礦山井筒視覺監(jiān)測與故障智能識別系統(tǒng)設(shè)計*

邢遠(yuǎn)秀

(1.冶金工業(yè)過程系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點實驗室;2.武漢大學(xué)計算機(jī)學(xué)院)

礦山井筒設(shè)施的主要檢查內(nèi)容包括鋼結(jié)構(gòu)、給排水管線、通風(fēng)管道及通訊設(shè)施的故障檢查，井壁是否滲水檢查，動力設(shè)備運行故障檢查等，目前的檢查定位和檢修質(zhì)量驗收等工作主要依靠人工站在罐籠頂部來完成［1］。由于井筒內(nèi)工作條件比較惡劣，需要防止?jié)B水、罐籠晃動和拋落重物的襲擊，停工檢查則降低了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

隨著嵌入式和圖像處理等技術(shù)的不斷成熟，使得通過網(wǎng)絡(luò)平臺，分散在各個點的運行設(shè)備能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而進(jìn)行視頻監(jiān)控成為可能。國內(nèi)外針對于井筒安全檢測主要有基于傳感器的井壁監(jiān)測系統(tǒng)［2-3］，基于視頻技術(shù)的井筒設(shè)施監(jiān)測系統(tǒng)［4-6］和井筒場景監(jiān)測系統(tǒng)［7-9］，此類監(jiān)控系統(tǒng)大多采用有線傳輸，雖然能夠替代人工下井進(jìn)行場景及設(shè)備監(jiān)測，但是設(shè)備位置固定使得監(jiān)測對象固定和設(shè)備不能共享，采集視頻完全由人工進(jìn)行判別。

隨后章啟忠等人提出的礦山井筒安全隱患監(jiān)測系統(tǒng)［1］將井筒設(shè)施的工作及生產(chǎn)狀況的實時圖像信息自動采集、地面顯示、存儲并進(jìn)行管理。本研究在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的防護(hù)性能，并實現(xiàn)對前端采集的視頻圖像進(jìn)行特征提取、對比、匹配，自動識別故障點并定位。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由前端視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、無線傳輸子系統(tǒng)、地面圖像顯示控制子系統(tǒng)和視頻處理子系統(tǒng)4部分構(gòu)成。前端視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)把井筒內(nèi)的情況采集成視頻，并進(jìn)行編碼、錄像存儲;同時通過無線傳輸送到地面圖像顯示控制子系統(tǒng)終端進(jìn)行解碼顯示;視頻處理子系統(tǒng)除用戶管理、視頻導(dǎo)入、視頻查看、視頻管理和日志管理等基本功能之外，包括故障點智能監(jiān)測與定位。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的無線傳輸子系統(tǒng)主要由前端無線信號接收裝置和無線視頻發(fā)送裝置，地面無線信號發(fā)送裝置和無線視頻接收裝置2大部分組成。其中前端無線信號接收裝置和無線視頻發(fā)送裝置嵌入在前端視頻采集子系統(tǒng)中，地面無線信號發(fā)送裝置和無線視頻接收裝置嵌入到地面遙控子系統(tǒng)中。

2 視頻采集與同步顯示

2.1 視頻采集裝置

前端視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為便攜式視頻采集裝置，主要用來采集現(xiàn)場原始的視頻數(shù)據(jù)，在采集過程中將視頻實時存儲，采集完成后供工作人員仔細(xì)觀察井筒設(shè)施實時的現(xiàn)狀以及數(shù)據(jù)備份。并同時將視頻通過無線傳輸?shù)降孛嫜b置，方便地面工作人員了解監(jiān)測區(qū)域和視頻采集裝置的運行狀況。系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 前端視頻數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)原理

視頻采集裝置的箱體上部固定了1臺可以360°旋轉(zhuǎn)的高速高清攝像機(jī)，實現(xiàn)井筒監(jiān)測無死角，同時裝置2個高照度的光源，保證在井筒黑暗的環(huán)境中能獲得清晰的視頻。

視頻采集箱體內(nèi)部包括視頻編碼和存儲模塊、無線指令模塊、無線視頻模塊、電源模塊、智能控制模塊等多個功能模塊。采用雙硬盤存儲技術(shù)，實時將視頻數(shù)字化、編碼和存儲。無線命令信號接收裝置接收地面遙控設(shè)備發(fā)來的命令，精確控制云臺旋轉(zhuǎn)的角度和攝像機(jī)的焦距和光圈。無線視頻信號發(fā)射裝置將視頻信號編碼發(fā)送到地面顯示設(shè)備，方便工作人員實時監(jiān)測及選取監(jiān)測的井筒方位。底部強(qiáng)力吸鐵伸縮裝置可以快捷方便地將箱體牢牢固定在罐籠頂部。

在進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測之前，由工作人員將該裝置推到井筒罐籠頂部調(diào)整好位置，啟動強(qiáng)力吸鐵裝置固定箱體。該裝置安裝、使用和維護(hù)簡單和方便。在井筒監(jiān)測完畢之后，采集到的原始視頻數(shù)據(jù)已經(jīng)保存在圖像采集裝置中的硬盤陣列中，可以由工作人員通過USB接口導(dǎo)出，提交給視頻處理子系統(tǒng)。

2.2 視頻采集裝置的工作模式

章啟忠等人提出的礦山井筒安全隱患監(jiān)測系統(tǒng)［1］的視頻采集裝置為人工控制模式，地面圖像顯示及控制裝置根據(jù)用戶需要控制采集裝置云臺的方位及攝像頭的焦距。但是由于人工操作的隨意性，采集的視頻圖像的尺度和檢測方位不固定，使得后繼視頻處理子系統(tǒng)的故障智能判別處理受到限制。

為了提高系統(tǒng)的智能化，本系統(tǒng)的視頻采集裝置包含人工控制模式和智能控制模式2種工作模式。人工控制模式下的視頻采集方式和礦山井筒安全隱患監(jiān)測系統(tǒng)的工作方式相同，可以由監(jiān)控人員根據(jù)實際情況控制云臺的方向和攝像機(jī)的焦距。在智能控制模式下，則監(jiān)控人員不能對視頻采集裝置進(jìn)行人為控制，采集裝置固定對井筒各個方位依次進(jìn)行監(jiān)測，所采集到的視頻圖像為故障智能識別提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.4 地面顯示及遙控裝置

地面顯示遙控裝置原理如圖3所示。該裝置由電池、1個小型顯示屏、1個小鍵盤和操縱桿、無線命令信號發(fā)射裝置以及視頻信號接收裝置和解碼器6個部分構(gòu)成。當(dāng)按下接收設(shè)備開關(guān)，裝置啟動后屏幕上實時顯示前端圖像采集設(shè)備的攝像頭視角場景圖像。人工控制模式下，工作人員可以通過小鍵盤和操作桿隨時、精確控制云臺的旋轉(zhuǎn)，使攝像機(jī)對準(zhǔn)井筒中需要特定監(jiān)測的設(shè)施，還可以調(diào)節(jié)攝像機(jī)的焦距和光圈。在智能模式下，小鍵盤的控制鍵和操作桿的功能則被屏蔽。

視頻采集裝置隨井筒罐籠上下運動過程中，地面遙控裝置的視頻信號接收模塊通過無線接收前端采集的視頻信號，并由解碼器對視頻進(jìn)行解碼并顯示。工作人員可以通過地面接收設(shè)備的顯示屏實時觀察到攝像機(jī)采集的場景圖像。

圖3 地面遙控裝置原理

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 箱體防護(hù)技術(shù)

本系統(tǒng)的前端視頻采集裝置工作時置于井筒罐籠上方，井筒內(nèi)工作環(huán)境惡劣，設(shè)備既要求防水，又需要防重物撞擊。

視頻采集裝置使用一個標(biāo)準(zhǔn)鑄鋁防水密封箱把各個功能模塊密封起來，起到防水、防撞擊的作用。密封箱遵循IEC60670，CEI23－24，IEC60529標(biāo)準(zhǔn)，防護(hù)等級達(dá)到了IP66級別。同時裝置具有高抗沖擊、抗振動性能，抗沖擊等級達(dá)到IK10級別。采集裝置具有良好的抗化學(xué)腐蝕性能，可工作在零下40～125℃溫度范圍的環(huán)境中。裝置中的攝像機(jī)采用半球形攝像機(jī)，透明球罩采用3.5 mm左右厚度聚碳酸酯(PC)工程塑料和鑄鋁外殼。外置光源加裝鋁合金護(hù)罩，使得設(shè)備具有更好的防水性、耐腐蝕性、恒溫性和抗沖擊能力，以適應(yīng)礦井復(fù)雜的環(huán)境。

3.2 抗多徑干擾技術(shù)

由于井筒內(nèi)環(huán)境比較復(fù)雜，布線比較困難，所以無線傳輸方式成為了首選方式。而前端視頻采集裝置和地面顯示及遙控裝置在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，傳輸大量的視頻圖像信息和控制命令信息，需要解決抗多徑干擾問題。

本系統(tǒng)采用最先進(jìn)的COFDM(coded orthogonal frequency division multiplexing)調(diào)制技術(shù)、信道編解碼技術(shù)、差錯控制技術(shù)，使得設(shè)備能夠在高速移動環(huán)境下實現(xiàn)視頻、語音、數(shù)據(jù)等寬帶多業(yè)務(wù)的實時、同步傳輸。COFDM技術(shù)應(yīng)用到礦山井筒無線傳輸中來，提高信號在多徑下抗衰落能力和頻率利用率，為高速數(shù)據(jù)傳輸打下基礎(chǔ)。同時采用自適應(yīng)混合ARQ/FEC的差錯控制技術(shù)，限定重傳的次數(shù)，以滿足實時的要求?；诰幋a器端簡單的反饋信息，統(tǒng)計跟蹤無線信道誤碼率，并對無線信道環(huán)境進(jìn)行預(yù)測，自適應(yīng)地優(yōu)化冗余信息的大小，以達(dá)到無線視頻通信系統(tǒng)在抗差錯能力和傳輸效率之間的最優(yōu)折衷。

3.3 故障智能判別技術(shù)

井筒檢測完畢后，由監(jiān)控人員將保存在前端硬盤中的視頻數(shù)據(jù)通過USB接口導(dǎo)出，按照罐籠號、檢測方位、檢測時間、檢測人員等信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，提交給視頻處理子系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶管理、視頻導(dǎo)入、視頻查看、視頻管理和日志記錄和故障點的自動判別等功能。

對于智能模式下采集的視頻圖像，首先對故障的顏色模型和形狀模型進(jìn)行預(yù)定義，通過對視頻中鄰近幀進(jìn)行相關(guān)性分析，對提取的多種特征進(jìn)行綜合判斷，最后做與故障相似物體的誤判斷分析，實現(xiàn)通過對不同時間、同一方位的井筒視頻圖像的特征值提取、比較，進(jìn)行智能判讀，自動發(fā)現(xiàn)、定位井筒某一區(qū)域的故障點。具體判別步驟如下。

(1)故障的顏色模型的定義。顏色是故障的重要特征之一。首先選擇一系列有代表性的礦井故障圖片，獲取足夠多的不同故障區(qū)域中的像素點，以這些點的顏色值作為故障顏色空間的采樣樣本。將樣本數(shù)據(jù)做成表格，在判斷某個像素點是否為故障時，計算表格中每個樣本點與待判別像素點之間在顏色空間中的三維距離，統(tǒng)計距離小于一定閾值的樣本點的個數(shù)，若個數(shù)較多，可認(rèn)為該像素點屬于故障區(qū)域。

(2)故障的形狀模型的定義?；陬伾指詈蟮玫降墓收系膮^(qū)域，可以計算出故障的形狀特征，例如故障的位置、面積、半徑、方向、重心、圓形度、層次結(jié)構(gòu)等等。考慮到礦井故障的實際情況，只選擇那些相對穩(wěn)定的形狀特征。位置由包圍故障像素點的矩形框確定，故障面積可由故障像素點的總數(shù)表示，故障輪廓可由故障區(qū)域邊緣的邊界鏈碼給出，而表示物體形狀復(fù)雜程度的圓形度可定義為故障輪廓周長的平方與故障面積的比值。即使在圖像或視頻質(zhì)量較差的情況下，這些特征值仍然能夠大致描述故障的形狀。

(3)視頻中鄰近幀圖片的相關(guān)性分析。通過對視頻中鄰近幀圖片的相關(guān)性分析，得到故障信息的變化趨勢與運動特征。以初始幀為參考圖像，依次計算后繼幀與參考幀之間的差別，如果差別超過預(yù)定的閾值，則將當(dāng)前幀之前的系列圖像作為一個片段，并從當(dāng)前幀開始計算另一個新的片段。把視頻分割成為眾多片段后，再根據(jù)片段之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行聚類操作，從而得到若干有意義的場景。

(4)與故障相似物體的誤判斷分析。經(jīng)過多特征綜合判斷后，仍然會有個別誤判現(xiàn)象。考慮到這種情況非常少，系統(tǒng)將為這樣的個例單獨建立一個樣本數(shù)據(jù)庫，庫中的樣本將突出個例與待識別對象之間的細(xì)微差別，例如除了顏色與形狀外的紋理特征。對于所有被判斷為故障的區(qū)域，與個例樣本數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，以進(jìn)一步判斷是故障還是其他相似物，可以減少誤判，提高故障識別的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)與現(xiàn)代化視頻圖像處理技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到井筒監(jiān)測中，研發(fā)了一套對礦山井筒設(shè)施及生產(chǎn)狀況進(jìn)行安全監(jiān)測的智能系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)的人工檢查。前端視頻采集裝置實時采集、存儲及管理圖像視頻信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛娼邮昭b置進(jìn)行實時監(jiān)測，方便用戶查看每次監(jiān)測的視頻圖像，并通過對視頻數(shù)據(jù)深加工，進(jìn)而實現(xiàn)智能識別、定位故障點等功能。該系統(tǒng)操作方便、技術(shù)先進(jìn)，可為礦山井筒安全生產(chǎn)、故障監(jiān)測提供全方面的有力保障。

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