姚紅帥

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司大數(shù)據(jù)中心，山西 太原 030053）

1 概況

杜兒坪煤礦設(shè)計(jì)年開(kāi)采量為385 萬(wàn)t，可采煤層7 層，煤層總厚度18.78 m。目前對(duì)20334 工作面進(jìn)行綜采作業(yè)，隨著開(kāi)采作業(yè)效率的提升，當(dāng)前采用的DSJ70 型帶式輸送機(jī)載重、運(yùn)輸速度等作業(yè)負(fù)荷不斷增加。作為井下作業(yè)關(guān)鍵設(shè)備，僅2021年5 月就因輸送大塊矸石、大塊煤塊導(dǎo)致輸送帶縱向撕裂兩次，且在綜采作業(yè)期間，出現(xiàn)過(guò)三次因堆煤導(dǎo)致輸送機(jī)機(jī)架變形情況，雖然巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù)，但作業(yè)效率大受影響?；诖?，采用機(jī)器視覺(jué)的圖像檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行礦用帶式輸送機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)研究，實(shí)時(shí)高效檢測(cè)輸送皮帶存在的大塊物料、堆煤以及機(jī)頭位置人員入侵情況，對(duì)保證井下帶式輸送機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]，確保煤礦安全開(kāi)采作業(yè)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)杜兒坪煤礦帶式輸送機(jī)運(yùn)行期間大塊物料以及人員入侵等危險(xiǎn)因素監(jiān)測(cè)實(shí)際需求，設(shè)計(jì)的基于視覺(jué)帶式輸送機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)共包含四大子系統(tǒng)：視覺(jué)信息采集系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)、視覺(jué)信息處理系統(tǒng)以及連鎖控制系統(tǒng)。1）視覺(jué)信息采集系統(tǒng)主要由圖像捕捉設(shè)備、輔助燈光設(shè)備以及電源設(shè)備等構(gòu)成，針對(duì)大塊物料、堆煤、人員入侵等配置獨(dú)立防爆攝像機(jī)完成畫面采集[2]，實(shí)時(shí)穩(wěn)定采集帶式輸送機(jī)不同角度畫面數(shù)據(jù)；2）信息交互系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)視覺(jué)信息采集系統(tǒng)與信息處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，核心設(shè)備是井下防爆交換機(jī)、傳輸光纖和網(wǎng)線[3]；3）視覺(jué)信息處理系統(tǒng)是安全防護(hù)系統(tǒng)的核心，完成視覺(jué)采集信息的顯示、儲(chǔ)存、分析處理以及管理，能夠精準(zhǔn)識(shí)別圖像信息中存在的危險(xiǎn)元素，按照程序設(shè)定進(jìn)行報(bào)警或控制帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等連鎖動(dòng)作；4）連鎖控制系統(tǒng)包含了控制板卡、報(bào)警裝置等設(shè)備，能夠根據(jù)視覺(jué)信息處理系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果進(jìn)行報(bào)警或控制帶式輸送機(jī)啟停。礦用帶式輸送機(jī)視覺(jué)安全防護(hù)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1。

圖1 帶式輸送機(jī)視覺(jué)安全防護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件選型

3.1 防爆監(jiān)控裝置

系統(tǒng)識(shí)別圖像采集通過(guò)防爆攝像機(jī)完成，拍攝帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)畫面作為原始信息，通過(guò)分析系統(tǒng)信息處理識(shí)別出是否存在大塊物料、堆煤或人員入侵等危險(xiǎn)情況發(fā)生。攝像裝置的選型主要考慮了工況環(huán)境、信息傳輸方式、畫面采集頻率以及畫面識(shí)別分辨率等[4]，系統(tǒng)選配了KBA-127B 型防塵防爆型光纖高清攝像機(jī)，具有煤安認(rèn)證，滿足井下設(shè)備國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，性能參數(shù)見(jiàn)表1。該型攝像機(jī)的幀率為35 fps，系統(tǒng)對(duì)視覺(jué)圖像的處理能力要大于該型攝像機(jī)拍攝幀率，保證系統(tǒng)信息處理的無(wú)延遲性和可靠性[5]。

表1 KBA-127B 型防塵防爆型光纖高清攝像機(jī)性能參數(shù)表

3.2 防爆交換機(jī)

基于視覺(jué)圖像采集幀率與分辨率參數(shù)，為了保證信息數(shù)據(jù)傳輸效率，系統(tǒng)選用KJJ12 型千兆交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和信息交互。交換機(jī)實(shí)際帶寬為理論帶寬60%時(shí)，能保證傳輸效率[6]，而攝像設(shè)備最大壓縮碼率為10 Mbps，系統(tǒng)共配置了12 臺(tái)攝像設(shè)備，因此千兆交換機(jī)帶寬能滿足系統(tǒng)需求。該型交換機(jī)防爆等級(jí)為Exib I，端口數(shù)為2 路光信號(hào)端口、3 路485 信號(hào)端口。

3.3 控制板卡

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能夠根據(jù)視覺(jué)信息處理系統(tǒng)結(jié)果按照設(shè)定程序進(jìn)行報(bào)警或帶式輸送機(jī)連鎖控制等功能，系統(tǒng)選配PCI1761 型控制板卡進(jìn)行信息輸出。該型板卡具有8 路數(shù)字隔離輸入和8 路繼電器輸出，支持Win7、Win10 和Linux 系統(tǒng)，能夠使用C#、C++、LabVIEW、Java 等語(yǔ)言進(jìn)行編程，配合工控機(jī)完成程序控制。

3.4 工控機(jī)

作為處理系統(tǒng)的核心，要求具有足夠的圖像信息處理能力和優(yōu)秀的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)z像機(jī)采集的圖像信息無(wú)延遲、無(wú)卡頓地進(jìn)行識(shí)別，選用東田工控開(kāi)發(fā)的IPC-24605-IH310MB 型工控機(jī)，與控制板卡通過(guò)PCI 卡槽連接，性能數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 IPC-24605-IH310MB 型工控機(jī)性能參數(shù)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件平臺(tái)依托前端視覺(jué)信息采集設(shè)備、信息傳輸通信裝置以及視覺(jué)監(jiān)測(cè)算法，配合功能模塊實(shí)現(xiàn)帶式輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)顯示、異常運(yùn)輸與人員入侵識(shí)別、緊急情況報(bào)警、連鎖控制帶式輸送機(jī)啟停、信息統(tǒng)計(jì)與記錄等功能。系統(tǒng)軟件平臺(tái)以功能模塊設(shè)計(jì)理念進(jìn)行構(gòu)建，包含異常檢測(cè)模塊、信息顯示模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、報(bào)警控制模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊，系統(tǒng)檢測(cè)算法流程如圖3。系統(tǒng)對(duì)大塊物料、堆煤和人員入侵三種安全威脅狀態(tài)分別采用了不同的檢測(cè)算法，其中大塊物料檢測(cè)是基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法，而其他兩種狀態(tài)檢測(cè)則是基于目標(biāo)的圖像特征，區(qū)別在于人員入侵是利用多幀圖像經(jīng)過(guò)時(shí)差對(duì)比判定，而堆煤是采用單張圖片完成判定。

圖3 系統(tǒng)軟件算法流程圖

1）異常檢測(cè)模塊

異常檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸狀態(tài)與環(huán)境安全，是系統(tǒng)的主要功能模塊，通過(guò)對(duì)大塊物料、堆煤、人員入侵等異常狀態(tài)圖像識(shí)別與算法系統(tǒng)訓(xùn)練完成樣本庫(kù)建立，通過(guò)與樣本庫(kù)數(shù)據(jù)對(duì)比識(shí)別不同尺寸圖像、不同位置異常狀態(tài)，對(duì)設(shè)備安全狀態(tài)進(jìn)行判定。另外，該模塊還配置了線激光輔助檢測(cè)激光條紋系統(tǒng)進(jìn)行皮帶撕裂故障檢測(cè)、區(qū)域面積對(duì)比裝置進(jìn)行跑偏檢測(cè)等。

2）信息顯示模塊

信息顯示模塊是系統(tǒng)人機(jī)交互的基礎(chǔ)[7]，可以為操作人員提供系統(tǒng)視覺(jué)監(jiān)測(cè)畫面、帶式輸送機(jī)安全故障信息以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等。系統(tǒng)上位機(jī)顯示界面包含七個(gè)一級(jí)界面，如圖4，分別為：開(kāi)始監(jiān)控、添加攝像頭、攝像頭列表、采集報(bào)表、監(jiān)控調(diào)試、參數(shù)設(shè)置以及修改密碼；各一級(jí)界面下還配置有二級(jí)監(jiān)測(cè)、控制與數(shù)據(jù)管理界面。除顯示系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的狀態(tài)信息外，信息顯示模塊還對(duì)系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)、硬件連接狀態(tài)以及模塊是否在線等狀態(tài)信息配置了查詢界面。

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)主界面

3）數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊主要通過(guò)Mysql 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件完成相關(guān)功能[8]，對(duì)系統(tǒng)信息采集數(shù)據(jù)、中間處理數(shù)據(jù)以及判定結(jié)論數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信、處理、查詢與統(tǒng)計(jì)。用戶可以通過(guò)上位機(jī)的人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、增設(shè)或刪除，對(duì)檢測(cè)故障類型和頻次等數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱與打印。

4）報(bào)警控制模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊

報(bào)警控制模塊根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的控制邏輯實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域和控制室的聲光報(bào)警以及帶式輸送機(jī)自動(dòng)控制啟停功能。系統(tǒng)設(shè)置模塊對(duì)用戶開(kāi)放，根據(jù)不同的檢測(cè)需求手動(dòng)修改系統(tǒng)參數(shù)和用戶管理信息。

5 應(yīng)用效果分析

將研究的礦用帶式輸送機(jī)視覺(jué)安全防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用在杜兒坪煤礦，對(duì)20334 工作面綜采作業(yè)設(shè)備DSJ70 型運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在監(jiān)控室發(fā)生聲光報(bào)警時(shí)的實(shí)際監(jiān)測(cè)畫面可以看出，運(yùn)輸皮帶出現(xiàn)大塊物料、堆煤和人員入侵的異常狀態(tài)，系統(tǒng)檢測(cè)精度與準(zhǔn)確度能夠滿足井下帶式輸送機(jī)安全運(yùn)行實(shí)際需求。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)杜兒坪煤礦井下帶式輸送機(jī)因大塊物料運(yùn)輸、堆煤導(dǎo)致設(shè)備故障問(wèn)題，進(jìn)行安全狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，形成以下結(jié)論：

1）安全狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)包含視覺(jué)信息采集系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)、視覺(jué)信息處理系統(tǒng)以及連鎖控制系統(tǒng)。四個(gè)子系統(tǒng)通過(guò)軟件平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，對(duì)帶式輸送機(jī)的大塊物料、堆煤、人員入侵等異常狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別、報(bào)警，并根據(jù)系統(tǒng)程序設(shè)定連鎖控制帶式輸送機(jī)啟停。

2）對(duì)大塊物料、堆煤、人員入侵三種異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用了不同的軟件算法，大塊物料檢測(cè)是基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)，堆煤采用單張圖像特征完成判定，而人員入侵則利用多幀圖像對(duì)比判定。