光線，大大影響了掘進機人員識別系統(tǒng)的準確性；（2）煤礦巷道掘進主要分為兩個流程：掘進和錨護，在開展錨護工作的時候，巷道粉塵比較小，能見度高，掘進機司機能夠通過人員識別系統(tǒng)察覺到掘進機周圍的工作人員，但是，在掘進工作開展的過程中，往往就會出現(xiàn)塵土飛揚的情況，給人員識別系統(tǒng)帶來了較大麻煩。

因此，就需要改進人員識別系統(tǒng)在復雜情況下的功能性，使其更好地為掘進機司機提供視野，保證井下煤礦開采工作的安全性。具體的研究方法如下：

首先，在目前PF視頻目標跟蹤的研究過程中，大多數(shù)都是通過設置假定系統(tǒng)，來滿足一定條件下的運動模型，但是，在模型設計的過程中，沒有考慮誤差問題。因為在實際工作中，誤差會讓系統(tǒng)模型出現(xiàn)漂移情況，導致預先設定的噪聲不存在可信度，模型擬合度會大幅度下降，讓人員識別系統(tǒng)的定位功能得不到很好展現(xiàn)；其次，如果在跟蹤的過程中出現(xiàn)了遮擋情況，這時候，人員識別系統(tǒng)能夠提取到的特征就很少，會讓掘進機司機出現(xiàn)誤判；對于完全遮擋的情況，觀測噪聲的協(xié)方差遠大于系統(tǒng)過程噪聲的協(xié)方差。如何建立估計表達式，來把兩者的協(xié)方差值和最終結果進行折中處理，是需要解決的問題。

5 結語

隨著我國煤礦開采技術的不斷進步，很多工作逐漸走向了自動化、智能化，利用掘進機人員識別系統(tǒng)來保證掘進機周圍人員的安全，能夠盡可能地避免安全事故的發(fā)生，也考慮到了井下作業(yè)環(huán)境影響等因素，提出了有針對性的改進計劃。