摘 要:常規(guī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模糊定位多為定點(diǎn)處理,檢測(cè)的范圍較小,導(dǎo)致單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次降低,因此本文提出基于雙目相機(jī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)。根據(jù)目前檢測(cè)需求,進(jìn)行圖像采集和預(yù)處理,以邊緣檢測(cè)為引導(dǎo),擴(kuò)大檢測(cè)的范圍,完成撕裂點(diǎn)邊緣模糊定位。進(jìn)而設(shè)計(jì)雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模型,采用自適應(yīng)持續(xù)標(biāo)定的方式進(jìn)行撕裂檢測(cè)處理。測(cè)試結(jié)果表明,與深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法、無(wú)線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)相比,本文設(shè)計(jì)的雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次相對(duì)較高,說(shuō)明在雙目相機(jī)的輔助和支持下,設(shè)計(jì)方法更靈活、穩(wěn)定,檢測(cè)效率有所提升,應(yīng)用效果較好。
關(guān)鍵詞:雙目相機(jī);輸煤皮帶機(jī);皮帶撕裂;異常標(biāo)定" " " 中圖分類號(hào):TD528" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
輸煤皮帶機(jī)是煤炭運(yùn)輸工作的關(guān)鍵設(shè)備,其穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系煤礦生產(chǎn)的安全與效率。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,在應(yīng)用頻繁和外部因素的影響下,皮帶機(jī)的皮帶發(fā)生損壞,進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)中斷[1]。
為了解決上述問(wèn)題,相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法,針對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障,訓(xùn)練模型在大量源域數(shù)據(jù)上進(jìn)行學(xué)習(xí),將知識(shí)遷移至目標(biāo)域的少量數(shù)據(jù)上,以準(zhǔn)確地進(jìn)行故障診斷[2]。也有相關(guān)研究采用無(wú)線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù),結(jié)合無(wú)線測(cè)溫測(cè)振傳感器,監(jiān)測(cè)碼頭皮帶機(jī)的實(shí)時(shí)狀況,進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并識(shí)別異常狀態(tài),使碼頭皮帶機(jī)能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行[3]。上述方法雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期檢測(cè)目標(biāo),但是靈敏度低、檢測(cè)滯后,無(wú)法滿足現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)對(duì)安全性的要求。因此,本文進(jìn)行了基于雙目相機(jī)的輸煤皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的研究,旨在提升檢測(cè)靈敏度和準(zhǔn)確性,保障煤礦生產(chǎn)的安全。
1 輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂雙目相機(jī)檢測(cè)技術(shù)
1.1 圖像采集和預(yù)處理
由于輸煤皮帶機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中一直處于振動(dòng)狀態(tài),因此本文結(jié)合雙目相機(jī),進(jìn)行多周期比較,完成圖像采集,并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。本文使用安裝在輸煤皮帶機(jī)兩側(cè)的雙目相機(jī)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行圖像采集。雙目相機(jī)能夠同時(shí)捕捉同一場(chǎng)景的2個(gè)視角圖像,利用視差原理計(jì)算深度信息。設(shè)IL(x,y)和IR(x,y)分別為左、右相機(jī)在同一時(shí)刻捕捉的圖像,其中(x,y)為基礎(chǔ)的圖像坐標(biāo)[4]。設(shè)雙目相機(jī)的基線距離和焦距為已知參數(shù),采用立體匹配算法標(biāo)定左、右圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn),并利用三角測(cè)量計(jì)算深度,如公式(1)所示。
式中:Z為圖像采集深度;d為左右圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的視差;B為基線距離;f為焦距。
基于目前的深度標(biāo)準(zhǔn),從多個(gè)角度拍攝皮帶機(jī)皮帶的情況,并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。由于輸煤皮帶機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜,因此圖像傳感器采集的原始圖像通常包括大量噪聲和干擾信息,例如煤塵、光線變化等[5]。需要采用空間域增強(qiáng)法,以灰度映射變換突出激光線等關(guān)鍵特征[6]。再采用中值濾波調(diào)整方式處理圖像中的每個(gè)像素點(diǎn),以其鄰域內(nèi)的像素值中值代替原像素值,以去除圖像中的噪聲,完成基礎(chǔ)處理。
1.2 撕裂點(diǎn)邊緣模糊定位
針對(duì)上文獲取的撕裂圖像,結(jié)合雙目相機(jī)技術(shù),對(duì)皮帶機(jī)上的皮帶撕裂點(diǎn)進(jìn)行邊緣模糊定位處理。應(yīng)用雙目相機(jī)獲取撕裂區(qū)域的左、右圖像,便于后續(xù)半角[7]。一般情況下,撕裂區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)深度的不連續(xù)或突變[8]。為了定位撕裂點(diǎn)的邊緣,可以采用梯度計(jì)算的方式標(biāo)定撕裂位置的各個(gè)點(diǎn),撕裂點(diǎn)模糊定位如圖1所示。
基于當(dāng)前的撕裂位置,建立初始模糊定位坐標(biāo)。進(jìn)而去除非邊緣像素,利用坐標(biāo)來(lái)連接邊緣像素,形成連續(xù)的邊緣線,撕裂點(diǎn)邊緣定位如圖2所示。
值得注意的是,需要以膨脹、腐蝕的形式來(lái)增強(qiáng)或平滑部分模糊邊緣,提高定位的準(zhǔn)確性,進(jìn)而根據(jù)撕裂邊緣的深度信息和位置信息,調(diào)整相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù),進(jìn)行撕裂點(diǎn)的模糊定位。
1.3 雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模型
本文結(jié)合雙目相機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)模型?;谏鲜鎏幚砗玫膱D像,采用撕裂點(diǎn)位置模糊標(biāo)定,以立體匹配的方式進(jìn)行視差計(jì)算,如公式(2)所示。
式中:J為視差;?為圖像撕裂點(diǎn)水平距離;ξ為感應(yīng)點(diǎn);d為可匹配范圍;?為基線距離。
根據(jù)當(dāng)前測(cè)定,對(duì)撕裂位置進(jìn)行視差分析,如圖3所示。
在視差的位置點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,結(jié)合撕裂位置的形態(tài)變化,增強(qiáng)撕裂特征,基于邊緣長(zhǎng)度、寬度和深度變化等的變動(dòng),進(jìn)行撕裂點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別和定位處理。進(jìn)一步鎖定撕裂位置,并設(shè)計(jì)模型的執(zhí)行表達(dá)式,如公式(3)所示。
式中:N為撕裂檢測(cè)結(jié)果;o為模糊標(biāo)定范圍;?為邊緣值;τ為可擴(kuò)展檢測(cè)區(qū)域。
結(jié)合多周期數(shù)據(jù)處理,對(duì)撕裂檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行具體分析,輸出一個(gè)基礎(chǔ)的皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)結(jié)果。需要注意的是,當(dāng)前輸出的撕裂檢測(cè)結(jié)果并不是最終結(jié)果,由于皮帶機(jī)的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,易受外部環(huán)境和定向因素的影響,因此該結(jié)果僅代表同一時(shí)段的檢測(cè)結(jié)果,具有較強(qiáng)的針對(duì)性。
1.4 自適應(yīng)持續(xù)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)撕裂檢測(cè)處理
由于輸煤皮帶機(jī)工作環(huán)境惡劣,相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)易受振動(dòng)、溫度變化和煤塵等因素影響而發(fā)生漂移,因此需要進(jìn)行自適應(yīng)持續(xù)標(biāo)定來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整相機(jī)參數(shù)。將模型輸出的結(jié)果作為引導(dǎo),提取實(shí)時(shí)圖像中的特征點(diǎn),計(jì)算特征點(diǎn)連續(xù)幀的位置變化,如公式(4)所示。
式中:U為特征點(diǎn)連續(xù)幀的位置變化差;θ和?分別為相機(jī)兩個(gè)點(diǎn)位間的間距;v為閾值。
結(jié)合特征點(diǎn)連續(xù)幀的位置變化差,分析此時(shí)相機(jī)參數(shù)的穩(wěn)定性變化。當(dāng)特征點(diǎn)位置變化超出預(yù)設(shè)閾值時(shí),即認(rèn)為相機(jī)參數(shù)發(fā)生顯著漂移,此時(shí)應(yīng)觸發(fā)標(biāo)定程序,以使特征點(diǎn)的重投影誤差最小化。設(shè)標(biāo)定前、后的相機(jī)參數(shù)分別為Pold和Pnew,特征點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)為R,則重投影誤差如公式(5)所示。
式中:E為重投影誤差;e為重投次數(shù);r為特征點(diǎn)坐標(biāo)。
結(jié)合誤差變化,對(duì)初始點(diǎn)和變化點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定,將新的相機(jī)參數(shù)更新到檢測(cè)系統(tǒng)中,用于后續(xù)撕裂檢測(cè)處理。
2 試驗(yàn)
本文利用雙目相機(jī),對(duì)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)實(shí)際測(cè)試效果進(jìn)行了分析與驗(yàn)證,考慮最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)與可靠,以對(duì)比方式進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)將H煤礦工程作為測(cè)試對(duì)象,比較對(duì)象為深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法、無(wú)線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)以及本文設(shè)計(jì)的雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)。匯總、整合往期的歷史應(yīng)用數(shù)據(jù)和信息,完成預(yù)處理后,將其存儲(chǔ)在預(yù)設(shè)位置上,以便后續(xù)使用。進(jìn)而在雙目相機(jī)的輔助與支持下進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。
2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備
試驗(yàn)主要是對(duì)雙目相機(jī)的輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的測(cè)試環(huán)境進(jìn)行設(shè)定與部署。預(yù)設(shè)基礎(chǔ)的仿真環(huán)境,配置RTX 3080 GPU顯卡的Linux系統(tǒng)服務(wù)器,隨機(jī)選定H煤礦中的4臺(tái)輸煤皮帶機(jī)作為測(cè)試對(duì)象,預(yù)設(shè)4個(gè)定向的檢測(cè)周期,并且每一個(gè)皮帶機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中都需要設(shè)置一定數(shù)量的檢測(cè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)間互相搭接,采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后設(shè)定循環(huán)測(cè)試背景。進(jìn)而基于雙目相機(jī)的輔助,設(shè)定基礎(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù)集信息,見(jiàn)表1。
通過(guò)攝像頭獲得RGB實(shí)時(shí)圖像,并利用Labelme軟件對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,標(biāo)定出此時(shí)圖像內(nèi)部皮帶的位置框,以便于后續(xù)對(duì)撕裂位置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和識(shí)別。利用皮帶機(jī)設(shè)定的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息,為后續(xù)的撕裂檢測(cè)提供參考,至此完成測(cè)試環(huán)境部署。
2.2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析
在上文搭建的測(cè)試環(huán)境中,設(shè)定權(quán)值衰減系數(shù)為0.004,采用Batchsize訓(xùn)練、處理圖片的分辨率,數(shù)據(jù)處理的速度為32.5幀~36.5幀,置信度為0.85。利用雙目相機(jī)對(duì)皮帶的裂縫位置進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)定,如圖4所示。
在上述基礎(chǔ)上,利用相機(jī)將采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)筋A(yù)設(shè)位置上,并對(duì)皮帶的撕裂情況進(jìn)行具體分析。進(jìn)而與預(yù)設(shè)的測(cè)試集進(jìn)行比較,測(cè)定不同環(huán)境下的撕裂位置平均檢測(cè)精準(zhǔn)率,如圖5所示。
根據(jù)當(dāng)前的撕裂位置檢測(cè)精度,分析其檢測(cè)效果,并根據(jù)當(dāng)前的置信度變化,計(jì)算單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次,如公式(6)所示。
式中:F為單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次;?1和?2分別為不同周期學(xué)習(xí)檢測(cè)次數(shù);Y為檢測(cè)精度;?為初始學(xué)習(xí)次數(shù);?為預(yù)設(shè)測(cè)試集數(shù)量。
當(dāng)前測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,與深度遷移學(xué)習(xí)帶式輸送機(jī)機(jī)械故障診斷方法、無(wú)線測(cè)溫測(cè)振碼頭皮帶機(jī)異常檢測(cè)技術(shù)相比,本文設(shè)計(jì)的雙目相機(jī)輸煤皮帶機(jī)皮帶撕裂檢測(cè)技術(shù)的單目標(biāo)撕裂檢測(cè)頻次相對(duì)較高,說(shuō)明在雙目相機(jī)的輔助和支持下,本文設(shè)計(jì)的方法更靈活、穩(wěn)定,效率進(jìn)一步提升,撕裂檢測(cè)效果較好。
3 結(jié)語(yǔ)
本文結(jié)合實(shí)際的皮帶撕裂檢測(cè)需求,設(shè)計(jì)了更靈活、多變的檢測(cè)模式,不僅提高了皮帶撕裂檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性的同時(shí),而且對(duì)撕裂故障進(jìn)行了實(shí)時(shí)預(yù)警與定位,能夠?yàn)槊旱V企業(yè)提供更可靠的安全保障。隨著雙目相機(jī)的配置與優(yōu)化,還需要進(jìn)一步強(qiáng)化實(shí)際的撕裂檢測(cè)精度與速度,保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行,推動(dòng)相關(guān)技術(shù)與行業(yè)邁入新的發(fā)展臺(tái)階。
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