礦用帶式輸送機視覺安全防護系統(tǒng)研究與應用

姚紅帥

（西山煤電（集團）有限責任公司大數據中心，山西 太原 030053）

1 概況

杜兒坪煤礦設計年開采量為385 萬t，可采煤層7 層，煤層總厚度18.78 m。目前對20334 工作面進行綜采作業(yè)，隨著開采作業(yè)效率的提升，當前采用的DSJ70 型帶式輸送機載重、運輸速度等作業(yè)負荷不斷增加。作為井下作業(yè)關鍵設備，僅2021年5 月就因輸送大塊矸石、大塊煤塊導致輸送帶縱向撕裂兩次，且在綜采作業(yè)期間，出現(xiàn)過三次因堆煤導致輸送機機架變形情況，雖然巡檢人員及時發(fā)現(xiàn)問題并進行修復，但作業(yè)效率大受影響?；诖耍捎脵C器視覺的圖像檢測技術進行礦用帶式輸送機安全防護系統(tǒng)研究，實時高效檢測輸送皮帶存在的大塊物料、堆煤以及機頭位置人員入侵情況，對保證井下帶式輸送機安全穩(wěn)定運行[1]，確保煤礦安全開采作業(yè)具有重要現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)整體架構設計

針對杜兒坪煤礦帶式輸送機運行期間大塊物料以及人員入侵等危險因素監(jiān)測實際需求，設計的基于視覺帶式輸送機安全防護系統(tǒng)共包含四大子系統(tǒng)：視覺信息采集系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)、視覺信息處理系統(tǒng)以及連鎖控制系統(tǒng)。1）視覺信息采集系統(tǒng)主要由圖像捕捉設備、輔助燈光設備以及電源設備等構成，針對大塊物料、堆煤、人員入侵等配置獨立防爆攝像機完成畫面采集[2]，實時穩(wěn)定采集帶式輸送機不同角度畫面數據；2）信息交互系統(tǒng)主要實現(xiàn)視覺信息采集系統(tǒng)與信息處理系統(tǒng)的數據傳輸，核心設備是井下防爆交換機、傳輸光纖和網線[3]；3）視覺信息處理系統(tǒng)是安全防護系統(tǒng)的核心，完成視覺采集信息的顯示、儲存、分析處理以及管理，能夠精準識別圖像信息中存在的危險元素，按照程序設定進行報警或控制帶式輸送機運行狀態(tài)等連鎖動作；4）連鎖控制系統(tǒng)包含了控制板卡、報警裝置等設備，能夠根據視覺信息處理系統(tǒng)的識別結果進行報警或控制帶式輸送機啟停。礦用帶式輸送機視覺安全防護系統(tǒng)整體架構如圖1。

圖1 帶式輸送機視覺安全防護系統(tǒng)架構圖

3 系統(tǒng)硬件選型

3.1 防爆監(jiān)控裝置

系統(tǒng)識別圖像采集通過防爆攝像機完成，拍攝帶式輸送機實時狀態(tài)畫面作為原始信息，通過分析系統(tǒng)信息處理識別出是否存在大塊物料、堆煤或人員入侵等危險情況發(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，具有煤安認證，滿足井下設備國家標準要求，性能參數見表1。該型攝像機的幀率為35 fps，系統(tǒng)對視覺圖像的處理能力要大于該型攝像機拍攝幀率，保證系統(tǒng)信息處理的無延遲性和可靠性[5]。

表1 KBA-127B 型防塵防爆型光纖高清攝像機性能參數表

3.2 防爆交換機

基于視覺圖像采集幀率與分辨率參數，為了保證信息數據傳輸效率，系統(tǒng)選用KJJ12 型千兆交換機進行數據通信和信息交互。交換機實際帶寬為理論帶寬60%時，能保證傳輸效率[6]，而攝像設備最大壓縮碼率為10 Mbps，系統(tǒng)共配置了12 臺攝像設備，因此千兆交換機帶寬能滿足系統(tǒng)需求。該型交換機防爆等級為Exib I，端口數為2 路光信號端口、3 路485 信號端口。

3.3 控制板卡

為了實現(xiàn)系統(tǒng)能夠根據視覺信息處理系統(tǒng)結果按照設定程序進行報警或帶式輸送機連鎖控制等功能，系統(tǒng)選配PCI1761 型控制板卡進行信息輸出。該型板卡具有8 路數字隔離輸入和8 路繼電器輸出，支持Win7、Win10 和Linux 系統(tǒng)，能夠使用C#、C++、LabVIEW、Java 等語言進行編程，配合工控機完成程序控制。

3.4 工控機

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)秀的數據傳輸系統(tǒng)，能夠對攝像機采集的圖像信息無延遲、無卡頓地進行識別，選用東田工控開發(fā)的IPC-24605-IH310MB 型工控機，與控制板卡通過PCI 卡槽連接，性能數據見表2。

表2 IPC-24605-IH310MB 型工控機性能參數

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件平臺依托前端視覺信息采集設備、信息傳輸通信裝置以及視覺監(jiān)測算法，配合功能模塊實現(xiàn)帶式輸送機運行狀態(tài)顯示、異常運輸與人員入侵識別、緊急情況報警、連鎖控制帶式輸送機啟停、信息統(tǒng)計與記錄等功能。系統(tǒng)軟件平臺以功能模塊設計理念進行構建，包含異常檢測模塊、信息顯示模塊、數據管理模塊、報警控制模塊和系統(tǒng)設置模塊，系統(tǒng)檢測算法流程如圖3。系統(tǒng)對大塊物料、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算法，其中大塊物料檢測是基于深度學習的目標檢測算法，而其他兩種狀態(tài)檢測則是基于目標的圖像特征，區(qū)別在于人員入侵是利用多幀圖像經過時差對比判定，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）異常檢測模塊

異常檢測模塊實時監(jiān)測帶式輸送機運輸狀態(tài)與環(huán)境安全，是系統(tǒng)的主要功能模塊，通過對大塊物料、堆煤、人員入侵等異常狀態(tài)圖像識別與算法系統(tǒng)訓練完成樣本庫建立，通過與樣本庫數據對比識別不同尺寸圖像、不同位置異常狀態(tài)，對設備安全狀態(tài)進行判定。另外，該模塊還配置了線激光輔助檢測激光條紋系統(tǒng)進行皮帶撕裂故障檢測、區(qū)域面積對比裝置進行跑偏檢測等。

2）信息顯示模塊

信息顯示模塊是系統(tǒng)人機交互的基礎[7]，可以為操作人員提供系統(tǒng)視覺監(jiān)測畫面、帶式輸送機安全故障信息以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等。系統(tǒng)上位機顯示界面包含七個一級界面，如圖4，分別為：開始監(jiān)控、添加攝像頭、攝像頭列表、采集報表、監(jiān)控調試、參數設置以及修改密碼；各一級界面下還配置有二級監(jiān)測、控制與數據管理界面。除顯示系統(tǒng)監(jiān)測對象的狀態(tài)信息外，信息顯示模塊還對系統(tǒng)本身的數據傳輸狀態(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)上位機主界面

3）數據管理模塊

該模塊主要通過Mysql 數據庫管理軟件完成相關功能[8]，對系統(tǒng)信息采集數據、中間處理數據以及判定結論數據進行管理，實現(xiàn)數據的通信、處理、查詢與統(tǒng)計。用戶可以通過上位機的人機交互系統(tǒng)對系統(tǒng)數據進行修改、增設或刪除，對檢測故障類型和頻次等數據進行查閱與打印。

4）報警控制模塊和系統(tǒng)設置模塊

報警控制模塊根據系統(tǒng)設定的控制邏輯實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域和控制室的聲光報警以及帶式輸送機自動控制啟停功能。系統(tǒng)設置模塊對用戶開放，根據不同的檢測需求手動修改系統(tǒng)參數和用戶管理信息。

5 應用效果分析

將研究的礦用帶式輸送機視覺安全防護系統(tǒng)應用在杜兒坪煤礦，對20334 工作面綜采作業(yè)設備DSJ70 型運行狀態(tài)進行監(jiān)測。在監(jiān)控室發(fā)生聲光報警時的實際監(jiān)測畫面可以看出，運輸皮帶出現(xiàn)大塊物料、堆煤和人員入侵的異常狀態(tài)，系統(tǒng)檢測精度與準確度能夠滿足井下帶式輸送機安全運行實際需求。

6 結語

針對杜兒坪煤礦井下帶式輸送機因大塊物料運輸、堆煤導致設備故障問題，進行安全狀態(tài)檢測系統(tǒng)設計研究，形成以下結論：

1）安全狀態(tài)檢測系統(tǒng)包含視覺信息采集系統(tǒng)、信息交互系統(tǒng)、視覺信息處理系統(tǒng)以及連鎖控制系統(tǒng)。四個子系統(tǒng)通過軟件平臺有機結合，對帶式輸送機的大塊物料、堆煤、人員入侵等異常狀態(tài)進行識別、報警，并根據系統(tǒng)程序設定連鎖控制帶式輸送機啟停。

2）對大塊物料、堆煤、人員入侵三種異常狀態(tài)監(jiān)測，系統(tǒng)采用了不同的軟件算法，大塊物料檢測是基于深度學習目標檢測，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比判定。