岳 勃

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037001）

引言

長壁煤層開采[1]是一種全面開采地下煤層的方法，包括使用機(jī)械化采煤機(jī)將大塊或大板的煤炭移走。煤板寬一般為200~350 m，長度可達(dá)5 km。機(jī)械采煤機(jī)安裝在采煤盤和導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌引導(dǎo)采煤機(jī)在工作面上來回移動(dòng)。采用這種開采方法，頂板由液壓盾構(gòu)支撐，液壓盾構(gòu)隨著開采的進(jìn)行而單獨(dú)推進(jìn)。要實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量的長壁作業(yè)，不僅需要準(zhǔn)確知道設(shè)備位置，還需要關(guān)于煤炭資源空間位置的精確信息，為了最大限度地減少對(duì)設(shè)備的損害，減少粉塵產(chǎn)生，使人員免受潛在危險(xiǎn)的影響，開發(fā)一種安裝在機(jī)器上的熱紅外攝像機(jī)和信號(hào)處理算法，實(shí)時(shí)為采煤機(jī)水平控制提供地質(zhì)智能信息。

1 基于視覺傳感的標(biāo)記波段跟蹤

最初的研究集中在利用可見光攝像機(jī)復(fù)制人類的視覺能力?？梢姽庀鄼C(jī)方法代表了一種直觀的標(biāo)記帶跟蹤方法，這種特殊的實(shí)施方法在實(shí)踐中也產(chǎn)生了一些局限性，特別是在采煤機(jī)水平控制問題上。這些具體的限制[2]是：為使成像清晰，需要使用恒定光源；水和灰塵經(jīng)常完全遮擋任何可見光成像；對(duì)單一的、固定的位置產(chǎn)生受限制的可觀察性；有些礦床的地質(zhì)情況根本沒有產(chǎn)生容易觀察到的可見標(biāo)記帶。

為了克服可視攝像機(jī)系統(tǒng)的局限性，考慮采用熱紅外傳感器的替代方法。使用熱紅外成像的想法是基于所有物體根據(jù)其溫度發(fā)射熱紅外能量的概念[3]。在電磁波譜的不同區(qū)域工作，如圖1 所示與熱紅外能量相關(guān)的波長范圍。由于旋轉(zhuǎn)的采煤機(jī)滾筒與工作面接觸，摩擦作用產(chǎn)生了熱對(duì)比區(qū)域，熱紅外傳感與長壁作業(yè)之間的具體聯(lián)系變得明顯。這些溫差在電磁波譜的熱紅外區(qū)可以觀測到。

圖1 紅外波長范圍

輻射強(qiáng)度可以由紅外攝像機(jī)檢測，并以數(shù)字圖像顯示，其中像素值代表測量的熱紅外強(qiáng)度。熱紅外相機(jī)的典型輸出是用不同像素強(qiáng)度值的灰度圖像表示的，其中較暗和較亮分別對(duì)應(yīng)較冷和較熱的物體。圖2 顯示的是緊湊型防爆外殼與熱紅外輻射傳感器相結(jié)合的一個(gè)攝像機(jī)。

圖2 帶有防爆殼體的熱紅外攝像機(jī)

2 圖像處理和縫隙跟蹤

2.1 熱圖像采集

下頁圖3 為長壁煤礦采煤機(jī)牽引臂垂直于工作面安裝的攝像機(jī)采集到的典型熱成像攝像機(jī)視頻流快照。這張圖片顯示了一個(gè)特征，對(duì)應(yīng)于一個(gè)“熱標(biāo)記帶”[4]，產(chǎn)生于硬質(zhì)機(jī)械材料上的摩擦力。應(yīng)該注意的是，這種熱特征是肉眼看不見的。圖像底部1/3 較暗的部分是采煤機(jī)上堆積的煤。這幅圖像是在采煤機(jī)產(chǎn)生大量空氣中的顆粒和碎片的地質(zhì)條件下獲得的，幾乎無法被可見光系統(tǒng)觀測到。然而，使用紅外成像的波段特征仍然很明顯，這表明了熱紅外成像技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵特性[5]，其成像質(zhì)量不像普通攝像機(jī)那樣受到顆粒物的嚴(yán)重影響。

2.2 數(shù)據(jù)處理

跟蹤標(biāo)記波段高度所采用的數(shù)據(jù)處理程序如圖4 所示。該算法首先獲取一幅新圖像，該圖像由安裝在長壁采煤機(jī)上的熱成像系統(tǒng)的單幀圖像組成。使用經(jīng)典的地平線特征提取圖像處理算法,檢測標(biāo)記波段并確定其在圖像中最有可能的位置。將該方法檢測到的標(biāo)記波段應(yīng)用于圖3 的樣本熱紅外圖像，如圖5 所示跟蹤的熱標(biāo)記帶。然后定義感興趣的區(qū)域，沿檢測標(biāo)記帶確定中心點(diǎn)。標(biāo)記帶的高度是在這個(gè)感興趣的區(qū)域內(nèi)估計(jì)的，并與當(dāng)前采煤機(jī)橫過長壁工作面的位置進(jìn)行標(biāo)記。

圖3 采煤機(jī)牽引臂垂直于采煤工作面的攝像機(jī)上獲取的熱紅外圖像

圖4 跟蹤焊縫趨勢的信號(hào)處理方法流程圖

圖5 對(duì)采集到的圖像進(jìn)行標(biāo)記

2.3 卡爾曼濾波的標(biāo)記帶跟蹤

如圖4 流程圖所示，在每個(gè)時(shí)刻估計(jì)標(biāo)記帶高度的任務(wù)相當(dāng)于跟蹤在一維平面上勻速運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)在軌跡上受到隨機(jī)擾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，卡爾曼濾波器是一個(gè)具有魯棒性的估計(jì)框架，一個(gè)簡單的位置—速度卡爾曼濾波器隨后應(yīng)用于跟蹤場景。

從圖像/攝像機(jī)坐標(biāo)到機(jī)器垂直位置的估計(jì)熱標(biāo)記帶高度的映射可以通過校準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。圖6 比較了原始濾波和卡爾曼濾波標(biāo)記帶高度估計(jì)，在坐標(biāo)下的長壁工作面。這個(gè)濾波過程在熱標(biāo)記特征與背景強(qiáng)度沒有很好區(qū)分的情況下是有用的。在低信噪比下代表了一種穩(wěn)健和確定性的方法來處理噪聲和測量不確定度。

圖6 未濾波(細(xì)線)和卡爾曼濾波(粗線)標(biāo)記帶的煤層地平跟蹤

3 結(jié)果與討論

使用熱紅外攝像機(jī)已證明是一個(gè)有用的應(yīng)用。不同的地質(zhì)條件導(dǎo)致了處理熱特征的新技術(shù)的產(chǎn)生。從后期試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，熱成像相機(jī)的位置和安裝角度對(duì)波段特征檢測的性能起著重要的作用。結(jié)果表明，相機(jī)應(yīng)該垂直于面部安裝，以便為自動(dòng)標(biāo)記波段檢測提供最強(qiáng)大的熱特征。

3.1 感知可生存性和安裝位置

需要進(jìn)一步的研究，以確定一種方法，以允許基于采煤機(jī)攝像機(jī)部署地長期實(shí)施?？紤]到長壁開采過程中遇到極端惡劣的操作條件，確定一個(gè)合適的位置安裝傳感器，使其具有最大的使用壽命是一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。應(yīng)該指出，已經(jīng)對(duì)幾個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了調(diào)查，取得了有益的結(jié)果。也有可能在固定位置使用多個(gè)攝像頭，例如安裝在屋頂支架上，而不是在移動(dòng)采煤機(jī)上使用單個(gè)攝像頭。利用熱紅外成像系統(tǒng)提供額外的監(jiān)測能力可以取得一些有用的進(jìn)展。特別是，與面部空洞相關(guān)的熱差異可以形成自動(dòng)化面部完整性監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 綜合采礦解決方案

熱紅外傳感器產(chǎn)生的信息可以與現(xiàn)有的長壁切割模型數(shù)據(jù)庫集成，提供水平控制系統(tǒng)。這包括通信、智能處理、系統(tǒng)驗(yàn)證和集成。井下長壁人員將通過更新的圖形用戶界面控制和管理該系統(tǒng)，該界面集成到標(biāo)準(zhǔn)操作控制器中顯示[6]。這允許操作人員設(shè)置所需的視界外，根據(jù)預(yù)先確定的策略，它還將提供所需提取概要文件的圖形顯示，以及選擇或忽略該輸入的選項(xiàng)。如第317 頁圖7 所示將基于熱紅外的傳感集成到現(xiàn)有配置中的總體系統(tǒng)拓?fù)洹?/p>

4 結(jié)論

本文論述了一種采礦解決方案，以幫助開發(fā)長壁作業(yè)的自動(dòng)化地平控制策略。研制了一種由熱紅外攝像機(jī)、智能處理算法和開放通信接口組成的系統(tǒng)。該方法用于識(shí)別和跟蹤地質(zhì)標(biāo)志帶特征，為自動(dòng)采煤機(jī)地平控制系統(tǒng)提供輸入。詳細(xì)介紹了軟件、硬件和通信系統(tǒng)。傳感器和系統(tǒng)技術(shù)繼續(xù)發(fā)展，以進(jìn)一步提高智能地下采礦自動(dòng)化能力，提高生產(chǎn)率、可持續(xù)性和安全性。

圖7 基于熱紅外縫隙傳感器的地平控制系統(tǒng)