基于視頻監(jiān)控的輸送機(jī)運(yùn)量監(jiān)視及調(diào)速系統(tǒng)的研究

周密林

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原030006）

隨著煤礦井下綜采自動(dòng)化水平的不斷增加，煤炭生產(chǎn)效率迅速提升，為了滿足井下煤炭的運(yùn)量要求，越來(lái)越多的輸送機(jī)開(kāi)始向著高帶速的方向發(fā)展。由于輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)的煤炭的運(yùn)輸量在不同的時(shí)間呈現(xiàn)出了不均勻性，輸送機(jī)長(zhǎng)期在高帶速下運(yùn)行不僅導(dǎo)致耗費(fèi)大量的電力資源而且加速了帶式輸送機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的磨損，給輸送機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了極大的安全隱患。因此迫切需要一種根據(jù)輸送機(jī)上物料的輸送量來(lái)對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)，本文根據(jù)長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)及理論分析，提出了利用煤礦井下現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)輸送帶上運(yùn)輸?shù)拿禾康闹亓窟M(jìn)行模糊計(jì)算[1]，獲取其承載分支的煤寬比，由輸送量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率的調(diào)整，靈活地調(diào)整輸送機(jī)在運(yùn)行時(shí)的速度。該方案以在某礦實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行三個(gè)月，極大降低了輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的電能消耗，提升了其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

1 煤量監(jiān)測(cè)與調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于視頻監(jiān)控的帶式輸送機(jī)煤量監(jiān)測(cè)與調(diào)速系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 基于視頻監(jiān)控的煤量監(jiān)測(cè)與調(diào)速系統(tǒng)示意圖

由圖1可知，該控制系統(tǒng)整體包括數(shù)字視頻監(jiān)控、輸送機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)及中央控制計(jì)算機(jī)組成，本文以某礦的12306巷道內(nèi)設(shè)置的十采一橫帶式輸送機(jī)系統(tǒng)為對(duì)象，通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的煤量情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置時(shí)為了確保對(duì)煤量監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，需將監(jiān)控設(shè)備設(shè)置在輸送機(jī)端部約40 m的位置，確保當(dāng)輸送機(jī)帶速突然增加時(shí)所帶來(lái)的視頻信號(hào)滯后現(xiàn)象，同時(shí)在輸送帶上方以30°的傾角設(shè)置照明設(shè)備，滿足對(duì)煤炭運(yùn)量的監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)完成后利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)煤炭的運(yùn)量進(jìn)行模糊處理計(jì)算，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的煤量、帶式對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)輸送機(jī)的帶速控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足輸送機(jī)在不同運(yùn)量下的變速運(yùn)行要求。

2 煤量模糊識(shí)別

為了實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)視頻監(jiān)控結(jié)果自動(dòng)對(duì)輸送帶上所運(yùn)輸?shù)拿毫康淖詣?dòng)計(jì)算，本文提出了一種新的視頻數(shù)據(jù)提取理論，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為[3]：

式中：σ（x，y）為在處（x，y），視頻監(jiān)控的多幀圖像上像素值的標(biāo)準(zhǔn)差；x（x，yt0）為在（x，y）處，各視頻監(jiān)控圖幅上的像素值；x為在（x，y）處的各點(diǎn)在多幀圖像上像素值的平均值；n為同一組處理數(shù)據(jù)中的圖像的點(diǎn)數(shù)。

由式（1）可知，σ（x，y）實(shí)際上反應(yīng)了在nT時(shí)間段內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)所采集到的圖像上在任一位置（x，y）處的像素值相對(duì)于像素均值的變化情況。由分析可得，在監(jiān)控過(guò)程中煤炭區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間上變化很大，通過(guò)對(duì)（x，y）所處的圖像的非煤炭的邊界區(qū)域的判斷即可實(shí)現(xiàn)初步的對(duì)輸送帶上所堆積的煤炭邊緣的確定。進(jìn)而根據(jù)所分析的煤炭邊緣，再根據(jù)幾何矩陣的模糊化邏輯處理即可獲得在監(jiān)控過(guò)程中輸送帶上煤炭輸送量的變化情況。在進(jìn)行數(shù)據(jù)換算時(shí)，首先將監(jiān)控視頻中的圖像數(shù)據(jù)按照識(shí)別的像素放入特定的隊(duì)列中，然后將該組數(shù)據(jù)中所有的像素點(diǎn)的像素值組成一個(gè)數(shù)據(jù)序列，依次進(jìn)行濾波、邊緣檢測(cè)等，最后再?gòu)囊曨l信息中讀取一幀圖像放入到該隊(duì)列內(nèi)，對(duì)其邊界提取進(jìn)行復(fù)測(cè)。

輸送帶上煤炭的模糊判斷時(shí)煤炭在輸送帶上的堆積如圖2所示。

圖2 煤炭堆積形狀示意圖

在實(shí)際工作中在物料的作用下輸送帶會(huì)下垂，其垂度的大小與運(yùn)輸?shù)拿禾苛砍收汝P(guān)系，則其運(yùn)輸?shù)拿禾苛靠杀硎緸閇4]：

式中：Q為運(yùn)煤量；k為煤炭的煤量系數(shù)；P為帶式輸送機(jī)的輸送帶的形狀系數(shù)；Bm為輸送帶上的煤炭的堆積寬度；Vs為帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際的帶速；Vs為輸送機(jī)的額定帶速；Bd為輸送帶的接觸煤炭部分的帶寬；Bs為帶式輸送機(jī)輸送帶的帶寬。

根據(jù)煤炭輸送量對(duì)輸送機(jī)的帶速進(jìn)行調(diào)節(jié)的基本依據(jù)是在確保煤炭運(yùn)輸過(guò)程中不散落的基礎(chǔ)上降低帶式輸送機(jī)的速度，盡量降低輸送機(jī)的帶速，增加對(duì)煤炭的運(yùn)輸量，當(dāng)煤炭運(yùn)量減少時(shí)則可以調(diào)整帶速，滿足高帶速的運(yùn)輸要求。因此可獲取不同煤量情況下的帶速曲線如圖3所示。

圖3 煤量和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

3 煤量監(jiān)測(cè)與調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

為了對(duì)該煤量監(jiān)測(cè)與調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行研究，本文以某礦12306巷道內(nèi)設(shè)置的十采一橫帶式輸送機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)輸送機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的視頻監(jiān)測(cè)和調(diào)速情況進(jìn)行研究，其視頻監(jiān)測(cè)如圖4所示。

在應(yīng)用時(shí)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)及調(diào)速曲線變化如圖5所示。

圖4 輸送機(jī)物料傳輸視頻監(jiān)控系統(tǒng)

圖5 輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)的煤寬比和調(diào)速曲線

通過(guò)對(duì)實(shí)際應(yīng)用效果的分析，該系統(tǒng)的投入使用使其對(duì)輸送帶上煤炭運(yùn)量的估算誤差保持在6%以內(nèi)，能夠根據(jù)煤量的變化對(duì)輸送機(jī)的運(yùn)行輸?shù)倪M(jìn)行精確調(diào)整，使運(yùn)輸過(guò)程中的輸送機(jī)的平均帶速降低了11%左右，精度高，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性好。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)基于視頻監(jiān)測(cè)的帶式輸送機(jī)煤量監(jiān)測(cè)與調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用原理的分析，闡述了其理論可行性，通過(guò)對(duì)其在煤礦上實(shí)際應(yīng)用效果的分析，表明：

1）該系統(tǒng)能夠利用煤礦現(xiàn)有的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行物料運(yùn)輸量的模糊計(jì)算，估算誤差能夠保持在6%以內(nèi)，精度高，可靠性好。

2）該系統(tǒng)能夠根據(jù)輸送帶上的物料情況實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)帶速的靈活調(diào)節(jié)，使運(yùn)輸過(guò)程中的輸送機(jī)的平均帶速降低了11%左右，精度高，調(diào)節(jié)穩(wěn)定性好。