基于視頻抽幀技術(shù)的輸煤皮帶智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)與運(yùn)用

鄒凇宇,王天曉,張新旭

國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司,新疆 哈密 839000

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化和智能化的發(fā)展,智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在輸煤皮帶中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。輸煤皮帶作為工業(yè)生產(chǎn)中的重要傳輸設(shè)備,其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性。傳統(tǒng)的輸煤皮帶監(jiān)測(cè)方法存在著許多問(wèn)題,例如監(jiān)測(cè)效果不佳、數(shù)據(jù)處理能力不足、預(yù)警反應(yīng)不及時(shí)等。為了解決這些問(wèn)題,本文提出了一種基于視頻抽幀技術(shù)的輸煤皮帶智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、智能監(jiān)測(cè)。

1 視頻抽幀技術(shù)概述

視頻抽幀技術(shù)是一種從連續(xù)視頻中抽取關(guān)鍵幀的技術(shù),通過(guò)模擬每隔一段時(shí)間拍攝1張照片并接合起來(lái)形成視頻的過(guò)程,能夠最大限度地降低內(nèi)存使用率,降低服務(wù)器消耗,提高視頻處理效率[1]。在輸煤皮帶智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,視頻抽幀技術(shù)能夠?qū)o(wú)用的視頻摒棄掉,把有用的視頻截取成照片進(jìn)行存儲(chǔ),為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)合理的抽幀率設(shè)置,保證監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,如圖1所示。

圖1 視頻抽幀技術(shù)處理邏輯

1.1 主要原理與關(guān)鍵技術(shù)

視頻抽幀技術(shù)的核心原理是基于連續(xù)視頻幀之間的相似性,設(shè)置合適的抽幀頻率,保證視頻內(nèi)容基本不變的前提下,大幅降低視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸需求。在抽幀過(guò)程中,關(guān)鍵幀的選取是關(guān)鍵,通常會(huì)選擇具有代表性或轉(zhuǎn)折點(diǎn)的幀作為關(guān)鍵幀。運(yùn)動(dòng)估計(jì)是判斷相鄰幀之間的差異,以確定哪些幀可以被安全省略。關(guān)鍵幀選擇則依賴(lài)于特定的算法,例如基于內(nèi)容的抽幀、基于運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)某閹?以確定哪些幀應(yīng)被保留作為關(guān)鍵幀。

1.2 應(yīng)用場(chǎng)景與發(fā)展趨勢(shì)

在輸煤皮帶智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,視頻抽幀技術(shù)主要用于壓縮連續(xù)的視頻流,減少數(shù)據(jù)量,提高數(shù)據(jù)處理速度。從壓縮后的視頻流中提取的關(guān)鍵幀可用于后續(xù)的圖像處理和智能分析,以實(shí)現(xiàn)輸煤皮帶的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展,視頻抽幀技術(shù)也在不斷進(jìn)步。未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)包括基于深度學(xué)習(xí)的抽幀技術(shù)、高效率壓縮標(biāo)準(zhǔn)如多功能視頻編碼(versatile video coding,VVC)的應(yīng)用以及與云計(jì)算、邊緣計(jì)算的結(jié)合等[2]。這些技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步提高視頻抽幀的效率和準(zhǔn)確性,為智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用提供更好的支持。

2 系統(tǒng)研發(fā)

在研發(fā)初期須進(jìn)行深入的需求分析,明確系統(tǒng)需要具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)交互和控制等功能。根據(jù)這些需求,設(shè)計(jì)包括視頻采集模塊、抽幀處理模塊、深度學(xué)習(xí)分析模塊、預(yù)警與控制模塊等在內(nèi)的系統(tǒng)架構(gòu)。在研發(fā)過(guò)程中,遇到一些技術(shù)挑戰(zhàn),例如視頻流的穩(wěn)定傳輸、高準(zhǔn)確率的異常檢測(cè)、實(shí)時(shí)的預(yù)警和控制等[3]。針對(duì)這些問(wèn)題,采取一系列有效的解決方案,例如優(yōu)化傳輸協(xié)議以保障視頻流的穩(wěn)定性,采用先進(jìn)的深度學(xué)習(xí)算法提高異常檢測(cè)的準(zhǔn)確率,以及通過(guò)多線(xiàn)程和異步處理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警和控制,監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面截圖如圖2所示。

圖2 基于視頻抽幀技術(shù)的輸煤棧橋智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)

2.1 硬件選型與設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求,選擇合適的攝像機(jī)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件設(shè)備。攝像機(jī)要具備高分辨率和高幀率,能捕捉輸煤皮帶上物體的清晰圖像。服務(wù)器要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接,能實(shí)時(shí)接收和處理視頻數(shù)據(jù)。要設(shè)計(jì)合理的硬件布局,確保各個(gè)設(shè)備之間的連接穩(wěn)定可靠。硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)需要充分考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和用戶(hù)需求,以確保系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性和可靠性。

2.2 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)的核心,應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行詳細(xì)的需求分析和設(shè)計(jì)。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面,設(shè)計(jì)高效的視頻抽幀算法和圖像處理算法,實(shí)現(xiàn)快速的視頻流處理和圖像識(shí)別;在數(shù)據(jù)處理與分析方面,采用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)海量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析;在預(yù)警反應(yīng)與控制方面,將視頻識(shí)別結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至輸煤DCS系統(tǒng),結(jié)合已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助判斷后,自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令。同時(shí),設(shè)計(jì)友好的用戶(hù)界面,方便用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)配置和監(jiān)控。軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)注重模塊化設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用,以提高代碼的可讀性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

2.3 測(cè)試與優(yōu)化

在系統(tǒng)研發(fā)完成后,進(jìn)行全面的測(cè)試和優(yōu)化工作。測(cè)試主要包括功能測(cè)試、性能測(cè)試和穩(wěn)定性測(cè)試等,通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問(wèn)題和缺陷,確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。優(yōu)化主要包括算法優(yōu)化和系統(tǒng)性能優(yōu)化等,通過(guò)優(yōu)化提高系統(tǒng)的處理效率和處理能力,滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求。測(cè)試與優(yōu)化過(guò)程中需要充分考慮各種場(chǎng)景和條件下的性能表現(xiàn),以確保系統(tǒng)的可靠性。

2.4 集成與部署

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景和用戶(hù)需求,將智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成到輸煤皮帶控制系統(tǒng)中。通過(guò)接口對(duì)接和數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)與輸煤皮帶控制系統(tǒng)的無(wú)縫集成,同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)部署和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作,確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行并滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用需求。集成與部署過(guò)程中應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可定制性,以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的個(gè)性化需求。

3 系統(tǒng)運(yùn)用

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警、故障診斷、優(yōu)化控制等功能,該系統(tǒng)顯著提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備安全性。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警

在輸煤皮帶區(qū)域安裝高清攝像機(jī),利用視頻抽幀技術(shù)對(duì)輸煤皮帶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)抽取的關(guān)鍵幀進(jìn)行圖像處理和模式識(shí)別,實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶撕裂、堵煤、跑偏等異常狀態(tài)的自動(dòng)識(shí)別和預(yù)警。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警功能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題,降低人工干預(yù)和預(yù)防事故發(fā)生,有效地提高設(shè)備的運(yùn)行效率和安全性。同時(shí),為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供第一手資料,為優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 數(shù)據(jù)處理與分析

通過(guò)大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)視頻抽幀技術(shù)所抽取的關(guān)鍵幀進(jìn)行深入分析,挖掘出皮帶的運(yùn)行規(guī)律和異常模式,為預(yù)防性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí),利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和學(xué)習(xí),提高自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率。通過(guò)不斷地學(xué)習(xí)和優(yōu)化該系統(tǒng),使其能更好地適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境和異常情況,提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

3.3 智能控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控

通過(guò)與輸煤皮帶控制系統(tǒng)的集成,系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整輸煤皮帶的運(yùn)行速度、配煤比例等參數(shù),實(shí)現(xiàn)智能控制。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能,用戶(hù)可以在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)查看輸煤皮帶的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制指令等,方便對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和控制。這種智能控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能提高生產(chǎn)效率,降低人工干預(yù)和事故風(fēng)險(xiǎn),對(duì)企業(yè)的遠(yuǎn)程管理、智能化生產(chǎn)和節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)能大幅提升輸煤皮帶的運(yùn)行效率和安全性,預(yù)警時(shí)效能夠控制在3 000 ms以?xún)?nèi),準(zhǔn)確率能夠保持在98%以上。通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法,發(fā)現(xiàn)視頻抽幀技術(shù)具有更高的數(shù)據(jù)處理效率和準(zhǔn)確性,能實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)控和自動(dòng)識(shí)別比對(duì)。在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并預(yù)警輸煤皮帶運(yùn)行中的異常情況,例如撕裂、堵煤、跑偏等;在數(shù)據(jù)處理與分析方面,能通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析,挖掘出皮帶的運(yùn)行規(guī)律和異常模式,為預(yù)防性維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持;在預(yù)警反應(yīng)與控制方面,能結(jié)合已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助判斷后,自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的控制指令,實(shí)現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)還具有較好的擴(kuò)展性和可定制性,可根據(jù)不同用戶(hù)的需求進(jìn)行個(gè)性化的功能定制和優(yōu)化。

隨著技術(shù)進(jìn)步和需求提升,輸煤皮帶智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將不斷升級(jí),實(shí)現(xiàn)更高效、準(zhǔn)確、智能的監(jiān)測(cè)與控制。圖像處理技術(shù)將更高效,通過(guò)算法優(yōu)化和計(jì)算能力提升,更加高效的視頻抽幀技術(shù)能快速準(zhǔn)確處理和分析圖像,縮短響應(yīng)時(shí)間,提高實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。多維度、多模態(tài)融合技術(shù)將整合溫度、振動(dòng)、聲音等傳感器數(shù)據(jù),全面了解輸煤皮帶狀態(tài),提高故障診斷準(zhǔn)確性和預(yù)警及時(shí)性。物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)將實(shí)現(xiàn)智能化遠(yuǎn)程監(jiān)控與維護(hù),操作人員能隨時(shí)隨地監(jiān)控和維護(hù)設(shè)備,提高運(yùn)維效率和響應(yīng)速度。此外,通過(guò)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通和協(xié)同工作,為企業(yè)構(gòu)建智能化、自動(dòng)化生產(chǎn)體系提供支持。