輸煤皮帶機現(xiàn)場智能檢測保護系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

楊勇

0 概述

目前火電廠輸煤系統(tǒng)現(xiàn)場安裝的保護裝置有：①急停按鈕和事故拉繩開關(guān)、②速度打滑開關(guān)、③二級跑偏開關(guān)和④頭部落煤筒堵煤開關(guān)。

由于生產(chǎn)環(huán)境潮濕且灰塵大，加上開關(guān)磨損，致使其實用壽命嚴重縮短。生產(chǎn)環(huán)境粉塵很大，紅外類傳感器等無法正常工作。尤其當皮帶機上有異物（較多非鐵質(zhì)物體：若有木塊、石頭、鋁塊、動物或人）時，現(xiàn)有的設(shè)備均不能有效檢測，只能依靠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)攝像機監(jiān)控畫面，由值班員監(jiān)視視頻畫面來判斷皮帶機是否運行安全，因長時間重復勞動，很容易出現(xiàn)視覺疲勞，導致設(shè)備出現(xiàn)異常時，操作人員沒有及時停機，因此不能保證設(shè)備的安全運行。因此，急需一種既具備高可靠性，又可代替人工、自主完成檢測過程的新型安全防護裝置。

計算機視覺技術(shù)已在智能安防、人臉識別以及車牌識別等領(lǐng)域得到充分發(fā)展與應(yīng)用。其依靠智能的計算機視覺算法，可替代人工進行復雜的圖像識別和特征提取，本文將此類智能算法在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場展開應(yīng)用研究，論證了輸煤皮帶機現(xiàn)場智能檢測保護系統(tǒng)的理論依據(jù)。

1 項目的目的、意義

本文基于現(xiàn)階段國內(nèi)火電廠安全防護開關(guān)自動化程度低，重點布局國家大力倡導的“中國制造2025”中的智能電廠的系統(tǒng)解決方案，依賴浙江浙能溫州發(fā)電有限公司的工程經(jīng)驗與先進技術(shù)，針對火電行業(yè)輸煤皮帶系統(tǒng)落后的安全防護現(xiàn)狀，聯(lián)合有關(guān)高校，積極推進產(chǎn)學研合作，技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，創(chuàng)新商業(yè)模式，擬研制基于計算機視覺的輸煤皮帶機綜合防護裝置。

目前，隨著計算機視覺技術(shù)和圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，采用基于視覺檢測的方法，可以對傳送帶運行狀態(tài)進行智能監(jiān)視，保證傳送帶的安全運行，從而代替值班員的視頻監(jiān)視、分析和判斷功能，大大提高傳送帶運行的安全性。

國內(nèi)現(xiàn)有電廠、煤場中，輸煤系統(tǒng)采用程控系統(tǒng)遠方控制，安裝了完善的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但對皮帶的運行情況由值班員人工監(jiān)視和判斷，還沒有智能檢測保護系統(tǒng)的成功應(yīng)用案例。本項目通過研究輸煤皮帶的各種作業(yè)過程，分析過程的異常情況，開發(fā)相應(yīng)的智能檢測裝置，為整個輸煤皮帶作業(yè)安全運行提供可靠的管理、檢測手段，并為將來輸煤皮帶無人值守項目提供前提基礎(chǔ)。

2 項目立項的必要性及市場需求分析

2.1 項目技術(shù)攻關(guān)的必要性

利用本文的研究成果，提高輸煤皮帶運行的安全性和可靠性。輸煤皮帶智能檢測保護系統(tǒng)系統(tǒng)的應(yīng)用前景具體如下：

提高輸煤皮帶運行的安全性：由于人的主觀判斷很難保證準確性和正確性，尤其在長時間作業(yè)后，勞動強度較大，操作人員容易疲勞，尤其容易引起視覺疲勞而增加安全運行風險。通過輸煤皮帶智能檢測保護系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)輸煤皮帶運行中出現(xiàn)的問題，并聯(lián)動停機，代替值班員的人工監(jiān)視。

皮帶保護的高效性：智能檢測保護系統(tǒng)可以實現(xiàn)對每一條皮帶機每秒10次以上的跑偏、堵煤、異物分析和判斷。而人對于中等亮度的光刺激，視覺暫留時間約為0.05至0.2秒，也就是要實現(xiàn)類似功能，需要在每條皮帶配置1個值班員。而現(xiàn)在系統(tǒng)運行時1個值班員需要輪詢監(jiān)視10多條皮帶。

提高職業(yè)健康：通過智能檢測保護系統(tǒng)，可以大大降低值班員監(jiān)視皮帶上煤的工作強度，他們能更多的時間和精力處理配煤、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備效率等工作，從而提高值班員的職業(yè)健康。

2.2 項目的市場需求分析

電廠的輸煤系統(tǒng)，仍采用各式開關(guān)對輸煤系統(tǒng)進行監(jiān)控。如果采取本文所設(shè)計的智能識別傳感器，可完全替代現(xiàn)場繁多的各類開關(guān)，提高檢測效率，既節(jié)約成本的同時，減小了安裝與維護難度。

就整個火電行業(yè)來看，全國范圍內(nèi)分布著數(shù)以千計的火電廠，每個火電廠至少有一套輸煤系統(tǒng)，若每套輸煤系統(tǒng)安裝5套基于計算機視覺的綜合防護裝置，其市場潛力將十分巨大。

3 項目主要研究內(nèi)容

3.1 研究與開發(fā)內(nèi)容

系統(tǒng)主要功能包括：輸煤皮帶的跑偏檢測、堵煤檢測、異物（較多非鐵質(zhì)物體：若有木塊、石頭、鋁塊、動物或人）檢測、通過聲光報警并聯(lián)動停機，從而實現(xiàn)輸煤皮帶的安全運行。具體包含以下內(nèi)容：

皮帶跑偏檢測：在皮帶機頭部和尾部安裝視頻監(jiān)控裝置，并通過視頻分析，檢測皮帶機的運行狀態(tài)，當發(fā)生皮帶跑偏時，根據(jù)跑偏程度發(fā)出聲光報警或停機指令。

皮帶堵煤檢測：在皮帶機頭部正對落煤口安裝視頻監(jiān)控裝置，并通過視頻分析，檢測皮帶機的運行狀態(tài)，當發(fā)出堵煤、灑煤時，發(fā)出聲光報警和停機指令。

皮帶異物檢測：在皮帶機頭部逆煤流方向，考慮輸煤棧橋內(nèi)的空間，安裝視頻監(jiān)控裝置并盡可能覆蓋范圍廣，并通過視頻分析，檢測皮帶機的運行狀態(tài)，當皮帶上異物（較多非鐵質(zhì)物體：若有木塊、石頭、鋁塊、動物或人），發(fā)出聲光報警和停機指令。

皮帶現(xiàn)場智能檢測保護系統(tǒng)：建立無線網(wǎng)絡(luò)和圖像服務(wù)器，檢測裝置可以將圖像狀態(tài)實時送到服務(wù)器，服務(wù)器記錄全部工作過程。當檢測裝置發(fā)出動作信號后，將動作的詳細狀態(tài)和圖像發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器可以記錄動作的詳細狀態(tài)。

3.2 項目的技術(shù)關(guān)鍵，包括技術(shù)難點、創(chuàng)新點

基于光流法的輸煤皮帶跑偏檢測技術(shù)

給圖像中的每個像素點賦予一個速度矢量，這樣就形成了一個運動矢量場。在某一特定時刻，圖像上的點與三維物體上的點一一對應(yīng)，這種對應(yīng)關(guān)系可以通過投影來計算得到。根據(jù)各個像素點的速度矢量特征，可以對圖像進行動態(tài)分析。如果圖像中沒有運動目標，則光流矢量在整個圖像區(qū)域是連續(xù)變化的。當圖像中有運動物體時，目標和背景存在著相對運動。運動物體所形成的速度矢量必然和背景的速度矢量有所不同，便可計算出運動物體的位置。

基于背景更新的輸煤皮帶堵煤檢測技術(shù)

首先利用一段時間內(nèi)的視頻圖像序列積累初始背景；然后對視頻序列中新的一幀圖像利用單高斯背景減法進行變化區(qū)域檢測，獲得前景圖像并對背景進行更新；最后將得到的前景圖像采用形態(tài)學閉運算進行必要的后處理，得到完整的堵煤區(qū)域目標。由于堵煤是一個隨時間累積的過程，因此可以間隔固定時長來選取視頻幀進行堵煤的檢測。

基于聯(lián)合信息的前景的輸煤皮帶異物檢測技術(shù)

一種基于IFCM（Improved Fuzzy C-Means）聚類算法的自適應(yīng)背景建模與更新方法，構(gòu)建了魯棒的背景模型；再基于背景差分、幀間差分和空間領(lǐng)域信息的聯(lián)合信息的前景檢測算法，計算出皮帶上物體的面積，在根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的異物面積標準，最終判斷出皮帶上是否有異物。

4 技術(shù)、經(jīng)濟效益、市場風險分析

4.1 技術(shù)經(jīng)濟效益分析（含經(jīng)濟效益、社會效益）

經(jīng)濟效益

因本系統(tǒng)的檢測采用不接觸的視頻模式，而傳統(tǒng)的跑偏和堵煤均采用接觸式安裝，使用壽命一般在3-5年，到期后需要整體更換；傳統(tǒng)設(shè)備需要檢修人員定期進行維護；傳統(tǒng)設(shè)備采用電纜進行信號傳輸，需要定期進行檢修。本系統(tǒng)采用非接觸式檢測，并采用無線通信，可以節(jié)約設(shè)備定期更換和定期維護的人力。

安全效益

通過跑偏檢測、堵煤檢測、異物檢測系統(tǒng)，為皮帶運行提供了安全保障，確保輸煤作業(yè)安全。

健康效益

通過智能檢測系統(tǒng)，大大降低值班員工作強度，提高一線作業(yè)人員的健康。

社會效益

目前輸煤皮帶使用非常廣泛。本系統(tǒng)的投入使用能夠是輸煤皮帶的保護上一個新的臺階，提高了皮帶機的運行安全，更好地適應(yīng)社會需求，具有較大的社會效益。

4.2 推廣應(yīng)用前景分析（含產(chǎn)業(yè)化可行性）

伴隨著國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，電力企業(yè)必須保障電力的穩(wěn)定供應(yīng)，因此，電廠輸煤系統(tǒng)的可靠運行顯得尤為重要。以每個電廠的輸煤系統(tǒng)配備5臺智能防護系統(tǒng)，那么全國僅火電行業(yè)就需要近萬臺，市場潛力巨大。因本文所研究的智能防護系統(tǒng)可推廣至其他工礦企業(yè)，其市場價值和經(jīng)濟效益更是難以估量。

5 總結(jié)

本文所提出的輸煤皮帶機現(xiàn)場智能檢測保護系統(tǒng)的必要性及市場需求分析合理，項目推廣應(yīng)用前景較好。結(jié)合先進的計算機視覺智能算法，可有效實現(xiàn)輸煤現(xiàn)場的綜合保護，具有較高的應(yīng)用價值。endprint