煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測方法設(shè)計(jì)

張 濤

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司棗泉煤礦,寧夏靈武 750408）

引言

膠帶輸送機(jī)又稱帶式輸送機(jī)，是一種煤礦工作時(shí)常用的傳送機(jī)械設(shè)備，主要由傳送帶、傳送裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、拉緊裝置、滾筒等部件組成，廣泛應(yīng)用于家電、電子、電器、機(jī)械、印刷等各行各業(yè)。由于在礦產(chǎn)工作時(shí)，膠帶輸送機(jī)在井下作業(yè)，由于井下空間比較狹小，杰塵和礦渣比較多，導(dǎo)致杰塵和礦渣容易進(jìn)入膠帶輸送機(jī)滾筒軸承內(nèi)，增加軸承摩擦，對(duì)軸承造成不同程度的損壞。此外，輸送帶上的煤炭在輸送過程中與輸送帶不斷摩擦，長時(shí)間的摩擦?xí)斐奢斔蛶嗔选Ｕ驗(yàn)榫伦鳂I(yè)環(huán)境惡劣以及膠帶輸送機(jī)長時(shí)間不停產(chǎn)，導(dǎo)致膠帶輸送機(jī)故障率較高。膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)質(zhì)量和井下作業(yè)安全。為了保證煤礦井下作業(yè)安全與生產(chǎn)效率，需要采取有效的手段和技術(shù)對(duì)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測逐漸開始進(jìn)入智能化階段，但國內(nèi)關(guān)于膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測研究起步比較晚，現(xiàn)有的理論和技術(shù)還不夠成熟，傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)誤判、錯(cuò)判現(xiàn)象，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際情況一致性系數(shù)較低，為此本文設(shè)計(jì)一種煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測方法。

1 膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測方法

膠帶輸送機(jī)故障種類比較多，比如輸送帶斷裂、滾動(dòng)軸破損、輸送帶跑偏、輸送帶打滑、主滾筒不轉(zhuǎn)、輸送機(jī)悶車等，每個(gè)故障特征都有所不同，如果要對(duì)所有故障特征進(jìn)行識(shí)別和判斷，需要進(jìn)行大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)采集，膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)具有時(shí)效性特性，復(fù)雜的監(jiān)測程序會(huì)增加監(jiān)測結(jié)果的延時(shí)率，從而無法保證監(jiān)測精度[1]。

綜合以上考慮，本文提出一種視頻智能監(jiān)測思路，無論膠帶輸送機(jī)出現(xiàn)何種故障，其最直接的表現(xiàn)方式是膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度下降或者提升，因此利用視頻中角點(diǎn)位置坐標(biāo)，確定膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度，以此判斷其運(yùn)行狀態(tài)是否正常，其具體監(jiān)測流程見圖1。

圖1 膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測流程圖

如圖1 所示，此次提出的監(jiān)測方法主要包括運(yùn)行視頻圖像獲取、視頻圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化及濾波、視頻圖像增強(qiáng)及對(duì)比度調(diào)整以及運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估監(jiān)測四部分，以下將從該四部分出發(fā)，對(duì)本文提出監(jiān)測方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 膠帶輸送機(jī)運(yùn)行視頻圖像獲取

此次以膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度為監(jiān)測量，在對(duì)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估前，首先需要獲取到膠帶輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際需求此次選擇監(jiān)控器作為膠帶輸送機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集裝置，獲取到膠帶輸送機(jī)運(yùn)行視頻圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集裝置主要由線形光源、工業(yè)線陣CCD 相機(jī)、計(jì)算機(jī)三部分組成，根據(jù)煤礦井下作業(yè)環(huán)境以及運(yùn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，選擇型號(hào)為KFHA-45647工業(yè)線陣CCD 相機(jī)，將其安裝在膠帶輸送機(jī)輸送帶一端上部，相機(jī)鏡頭采用ADGF-4A5F4 高清鏡頭，考慮到井下比較黑暗，空間比較狹小，為工業(yè)線陣CCD相機(jī)配備一個(gè)型號(hào)為IHFA-1454 線行光源，將其安裝在工業(yè)線陣CCD 相機(jī)正上方，間距控制在35 cm～45 cm 之間，該光源呈散射狀，將其作為工業(yè)線陣CCD 相機(jī)補(bǔ)充光源[2]。將工業(yè)線陣CCD 相機(jī)與線行光源電源線路采用串聯(lián)的方式接入膠帶輸送機(jī)伺服電機(jī)上，采用同一個(gè)開關(guān)，只要膠帶輸送機(jī)開啟電源處于運(yùn)行狀態(tài)，工業(yè)線陣CCD 相機(jī)與線行光源也會(huì)同時(shí)開啟[3]。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)工業(yè)線陣CCD 相機(jī)分辨率、拍攝范圍、焦距等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，利用打卡器將工業(yè)線陣CCD 相機(jī)拍攝到的視頻圖像自動(dòng)讀取，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，用于后續(xù)監(jiān)測分析。

1.2 視頻圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化及濾波

在膠帶輸送機(jī)運(yùn)行視頻圖像數(shù)據(jù)采集過程中，工業(yè)線陣CCD 相機(jī)成像過程是將運(yùn)行過程中的膠帶輸送機(jī)投影變換到計(jì)算機(jī)圖像中，工業(yè)線陣CCD 相機(jī)采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)上，涉及到視頻圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)化過程首先需要將世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為相機(jī)坐標(biāo)系，這一過程為剛體變換過程，不存在變形問題，只需要將世界坐標(biāo)系平移、旋轉(zhuǎn)到相機(jī)坐標(biāo)系即可，其轉(zhuǎn)化公式為：

式中，x、y、z 分別表示轉(zhuǎn)化得到的相機(jī)坐標(biāo)系橫軸、縱軸和斜軸；α 表示大地坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度；h 表示大地坐標(biāo)系平移距離；r 表示旋轉(zhuǎn)變換矩陣[4]。完成上述轉(zhuǎn)化后，再將相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為圖像坐標(biāo)系，這一過程屬于透視投影變換過程，將相機(jī)坐標(biāo)系中三維空間轉(zhuǎn)換為二維平面，因此該轉(zhuǎn)化過程中會(huì)發(fā)生變形，利用變形矩陣對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其用公式表示為：

式中，X、Y 分別表示圖像二維坐標(biāo)系橫軸與縱軸；Y表示變形矩陣；Z 表示相機(jī)坐標(biāo)系光軸所在直線。由于井下機(jī)械設(shè)備比較多，工業(yè)線陣CCD 相機(jī)采集數(shù)據(jù)過程中會(huì)受到不同程度干擾，導(dǎo)致采集的視頻圖像會(huì)存在噪聲，為了改善視頻圖像數(shù)據(jù)質(zhì)量，采用均值濾波算法對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)除噪處理，即針對(duì)帶標(biāo)記膠帶輸送機(jī)視頻圖像中的像素進(jìn)行處理，假設(shè)視頻圖像中任意一點(diǎn)像素為（n，m），以該像素點(diǎn)為中心，將其放到濾波模板內(nèi)，將該點(diǎn)像素調(diào)整為均值，以此去除視頻圖像噪聲，其除噪操作用公式表示為：

1.3 視頻圖像增強(qiáng)及對(duì)比度調(diào)整

考慮到井下拍攝環(huán)境光線不足，采集到的視頻圖像存在不同程度模糊，為了后續(xù)可以精準(zhǔn)跟蹤到圖像角點(diǎn)，以Iand 理論為理論依據(jù)，對(duì)視頻圖像增強(qiáng)，隨機(jī)選取一個(gè)視頻圖像，假設(shè)視頻圖像為I，其用公式可以表示為：

式中，R 表示環(huán)境亮度函數(shù)；K 表示景物反射函數(shù)[6]。通過對(duì)視頻圖像I 卷積操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)其增強(qiáng)，提升圖像清晰度[8]。為了突出視頻圖像中的膠帶輸送機(jī)目標(biāo)，更好地區(qū)分圖像背景與目標(biāo)，采用LUT 算法對(duì)視頻圖像對(duì)比度調(diào)整，將原始視頻圖像中初始杰度值調(diào)整為另一個(gè)杰度級(jí)值，其用公式表示為：

式中，S（μ）表示對(duì)比度調(diào)整后的視頻圖像；φ 表示杰度值轉(zhuǎn)換函數(shù)；ρmax表示動(dòng)態(tài)最大值；ρmin表示動(dòng)態(tài)最小值；Vmin、Vmax分別表示視頻圖像杰度級(jí)人為設(shè)定范圍的最小值和最大值。利用以上公式對(duì)視頻圖像對(duì)比度調(diào)整，將圖像杰度值調(diào)整到范圍內(nèi)，為后續(xù)角點(diǎn)檢測及運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

1.4 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估監(jiān)測

在上述基礎(chǔ)上，利用幀間差分法計(jì)算出膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度，其主要是在視頻圖像上隨機(jī)選取一個(gè)點(diǎn)，將其定義為角點(diǎn)，已知角點(diǎn)位置坐標(biāo)，根據(jù)該角點(diǎn)在相鄰兩幀或者三幀之間的時(shí)差，確定膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度，假設(shè)τ 為膠帶輸送機(jī)視頻圖像序列，τt與τt-1為視頻中連續(xù)兩幀，根據(jù)連續(xù)兩幀圖像中像素點(diǎn)杰度值差值計(jì)算，對(duì)視頻圖像差分處理，其用公式表示為：

式中，κ 表示差分后的視頻圖像；τt（x，y）、τt-1（x，y）分別為連續(xù)兩幀圖像中像素點(diǎn)杰度值。對(duì)差分處理后的視頻圖像閾值化處理。如果差分后的視頻圖像杰度值小于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該視頻像素為前景像素，如果差分后的視頻圖像杰度值大于設(shè)定閾值，則認(rèn)為該視頻像素為背景像素。在前景像素中隨機(jī)選取一點(diǎn)，設(shè)定為角點(diǎn)J，該角點(diǎn)在連續(xù)兩幀中的表示為J1與J2，根據(jù)該兩個(gè)角點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，計(jì)算出角點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，即輸送機(jī)運(yùn)行速度，其計(jì)算公式為：

式中，d1表示角點(diǎn)J1到圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)距離；J2表示角點(diǎn)J1到圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)距離；t1-t2表示視頻中帶有角點(diǎn)J 的連續(xù)兩幀時(shí)間差。利用上述公式計(jì)算出膠帶輸送機(jī)運(yùn)行速度，正常情況下膠帶輸送機(jī)處于勻速運(yùn)行，但允許有一定的運(yùn)行速度誤差，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定一個(gè)閾值，如果公式（7）計(jì)算結(jié)果不在初始運(yùn)行速度到設(shè)定閾值范圍內(nèi)，則輸出監(jiān)測結(jié)果為運(yùn)行異常，如果公式（7）計(jì)算結(jié)果在初始運(yùn)行速度到設(shè)定閾值范圍內(nèi)，則輸出監(jiān)測結(jié)果為運(yùn)行正常，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測。

2 實(shí)驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證本次提出的膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測思路的可行性與可靠性，選擇某煤礦膠帶輸送機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象， 該煤礦膠帶輸送機(jī)型號(hào)為SFHAG-564F4，皮帶共五層，皮帶厚度為11.26 mm，機(jī)身重量為564.62 kg，輸送距離為35.45 m，最大提升角度為30°，輸送能力為20 t/h，功率為3.56 kW，在該煤礦主要用于輸送煤炭，輸送機(jī)的輸送速度范圍為0.56～2.15 m/s，由于該膠帶輸送機(jī)使用時(shí)間比較長，部分零部件已經(jīng)出現(xiàn)明顯的老化現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)故障，符合實(shí)驗(yàn)需求，故選擇將本文設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法（文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]方法）對(duì)該膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測。

使用IFHA 軟件計(jì)算出一致性系數(shù)，一致性系數(shù)可以反映出監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際情況的相似程度，一致性系數(shù)越高表示監(jiān)測精度越高，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制三種方法監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際一致性系數(shù)對(duì)比圖見圖2。

圖2 三種方法監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際一致性系數(shù)對(duì)比圖

通過分析圖2 中的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：與兩種傳統(tǒng)方法相比，設(shè)計(jì)方法對(duì)于煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際一致性系數(shù)比較大，基本接近1，說明監(jiān)測結(jié)果基本與實(shí)際情況一致，最大一致性系數(shù)為0.99，最小一致性系數(shù)為0.91，平均一致性系數(shù)為0.94，可以將監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際一致性系數(shù)控制在0.9 以上，說明設(shè)計(jì)方法具有較高的監(jiān)測精度。

3 結(jié)論

此次針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的不足和缺陷，提出一種視頻智能監(jiān)測方法，用于煤礦膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測，有效提高了監(jiān)測精度，此次研究對(duì)豐富膠帶輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)測理論，保證膠帶輸送機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性以及煤礦生產(chǎn)效率，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。