選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)監(jiān)控

田軍， 李明， 姜瑾， 朱美強(qiáng)， 雷萌

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221116)

0 引言

隨著選煤技術(shù)的發(fā)展與選煤工藝的改進(jìn)，選煤廠逐漸實(shí)現(xiàn)了對(duì)選煤設(shè)備的集中控制，提高了自動(dòng)化水平。在選煤生產(chǎn)流程中，水泵閥門是一種重要的操作裝置，主要有球形閥和閘板閥。球形閥是一種易于控制開(kāi)度的裝置，已納入選煤廠集中控制系統(tǒng)。閘板閥由閘板、閘板連接桿和閘板驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成，主要由現(xiàn)場(chǎng)人員手動(dòng)操作閘閥控制器來(lái)調(diào)整閘板閥開(kāi)度，再通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)粗略確認(rèn)閘板狀態(tài)，所以未能納入選煤廠集中控制系統(tǒng)。

隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)廣泛應(yīng)用于煤炭體積測(cè)量[1]、膠帶測(cè)速[2]、礦石細(xì)粒在線估計(jì)[3]等。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)閘板閥運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而將閘板閥納入選煤廠集中控制系統(tǒng)是一種可行的方法。然而選煤廠生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)較差，環(huán)境光線隨時(shí)間和天氣的變化而變化，通過(guò)監(jiān)控設(shè)備采集的視頻圖像亮度變化跨度大、對(duì)比度低、灰度化嚴(yán)重，采用傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)方法對(duì)視頻圖像進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在魯棒性差的缺點(diǎn)[4-6]。線激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高、價(jià)格低等特點(diǎn)[7-9]，因此本文提出了一種選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)監(jiān)控方法。通過(guò)添加線激光來(lái)突顯視頻監(jiān)控系統(tǒng)所采集圖像中目標(biāo)的特征信息，經(jīng)過(guò)圖像處理獲得閘板閥開(kāi)度，并通過(guò)PLC集中控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閘板閥開(kāi)度的閉環(huán)控制。

1 選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)監(jiān)控原理

選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)檢測(cè)裝置如圖1所示。線激光發(fā)射器采用便攜式一字線定位激光器，輸出特定波長(zhǎng)與顏色的激光，管芯功率≤30 mW，工作電壓為DC5 V。線激光發(fā)射器通過(guò)萬(wàn)向架固定于閘板上方約50 cm處供水管道上，通過(guò)調(diào)整萬(wàn)向架，將線激光投射到閘板上表面。

圖1 選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)檢測(cè)裝置Fig.1 Line laser assisted visual detection device for opening of water plug-in gate valve in coal preparation plant

選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)監(jiān)控原理如圖2所示。監(jiān)控?cái)z像頭采集的水泵閘板閥視頻圖像經(jīng)視頻服務(wù)器傳輸至水泵閘板閥監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理后獲得線激光的位置及長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)閘板閥開(kāi)度檢測(cè)；PLC集中控制系統(tǒng)上位機(jī)接收水泵閘板閥監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)發(fā)送的閘板閥開(kāi)度檢測(cè)值，并與閘板閥開(kāi)度設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果向PLC操作系統(tǒng)發(fā)送控制指令，由PLC操作系統(tǒng)發(fā)送操作信號(hào)給閘板驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而控制閘板閥開(kāi)度。

圖2 選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)監(jiān)控原理Fig.2 Principle of line laser assisted visual monitoring for opening of water plug-in gate valve in coal preparation plant

2 選煤廠水泵閘板閥定位與開(kāi)度檢測(cè)

選煤廠水泵閘板閥所在環(huán)境復(fù)雜，采集的圖像背景干擾很多，因此需要先采用模板匹配法在原始圖像上尋找閘板閥大致活動(dòng)區(qū)域，對(duì)閘板閥進(jìn)行定位；再采用自適應(yīng)閾值法檢測(cè)出投射到閘板上的線激光，根據(jù)得到的線激光位置及長(zhǎng)度對(duì)閘板閥開(kāi)度進(jìn)行檢測(cè)。

2.1 閘板閥定位

模板匹配法是經(jīng)典圖像處理中最常用的目標(biāo)檢測(cè)方法[10-12]，其原理是通過(guò)像素對(duì)比找出原始圖像中與模板圖像最相似的區(qū)域。具體步驟：將模板圖像在原始圖像中從左向右、從上到下逐像素點(diǎn)滑動(dòng)，每滑動(dòng)1次，從原始圖像中截取與模板圖像相同大小的子圖像，并將子圖像與模板圖像進(jìn)行像素比較運(yùn)算，得到對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)；待模板圖像遍歷整個(gè)原始圖像后，相關(guān)系數(shù)最大的子圖像即為最佳匹配區(qū)域[13]。

設(shè)原始圖像S大小為W×H，模板圖像T大小為w×h，模板圖像在原始圖像上對(duì)應(yīng)的子圖像為Sij，子圖像左上角像素點(diǎn)坐標(biāo)為(i，j)。模板匹配原理如圖3所示。

模板圖像T與子圖像Sij的相似程度用匹配度來(lái)表示：

(a) 原始圖像S

(1)

式中：M，N分別為模板圖像水平、垂直方向像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；Sij(m，n)，T(m，n)分別為子圖像Sij、模板圖像T中坐標(biāo)為(m，n)的像素點(diǎn)像素值。

對(duì)匹配度D(i，j)進(jìn)行歸一化，得到相關(guān)系數(shù)：

R(i,j)=

(2)

相關(guān)系數(shù)R(i，j)越大，表示模板圖像T和子圖像Sij的相似程度越高，當(dāng)模板圖像T與子圖像Sij完全相同時(shí)，R(i，j)=1。

本文選取背景亮度正常、閘板閥半開(kāi)狀態(tài)下的圖像，并截取閘板和閘板連接桿可視輪廓最大區(qū)域作為模板圖像，將監(jiān)控?cái)z像頭采集的視頻圖像按幀截取作為原始圖像輸入，利用模板匹配法找到閘板閥在原始圖像中的大致區(qū)域并截圖提取，實(shí)現(xiàn)閘板閥定位。

2.2 閘板閥開(kāi)度檢測(cè)

閾值法是經(jīng)典的圖像分割算法，其原理是通過(guò)設(shè)置閾值，將圖像像素點(diǎn)分為若干類，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)與背景的分離[14]。

設(shè)給定圖像為f，K為閾值，則分割圖像g滿足：

(3)

式中g(shù)(x，y)，f(x，y)分別為分割圖像g、給定圖像f中坐標(biāo)為(x，y)的像素點(diǎn)像素值。

在實(shí)際圖像處理過(guò)程中，圖像背景的像素值受環(huán)境影響而變化，單一閾值分割效果會(huì)受到影響，因此需要將閾值取成隨圖像區(qū)域位置變化而變化的函數(shù)值，即自適應(yīng)閾值[15]。自適應(yīng)閾值主要通過(guò)計(jì)算中心像素點(diǎn)周圍一定區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的加權(quán)平均值得到，比較常用的方法是根據(jù)高斯函數(shù)按照像素點(diǎn)與中心像素點(diǎn)的距離進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。

將定位提取的圖像作為輸入，先利用自適應(yīng)閾值法檢測(cè)圖像中的線激光；再通過(guò)腐蝕、膨脹等形態(tài)學(xué)操作，使閘板上的線激光相鄰斷開(kāi)區(qū)域連接，同時(shí)采用高斯濾波方法去除圖像噪聲，得到完整的線激光；最后根據(jù)得到的線激光位置及長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)閘板閥開(kāi)度檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)圖像處理主要在處理器為Intel(R) Core(TM) i7-8750H CPU @2.20 GHz、內(nèi)存為16 GB的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，運(yùn)行環(huán)境為64位Win10操作系統(tǒng)，編程環(huán)境為配置OpenCV-3.4.8的JetBrains PyCharm 2019.3開(kāi)發(fā)平臺(tái)，代碼采用Python語(yǔ)言編寫(xiě)。

圖像背景較暗條件下水泵閘板閥定位結(jié)果如圖4所示?？煽闯鰶](méi)有添加線激光時(shí)，圖像中閘板閥與背景差別較小，難以準(zhǔn)確定位閘板閥；添加線激光后，增加了圖像中目標(biāo)的特征信息，有利于準(zhǔn)確定位閘板閥。

(a) 無(wú)線激光

水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助檢測(cè)結(jié)果如圖5所示(左側(cè)圖像為原始圖像，右側(cè)圖像為檢測(cè)圖像)，可看出在不同圖像背景亮度條件下，投射到閘板上的線激光均可較好地指示閘板閥開(kāi)度狀態(tài)。

不同條件下水泵閘板閥開(kāi)度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。可看出沒(méi)有添加線激光時(shí)，僅可檢測(cè)出背景亮度正常時(shí)閘板閥開(kāi)度且檢測(cè)效果一般，而幾乎無(wú)法檢測(cè)出背景亮度較亮或較暗時(shí)閘板閥開(kāi)度；添加線激光后，可準(zhǔn)確檢測(cè)出不同背景亮度下的閘板閥開(kāi)度。這是由于在沒(méi)有添加線激光時(shí)，當(dāng)閘板閥處于全開(kāi)或半開(kāi)狀態(tài)，閘板表面反光部分不均勻，圖像噪聲較多，噪點(diǎn)對(duì)閘板邊緣干擾嚴(yán)重，影響閘板閥開(kāi)度檢測(cè)效果；添加線激光后，線激光會(huì)抑制圖像中噪點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵信息的影響，且線激光的長(zhǎng)度和位置信息可更直觀、準(zhǔn)確地反映閘板位置，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)線激光即可獲得閘板閥開(kāi)度狀態(tài)。

表1 不同條件下水泵閘板閥開(kāi)度檢測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of test results of opening of water plug-in gate valve under different conditions

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種選煤廠水泵閘板閥開(kāi)度線激光輔助視覺(jué)監(jiān)控方法。通過(guò)添加線激光來(lái)增加目標(biāo)檢測(cè)特征，并利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集閘板閥圖像；采用模板匹配法對(duì)圖像中目標(biāo)進(jìn)行定位，再利用自適應(yīng)閾值法檢測(cè)圖像中線激光位置及長(zhǎng)度，從而獲得閘板閥開(kāi)度；PLC集中控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比閘板閥開(kāi)度檢測(cè)值與設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)閘板閥開(kāi)度的閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在不同背景亮度條件下，均可準(zhǔn)確定位閘板閥，提高了閘板閥開(kāi)度檢測(cè)準(zhǔn)確性。