基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

李瑋琳

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院 信息工程系，吉林 長(zhǎng)春 130000）

有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)是礦山安全生產(chǎn)中最重要的組成部分，監(jiān)控系統(tǒng)的性能決定著礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)、災(zāi)害防治以及經(jīng)濟(jì)效益等。在礦山施工過程中，對(duì)于設(shè)備運(yùn)行狀進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控能夠在最大程度上保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，提高作業(yè)效率，同時(shí)降低由于設(shè)備故障問題產(chǎn)生的礦山事故概率[1]。因此，為更加有效的改善傳統(tǒng)礦山設(shè)備的運(yùn)行現(xiàn)狀，本文結(jié)合圖像融合技術(shù)，建立一套智能的有色金屬礦山設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)。

1 基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）監(jiān)控器。監(jiān)控器是基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備重要組成部分，其主要是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。監(jiān)控器分辨率的高低將直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，所以要根據(jù)有色金屬礦山設(shè)備運(yùn)行故障監(jiān)控需求合理選取監(jiān)控器。系統(tǒng)所用到的監(jiān)控器根據(jù)感光芯片的不同分為GFB監(jiān)控器和GFC監(jiān)控器。下表為GFB監(jiān)控器和GFC監(jiān)控器優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表1 GFB監(jiān)控器和GFC監(jiān)控器優(yōu)缺點(diǎn)

通過表1可以發(fā)現(xiàn)GFC監(jiān)控器在應(yīng)用過程中雖然成本和耗電量較高，但是采集到的圖像品質(zhì)比GFC監(jiān)控器要高。GFC監(jiān)控器由于感光單元的排列方式不同，又分為面陣監(jiān)控器和線陣監(jiān)控器，表2為面陣監(jiān)控器和線陣監(jiān)控器優(yōu)缺點(diǎn)比較。

表2 面陣監(jiān)控器和線陣監(jiān)控器優(yōu)缺點(diǎn)比較

根據(jù)以上面陣、線陣兩種監(jiān)控器優(yōu)缺點(diǎn)比較，線陣監(jiān)控器更符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，所以此次系統(tǒng)監(jiān)控器硬件設(shè)備選擇GFC型號(hào)的線陣監(jiān)控器來完成機(jī)械故障圖像采集工作。為了能夠更精準(zhǔn)的拍取到機(jī)械故障，將監(jiān)控器的采集速度設(shè)置為1250mm/s，寬幅為400mm，橫向精度為0.35mm，監(jiān)控器像素設(shè)置為2048像素。除此之外，掃描率為15.69klps，以此來保證圖像的質(zhì)量。編碼器只要是將監(jiān)控器采集到的圖像信號(hào)進(jìn)行編碼，將其轉(zhuǎn)化為可傳輸和儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)。由于編碼器需要周期性對(duì)GFC線陣監(jiān)控器采集的圖像進(jìn)行編碼，并且為了配合工業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)，編碼器要滿足生產(chǎn)線200m/min的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度，以及為了滿足與監(jiān)控器分辨率保持一致，此次系統(tǒng)選用一款由上海恒祥企業(yè)生產(chǎn)的增壓式編碼器，外徑為35mm，軸徑為19mm，厚度為15.3mm，分辨率可達(dá)到5000P/R，該編碼器的信號(hào)出口可以直接與監(jiān)控器的出發(fā)端口連接，并且可以智能自動(dòng)對(duì)圖片信號(hào)編碼，使檢測(cè)的機(jī)械故障與相機(jī)同步。

（2）電源設(shè)計(jì)。在基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電壓可能會(huì)存在不穩(wěn)定，或者有毛刺干擾等問題，所以在系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到外界干擾的因素，將系統(tǒng)電源外界干擾因素全部排除掉，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供穩(wěn)定的電源環(huán)境。所以此次采用開關(guān)電源的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來對(duì)系統(tǒng)的電源進(jìn)線合理設(shè)計(jì)，當(dāng)電網(wǎng)電壓處于動(dòng)態(tài)變化時(shí)系統(tǒng)也能保持相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，下圖為基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)電源電路圖。

圖1 基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)電源電路圖

正常情況下，系統(tǒng)的輸入電流為220V，開關(guān)電源芯片采用BGVN001，系統(tǒng)電源的變壓器采用高頻變壓器，電源電壓范圍為交流200V～240V，該電源基本能滿足系統(tǒng)各個(gè)硬件設(shè)備的電流和功率需求。

2 基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）基于圖像融合的有色金屬礦山數(shù)據(jù)處理?；趫D像融合的有色金屬礦山數(shù)據(jù)處理是以上文監(jiān)控器、傳感器等硬件設(shè)備作為基礎(chǔ)，對(duì)有色金屬礦山施工過程中運(yùn)行的各類設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的傳輸?shù)缴衔粰C(jī)當(dāng)中。根據(jù)不同設(shè)備的運(yùn)行要求，對(duì)其進(jìn)行模糊控制。首先，利用相關(guān)程序編寫軟件，對(duì)監(jiān)控器進(jìn)行初始化控制，在完成初始化后，判斷以太網(wǎng)通訊是否正常。其次，分別向監(jiān)控器赫爾循環(huán)采集傳感器發(fā)出對(duì)應(yīng)的上位機(jī)監(jiān)控指令，在其完成響應(yīng)后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)采集到的圖像信息中的造成進(jìn)行過濾。圖像數(shù)據(jù)的采集，本文采用圖像融合技術(shù)完成，在圖像上的目標(biāo)像素添加一個(gè)融合窗口模板，設(shè)窗口模板的大小為T，則其計(jì)算公式應(yīng)為：

公式（1）中，n表示為圖像中像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。在該融合窗口模板中，選取平均值作為目標(biāo)像素。假設(shè)目標(biāo)像素點(diǎn)為（a，b）則，通過圖像融合后的該點(diǎn)像素值應(yīng)為：

公式（2）中，f表示為融合后當(dāng)前圖像當(dāng)中的像素總數(shù)。將融合后的圖像進(jìn)行閥值分割處理，像素值可以設(shè)置為數(shù)值同時(shí)也可以假設(shè)為一個(gè)區(qū)間。對(duì)閥值分割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，將礦山運(yùn)行設(shè)備的結(jié)構(gòu)元素及圖渠道的設(shè)備圖像信息進(jìn)行對(duì)比，并分析和識(shí)別出二者之間存在的差異，并將差異數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，完成對(duì)有色金屬礦山數(shù)據(jù)的采集與處理。

（2）有色金屬礦山設(shè)備故障智能監(jiān)控。當(dāng)利用圖像融合實(shí)現(xiàn)對(duì)有色金屬礦山設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)處理后，利用STEP8-Mfiso64編程軟件中的監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)對(duì)有色金屬礦山設(shè)備運(yùn)行過程中的各類故障問題智能監(jiān)控，具體步驟為：第一步，設(shè)置異步串口通信方式，設(shè)置波特率為3600bps，無檢驗(yàn)位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，接收模塊將處理后的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息返回。點(diǎn)擊編程軟件當(dāng)中的調(diào)試按鈕，打開開始程序狀態(tài)監(jiān)控窗口，在顯示的窗口當(dāng)中對(duì)當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并查看有色金屬礦山設(shè)備各個(gè)執(zhí)行元器件的閉合或斷開狀態(tài)，根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)向單片機(jī)發(fā)送正確的AT讀指令，觀察設(shè)備主機(jī)顯示的具體零部件信息，查看有色金屬礦山設(shè)備電機(jī)是否正常運(yùn)行；第二步，當(dāng)有色金屬礦山設(shè)備發(fā)生故障問題時(shí)，通過編程軟件當(dāng)中的強(qiáng)制方式，將急停按鈕關(guān)閉，讓有色金屬礦山設(shè)備迅速停止運(yùn)行，再通過監(jiān)控表對(duì)故障位置進(jìn)行定位和判斷，當(dāng)本文系統(tǒng)接收返回信息時(shí)，采用終端方式檢驗(yàn)是否有信息傳輸，并判斷傳輸數(shù)據(jù)的安全。若數(shù)據(jù)正確，則判斷該數(shù)據(jù)為信息類型，并由模塊將單片機(jī)信息的不同頭信息返回，以一個(gè)ok結(jié)束，對(duì)提取的信息進(jìn)行不同處理。若數(shù)據(jù)屬于下傳數(shù)據(jù)，則再將其利用LED數(shù)碼管顯示控制信息，LED數(shù)碼管顯示的是從鍵盤輸入到發(fā)送的數(shù)據(jù)，以及接收到的有色金屬礦山設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)；第三步，待故障全部排除后，再通過遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)其進(jìn)行調(diào)試，待恢復(fù)正常后重新啟動(dòng)有色金屬礦山設(shè)備，讓有色金屬礦山設(shè)備正常運(yùn)行，以此實(shí)現(xiàn)基于圖像融合的有色金屬礦山智能監(jiān)控。

3 實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)條件。構(gòu)建實(shí)例分析，驗(yàn)證本文監(jiān)控系統(tǒng)由于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性能。選取某有色金屬礦山中常見的運(yùn)行設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。該礦山設(shè)備的具體參數(shù)，如表2所示。

表3 礦山設(shè)備具體參數(shù)表

結(jié)合表2礦山設(shè)備具體參數(shù)，設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量為3個(gè)。本次實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為：測(cè)試兩種監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控波特率（監(jiān)控波特率是指監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)每秒的波形振蕩數(shù)），監(jiān)控波特率數(shù)值越高，證明該監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控效率越好。設(shè)置監(jiān)控時(shí)間節(jié)點(diǎn)為14：50、15：00以及15：10。首先使用本文設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)該礦山設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)其為實(shí)驗(yàn)組；再使用傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)該礦山設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)其為對(duì)照組。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與結(jié)論。根據(jù)上述設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并采用Hadoop-1.0.3穩(wěn)定版軟件記錄實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的監(jiān)控波特率。對(duì)比兩種監(jiān)控系統(tǒng)下得到的監(jiān)控波特率，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖2所示。

圖2 監(jiān)控波特率對(duì)比圖

通過圖2可得出如下的結(jié)論：本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)在相同的測(cè)試時(shí)間中監(jiān)控波特率明顯高于對(duì)照組，監(jiān)控效率更高，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)有色金屬礦山運(yùn)行設(shè)備的高效監(jiān)控。通過實(shí)例分析的方式可以證明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于有色金屬礦山設(shè)備監(jiān)控方面。

4 結(jié)束語

有色金屬礦山的智能化發(fā)展是礦山施工技術(shù)不斷提升的重要表現(xiàn)，本文針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)在對(duì)礦山運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控時(shí)存在的問題，將圖像融合技術(shù)引入其中系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過研究得出，利用圖像融合技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控的可視化，在一定程度上起到降低工作人員工作量的效果，并進(jìn)一步為智能化礦山建設(shè)提供技術(shù)支撐。