煤礦開采用掘進(jìn)機(jī)人員識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李宏偉

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

掘進(jìn)機(jī)的主要用途就是煤礦巷道掘進(jìn)、公路隧道掘進(jìn)等，隨著我國(guó)煤礦綜采工作規(guī)模和數(shù)量進(jìn)一步擴(kuò)大，掘進(jìn)機(jī)也在朝著大型化和重型化的方向發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)操作人員的視野盲區(qū)就會(huì)增大，司機(jī)無(wú)法觀察到位于掘進(jìn)機(jī)尾部后方工作人員的位置，就給施工帶來(lái)了很多安全隱患。

1 掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的工作盲區(qū)

就目前煤礦開采工作來(lái)看，所使用的掘進(jìn)機(jī)整機(jī)高度都在2米以上，寬度都大于3米，由此可見，掘進(jìn)機(jī)的高度都比正常成年的身高要高，位于掘進(jìn)機(jī)右側(cè)的司機(jī)在進(jìn)行操作的時(shí)候，無(wú)法通過(guò)自身能力觀察到位于掘進(jìn)機(jī)左側(cè)的施工人員，由此可見，掘進(jìn)機(jī)在左右擺動(dòng)的時(shí)候，十分容易引發(fā)擠壓事故，造成人員傷亡的情況：（1）掘進(jìn)機(jī)司機(jī)前方視野盲區(qū)：前方視覺(jué)盲區(qū)一般都位于掘進(jìn)機(jī)截割部懸臂段下部和鏟板之間的夾角區(qū)域，掘進(jìn)機(jī)在施工作業(yè)的時(shí)候，在掘進(jìn)機(jī)前方不會(huì)出現(xiàn)相關(guān)工作人員。但是，在維修和檢查掘進(jìn)機(jī)設(shè)備和零部件的時(shí)候，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)無(wú)法發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的工作人員，就會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)盲區(qū)；（2）掘進(jìn)機(jī)司機(jī)側(cè)方視野盲區(qū)：側(cè)方視野盲區(qū)一般都位于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)為對(duì)策的掘進(jìn)機(jī)和巷道壁之間的區(qū)域。如果這個(gè)區(qū)域有施工人員進(jìn)行活動(dòng)，一般來(lái)說(shuō)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)無(wú)法察覺(jué)，也就形成了視野盲區(qū)，尤其是在井下煤礦開采的過(guò)程當(dāng)中，在環(huán)境昏暗、塵土飛揚(yáng)的情況下，加大了擠壓事故發(fā)生的概率；（3）掘進(jìn)機(jī)司機(jī)后方視野盲區(qū)：后方視野盲區(qū)位于掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的后方區(qū)域，這片區(qū)域有皮帶轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)，也有大量的工作人員進(jìn)行活動(dòng)，最危險(xiǎn)的區(qū)域就是掘進(jìn)機(jī)尾部和皮帶轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)連接的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域會(huì)經(jīng)常有相關(guān)人員清理掉落的煤灰，但是，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)又看不到，容易形成盲區(qū)。

圖1

2 掘進(jìn)機(jī)人員識(shí)別系統(tǒng)的組成

如圖1所示，該系統(tǒng)采用了本質(zhì)安全性電源，利用隔離器隔離后為攝像頭和CPE進(jìn)行供電，攝像頭采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后就可以對(duì)掘進(jìn)機(jī)周圍的人員進(jìn)行識(shí)別，然后，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)隔離器傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)。

2.1 人員識(shí)別系統(tǒng)攝像頭的設(shè)計(jì)

作為人臉圖像采集的主要部件，在掘進(jìn)機(jī)上需要安裝攝像頭，攝像頭需要具備防爆屬性，以提升其安全性。除此之外，在井下煤礦開采的過(guò)程當(dāng)中，開采環(huán)境粉塵較多，容易弄臟攝像頭的鏡片，導(dǎo)致攝像頭無(wú)法對(duì)周圍人員進(jìn)行正常識(shí)別，因此，要對(duì)人員識(shí)別系統(tǒng)的攝像頭做好隔爆和防塵保護(hù)，保證攝像頭的作用能夠得到最大化發(fā)揮。掘進(jìn)機(jī)隔爆型攝像頭主要是由攝像機(jī)、隔爆箱、以及帶有自動(dòng)清洗功能的玻璃窗組成的。其中，具有自動(dòng)清洗功能的玻璃窗能夠通過(guò)遙控實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自我清洗，消除其表面的灰塵，減少粉塵給攝像頭人員識(shí)別帶來(lái)的影響。

2.2 攝像頭的布置

根據(jù)不同的視覺(jué)盲區(qū)需要合理進(jìn)行攝像頭的布置。掘進(jìn)機(jī)前方視覺(jué)盲區(qū)的攝像頭應(yīng)該放置于掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)下方的機(jī)架側(cè)面，這樣既能夠觀察到司機(jī)的視野盲區(qū)，又能夠讓攝像頭受到回轉(zhuǎn)臺(tái)的保護(hù)，避免被不慎掉落的煤渣、巖石砸壞。前方視覺(jué)盲區(qū)攝像頭布置如圖2所示。

圖2

掘進(jìn)機(jī)側(cè)方的視覺(jué)盲區(qū)攝像頭應(yīng)該設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)司機(jī)側(cè)對(duì)側(cè)的整機(jī)護(hù)板下方，這樣能夠作為司機(jī)視野的延伸，讓司機(jī)觀察的范圍更廣，同樣，也能夠讓攝像頭處于被保護(hù)的狀態(tài)，不會(huì)被外力因素破壞。側(cè)方視覺(jué)盲區(qū)攝像頭的安裝位置如圖3所示。

由于受到刮板運(yùn)輸機(jī)的遮擋，掘進(jìn)機(jī)的后方視野盲區(qū)攝像頭的放置位置應(yīng)該在掘進(jìn)機(jī)尾部?jī)蓚?cè)的整機(jī)護(hù)板下方，能夠保證識(shí)別到周圍的工作人員，同時(shí)，保證了人員的安全，在方便掘進(jìn)機(jī)司機(jī)觀察后方情況的同時(shí)，也能夠保護(hù)攝像頭不被破壞。掘進(jìn)機(jī)后方視野盲區(qū)攝像頭的安裝位置如圖6所示。

2.3 攝像頭的隔振

在煤礦開采作業(yè)的過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)在施工作業(yè)時(shí)，往往會(huì)伴隨強(qiáng)烈的震動(dòng)，尤其是掘進(jìn)機(jī)的后方區(qū)域，震動(dòng)會(huì)更加強(qiáng)烈，在考慮安置攝像頭的時(shí)候，應(yīng)該充分考慮到巨大震動(dòng)給攝像頭人員識(shí)別帶來(lái)的影響，就需要一定的技術(shù)來(lái)降低震動(dòng)給攝像頭帶來(lái)的影響，盡可能地消除外部因素干擾，確保攝像頭處于良好的工作狀態(tài)，為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)提供視野，避免人員傷亡的情況發(fā)生?？梢钥紤]采用橡膠減震墊來(lái)減震，好處在于，橡膠材料的彈性大、減震效果十分明顯，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，能節(jié)省成本。

3 人員識(shí)別系統(tǒng)圖像識(shí)別處理

3.1 人臉的檢測(cè)

人臉檢測(cè)主要是利用攝像頭對(duì)人臉部的顏色、結(jié)構(gòu)、模板等特征信息的提取，對(duì)人臉進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，方便掘進(jìn)機(jī)司機(jī)確定機(jī)器周圍人員的位置。

圖3

3.2 檢測(cè)后圖像預(yù)處理

人員識(shí)別系統(tǒng)所獲得的圖像容易受到各種外部因素的制約和限制，因此，剛采集到的圖像不能夠被直接利用，需要在早期階段對(duì)圖像進(jìn)行各種形式上的處理，包括噪聲過(guò)濾、灰度校正等。常用的人臉圖像預(yù)處理方式包括灰度變換、歸一化、幾何校正等。

3.3 圖像的特征提取

人員識(shí)別系統(tǒng)的圖像特征提取指的就是，要對(duì)人臉像素統(tǒng)計(jì)特征、圖像變換系數(shù)特征等進(jìn)行提取，就是利用識(shí)別系統(tǒng)來(lái)建立人臉的立體模型，利用代數(shù)或者統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的方式完成人臉特征提取，保證了提取的效率和質(zhì)量，讓掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能夠第一時(shí)間了解設(shè)備周圍是否存在工作人員，以免出現(xiàn)人員傷亡的情況。

3.4 圖像的識(shí)別和匹配

在對(duì)人臉特征進(jìn)行識(shí)別后，就需要進(jìn)行匹配，把提取得到的人臉特征模型和系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，圖像識(shí)別一般可以分為兩種：一類為辨認(rèn)，就是對(duì)圖像進(jìn)行一對(duì)多匹配；另一類為確認(rèn)，就是對(duì)圖像進(jìn)行一對(duì)一的比對(duì)。

4 掘進(jìn)機(jī)人員識(shí)別系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題

就目前人員識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面來(lái)看，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成效，但是，在井下煤礦開采的過(guò)程中，特別是掘進(jìn)機(jī)人員識(shí)別系統(tǒng)，還存在方方面面的難題，其中主要表現(xiàn)在：（1）井下煤礦開采工作所面臨的的環(huán)境比較昏暗，可見度較低，沒(méi)有充足光線，大大影響了掘進(jìn)機(jī)人員識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性；（2）煤礦巷道掘進(jìn)主要分為兩個(gè)流程：掘進(jìn)和錨護(hù)，在開展錨護(hù)工作的時(shí)候，巷道粉塵比較小，能見度高，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能夠通過(guò)人員識(shí)別系統(tǒng)察覺(jué)到掘進(jìn)機(jī)周圍的工作人員，但是，在掘進(jìn)工作開展的過(guò)程中，往往就會(huì)出現(xiàn)塵土飛揚(yáng)的情況，給人員識(shí)別系統(tǒng)帶來(lái)了較大麻煩。

因此，就需要改進(jìn)人員識(shí)別系統(tǒng)在復(fù)雜情況下的功能性，使其更好地為掘進(jìn)機(jī)司機(jī)提供視野，保證井下煤礦開采工作的安全性。具體的研究方法如下：

首先，在目前PF視頻目標(biāo)跟蹤的研究過(guò)程中，大多數(shù)都是通過(guò)設(shè)置假定系統(tǒng)，來(lái)滿足一定條件下的運(yùn)動(dòng)模型，但是，在模型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，沒(méi)有考慮誤差問(wèn)題。因?yàn)樵趯?shí)際工作中，誤差會(huì)讓系統(tǒng)模型出現(xiàn)漂移情況，導(dǎo)致預(yù)先設(shè)定的噪聲不存在可信度，模型擬合度會(huì)大幅度下降，讓人員識(shí)別系統(tǒng)的定位功能得不到很好展現(xiàn)；其次，如果在跟蹤的過(guò)程中出現(xiàn)了遮擋情況，這時(shí)候，人員識(shí)別系統(tǒng)能夠提取到的特征就很少，會(huì)讓掘進(jìn)機(jī)司機(jī)出現(xiàn)誤判；對(duì)于完全遮擋的情況，觀測(cè)噪聲的協(xié)方差遠(yuǎn)大于系統(tǒng)過(guò)程噪聲的協(xié)方差。如何建立估計(jì)表達(dá)式，來(lái)把兩者的協(xié)方差值和最終結(jié)果進(jìn)行折中處理，是需要解決的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)煤礦開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多工作逐漸走向了自動(dòng)化、智能化，利用掘進(jìn)機(jī)人員識(shí)別系統(tǒng)來(lái)保證掘進(jìn)機(jī)周圍人員的安全，能夠盡可能地避免安全事故的發(fā)生，也考慮到了井下作業(yè)環(huán)境影響等因素，提出了有針對(duì)性的改進(jìn)計(jì)劃。