原煤運(yùn)輸系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)探索

張哲

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

原煤運(yùn)輸系統(tǒng)主要是在井工煤礦和采煤中完成對應(yīng)的運(yùn)輸任務(wù)，如煤、矸石、人員、材料、設(shè)備等，該系統(tǒng)包含有若干機(jī)械設(shè)備和電氣裝置。根據(jù)運(yùn)輸對象不同，將其劃分為主運(yùn)輸系統(tǒng)和輔助運(yùn)輸系統(tǒng)，主運(yùn)輸系統(tǒng)是多條帶式輸送機(jī)搭接煤倉的方式來高效運(yùn)輸煤炭，目前我國除了少數(shù)年產(chǎn)量在幾十萬噸的老舊礦井選用軌道機(jī)車+斜井絞車或立井方式提升的非連續(xù)運(yùn)輸工藝外，大部分礦井都采用帶式輸送機(jī)+斜井或立井提升的連續(xù)運(yùn)輸工藝。當(dāng)前，對帶式輸送機(jī)節(jié)能技術(shù)研究已經(jīng)引起了人們的高度關(guān)注，并逐漸成為現(xiàn)今的熱點(diǎn)問題。[1]

1 煤量檢測技術(shù)

煤量檢測技術(shù)就是通過煤流輸送系統(tǒng)對速度進(jìn)行智能化調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)。對于帶式輸送煤量檢測方法來說，主要包含兩種檢測方法，分別是非接觸式和接觸式檢測。前者主要的檢測的方式含有超聲波、視頻和激光儀器檢測；后者檢測方法主要有核子稱、輸送帶稱檢測等。

在選擇輸送帶稱進(jìn)行檢測時(shí)維護(hù)強(qiáng)度較大，且檢測精度同調(diào)速要求有一定差距；核子稱檢測有一定輻射存在，在煤礦中推廣時(shí)存在很大難度。相較于其他方式，激光儀器檢測可在帶式輸送機(jī)上對散煤輸送量進(jìn)行連續(xù)、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測量，這也是對瞬時(shí)煤量進(jìn)行檢測時(shí)帶式輸送機(jī)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性水平較高的主要原因。當(dāng)前，部分專家學(xué)者針對激光儀器檢測方式開展了大量研究，并得出了很多有意義的結(jié)論。近些年來，隨著視頻圖像相關(guān)分析技術(shù)不斷完善，在煤炭行業(yè)中的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，再加上方便維護(hù)、安裝簡單、檢測直觀且準(zhǔn)確性高，逐漸成為檢測煤量的最直接方式。將視頻圖像技術(shù)應(yīng)用到煤量檢測中，現(xiàn)已成為煤炭行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)工作，檢測內(nèi)容也有一定差異，其中基于激光掃描、視頻識別的雙目視覺帶式輸送機(jī)可分別測量煤料體積、寬度和截面積。[2]

1.1 激光掃描的帶式輸送機(jī)檢測瞬時(shí)煤量

在帶式輸送機(jī)輸送帶上方可分別安裝數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和激光發(fā)射器，前者需在垂直方向上安裝，后者根據(jù)角度安裝即可，不管是對數(shù)字?jǐn)z像機(jī)或激光發(fā)射器進(jìn)行安裝，均要拍攝到照射輸送帶區(qū)域。激光投射到的煤料面和無煤帶式輸送機(jī)輸送帶上的激光線存在很大差異，兩者之間存在一個(gè)形變，且能將煤料深度信息反映出來，同時(shí)還能計(jì)算瞬時(shí)煤量。首先是預(yù)先處理獲取的激光圖像信息，對感興趣區(qū)域進(jìn)行確定；將激光線輪廓從感興趣區(qū)域內(nèi)提取出來，該過程的順利實(shí)現(xiàn)需要根據(jù)Ohta 顏色空間特性，之后則是細(xì)化與連接處理；在對煤量大小進(jìn)行計(jì)算的過程中需要使用到離線獲取的基線信息。

對煤量信息進(jìn)行檢測時(shí)涉及基線獲取模塊和實(shí)時(shí)檢測模塊，前者提取時(shí)需借助于激光線，在對激光線進(jìn)行細(xì)化與連接之后，可將帶式輸送機(jī)在空載或滿載狀態(tài)下的基線信息反映出來；后者則對實(shí)時(shí)激光線和基線進(jìn)行對比，最終折算實(shí)時(shí)的瞬時(shí)煤量信息。

圖像預(yù)處理包含了獲取和去燥處理感興趣區(qū)域，并以此為基礎(chǔ)，借助于Otha 顏色空間獲取到對應(yīng)的激光線，之后則是在索引表基礎(chǔ)上開展的細(xì)化處理；在連接處理細(xì)化圖像后，需對實(shí)時(shí)獲取到的基線和激光線進(jìn)行有效融合，這就組成了眼圖，對面積計(jì)算之后則能得出實(shí)時(shí)煤量信息。結(jié)合散煤激光線輪廓在帶式輸送機(jī)上的提前量，來計(jì)算機(jī)大致的截面積數(shù)據(jù)，并計(jì)算實(shí)時(shí)煤量信息。

1.2 雙目視覺的帶式輸送機(jī)煤量檢測

雙目視覺深度感知作為雙目視覺帶式輸送機(jī)煤量檢測的主要特征，該檢測方法是在帶式輸送機(jī)光照條件具有復(fù)雜性和煤料內(nèi)部具有隨機(jī)和非均勻分布間隙特征提出來的。主要包括三種模塊，分別是識別、提取和計(jì)算模塊。其中：（1）煤料識別模塊。為了確保運(yùn)輸煤料圖像的對比度得到提升，可借助于多分辨率小波對算法進(jìn)行變換，并在K-means 聚類算法的基礎(chǔ)上將輸送帶等相關(guān)背景剔除掉，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識別煤料的目的。為了提升煤料的對比度，可對圖像開展二維離散小波變化，在抑制輸送帶背景的同時(shí)，還能降低噪聲。在對煤料進(jìn)行識別的過程中，主要是在場景圖像上選擇K-means 聚類方法；（2）提取三維信息模塊。在含有左右煤料試圖的基礎(chǔ)上，通過Bouguet 算法進(jìn)行校正，在實(shí)現(xiàn)左右煤料圖像同行共面的基礎(chǔ)上將雙目匹配過程中的難度降到最低；（3）根據(jù)Census 對立體匹配算法變換，通過將中心像素與鄰域像素的灰度值進(jìn)行比較，可最大限度地降低增益偏差和圖像亮度產(chǎn)生的影響，同時(shí)還能有效保留鄰域像素位置信息。選擇該算法的過程中包含了多種不同方法，如Census 變換、代價(jià)聚合、匹配代價(jià)、優(yōu)化視差圖。在提取煤料三維信息的過程中，根據(jù)事先標(biāo)定的相機(jī)參數(shù)和雙目視覺三角測量原理，在極短的時(shí)間內(nèi)盡快恢復(fù)運(yùn)輸煤料中的三維點(diǎn)方面的云信息，而在對煤料體積進(jìn)行計(jì)算的過程中可結(jié)合對信息的深度感知方式，選擇α 和β 操作方法對邊恢復(fù)方法進(jìn)行約束，并在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分解約束面灰度方法的基礎(chǔ)上，確保煤料邊界的完整性。選擇T-S 模糊推理規(guī)則對煤料適宜的填充料率進(jìn)行計(jì)算，并修正煤料體積，不斷增強(qiáng)煤料體積測量的精確性水平。

1.3 視頻識別的帶式輸送機(jī)煤量檢測

在視頻識別技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過將攝像頭安裝到帶式輸送機(jī)上的方式，對視頻圖像進(jìn)行采集，而對圖像與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，可檢測帶式輸送機(jī)分布煤料邊緣信息，此時(shí)就獲取到了煤料寬度信息。因輸送帶具有弧形特征，再加上煤量大小方面的差異，輸送帶出現(xiàn)的形變也不盡相同，在煤料堆積輪廓線的基礎(chǔ)上可準(zhǔn)確計(jì)算出瞬間的煤量。在選擇這種方法對煤料進(jìn)行檢測時(shí)，重點(diǎn)是煤料邊緣檢測，也就是對無煤與有煤傳輸帶的像素值差異進(jìn)行分辨。首先是對視頻圖像信息進(jìn)行采集，該過程需要高清攝像頭的幫助，隨后則是預(yù)先處理圖像信息，也就是做好不同區(qū)域的分割工作，同時(shí)還要將圖像中存在的噪聲過濾干凈。實(shí)際上，圖像噪聲主要以沖擊噪聲為主，是帶式輸送機(jī)對瞬時(shí)煤料進(jìn)行添加或減少操作后產(chǎn)生的，為了對有效煤料信號提取，將圖像中噪聲盡快消除，可對圖像選用極值中值濾波。

通常情況下，在圖像灰度值變化較為劇烈的區(qū)域存在有煤料邊緣點(diǎn)，也就是極大或較大的灰度值區(qū)域，空間上可將銳化操作應(yīng)用到圖像邊緣上，該過程涉及微分算法和梯度算法。通過對時(shí)間連續(xù)性的多幀圖像進(jìn)行連續(xù)處理，同一個(gè)像素點(diǎn)在有煤區(qū)域內(nèi)的像素值數(shù)值變化較為劇烈，無煤區(qū)域則恰好相反。結(jié)合該特點(diǎn)，為分辨煤料邊界，將多幀圖像上的同一個(gè)像素點(diǎn)像素值標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算出來。在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，某組數(shù)據(jù)波動(dòng)變化狀況可借助于標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行反映，若是計(jì)算出的灰度值為250，說明標(biāo)準(zhǔn)差對應(yīng)數(shù)值有劇烈變化，也就是劃分有煤和無煤區(qū)域的邊界。

2 帶式輸送機(jī)智能控制技術(shù)

智能控制策略的主要目的是優(yōu)化控制工藝流程，也就是在運(yùn)輸流程中的有關(guān)操作將啟動(dòng)、停止和調(diào)速中的智能化應(yīng)用到每條輸送機(jī)上。[3]

2.1 啟停自適應(yīng)控制

對于帶式輸送機(jī)系統(tǒng)來說，在啟動(dòng)過程中主要使用了傳統(tǒng)工藝來啟動(dòng)逆煤流，也就是在保證上下游輸送機(jī)在全部運(yùn)行的情況下才能給料。因此，對于長度越長的帶式輸送機(jī)來說，涉及的轉(zhuǎn)接輸送帶數(shù)量較多，若是帶式輸送機(jī)上沒有對應(yīng)的物料，會延長空載運(yùn)行時(shí)間，會增加單位產(chǎn)量的能耗，增加能源浪費(fèi)量。為了對帶式輸送機(jī)上的煤料信息進(jìn)行監(jiān)測，并在煤礦上的帶式輸送機(jī)上分別安裝檢測煤量的裝置和速度傳感器?？刂乒に噭t是檢測帶式輸送機(jī)上的煤量情況的一種方法，該過程能否順利實(shí)現(xiàn)需要依靠煤量檢測裝置，一旦檢測到煤量方面的信息，前級帶式輸送機(jī)將會自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行；若是煤炭已經(jīng)通過后級帶式輸送機(jī)達(dá)到了機(jī)器頭部，而前級帶式輸送機(jī)卻未開始運(yùn)行，需要將后級帶式輸送機(jī)關(guān)停。若是前后級帶式輸送機(jī)在檢測后均包含了煤量信息，可在逆煤流方式的基礎(chǔ)上全部打開煤量沿線上所有的帶式輸送機(jī)。

2.2 多級協(xié)同控制

原煤運(yùn)輸系統(tǒng)沿線的帶式輸送機(jī)主要搭接方式有串聯(lián)式、煤倉搭接帶式輸送機(jī)、匯集式搭接、帶式輸送機(jī)搭接煤倉。為保證主輸煤線路上的煤量達(dá)到最大，需對沿線不同帶式輸送機(jī)和對應(yīng)設(shè)備進(jìn)行協(xié)同控制。需要引起注意的是，協(xié)同控制策略是在約束條件下確保貯運(yùn)模型的運(yùn)輸量可達(dá)到最大，對各帶式輸送機(jī)和設(shè)備運(yùn)量進(jìn)行求解，以對其約束。帶式輸送機(jī)與煤倉搭接的協(xié)同控制策略，主要是在向煤倉運(yùn)輸煤料的過程中，需要嚴(yán)格遵循煤礦安全生產(chǎn)的相關(guān)要求，防止帶式輸送機(jī)出現(xiàn)冒倉的情況，在對帶式輸送運(yùn)量進(jìn)行約束時(shí)可結(jié)合煤倉物量存貯容量，協(xié)同控制策略則是符合約束條件后，使上游煤倉攜帶的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量達(dá)到最大。煤倉搭接帶式輸送機(jī)協(xié)同控制策略，則是指煤倉將煤料投放到帶式輸送機(jī)時(shí)，作為約束煤倉放煤量的限制條件，煤倉下游帶式輸送機(jī)生產(chǎn)中需要考慮到安全性，避免出現(xiàn)空倉，協(xié)同控制策略則同約束條件相符時(shí)，確保煤倉下游帶式輸送機(jī)運(yùn)輸量達(dá)到最大。

2.3 煤量自適應(yīng)調(diào)速

對帶式輸送機(jī)的調(diào)速模型進(jìn)行構(gòu)建，并結(jié)合煤流量數(shù)據(jù)信息智能化調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)速度，在減少運(yùn)行能耗的同時(shí)，還能降低設(shè)備方面的磨損程度。在產(chǎn)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采取科學(xué)有效的方法優(yōu)化帶式輸送機(jī)截面煤高度，使其達(dá)到最優(yōu)，還要全面調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)速度，使節(jié)能效果達(dá)到最佳，設(shè)備使用壽命延長一半。控制工藝的主要方式是分段節(jié)能，若是運(yùn)載的煤量在80%不需要調(diào)節(jié)速度，若是運(yùn)載量處于40%可將速度調(diào)為節(jié)能模式，防止對速度進(jìn)行頻繁調(diào)整。

3 煤流輸送系統(tǒng)無人巡檢技術(shù)

在煤流輸送系統(tǒng)運(yùn)行中，會有各種事故，如托輥損壞、斷帶、縱撕、跑偏、打滑、堆煤、火災(zāi)等出現(xiàn)，對工作人員和有關(guān)機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生的威脅較大。一旦出現(xiàn)安全事故，以環(huán)境因素、人為因素和設(shè)備故障占據(jù)的比重較高，做好有效的監(jiān)控和預(yù)防極其重要。對于傳統(tǒng)監(jiān)控方式來說，主要是以定點(diǎn)監(jiān)視為主，需通過人工巡檢和固定攝像頭實(shí)現(xiàn)，前者浪費(fèi)人力的同時(shí)，監(jiān)測效率不高，且惡劣條件下威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全；后者是定點(diǎn)監(jiān)視范疇，且監(jiān)視范圍有限，可在沿線附近布設(shè)一定量的攝像頭，在切換、監(jiān)視和儲存圖像中涉及強(qiáng)大的任務(wù)量，再加上功率消耗大、布線數(shù)量多、維護(hù)任務(wù)困難，使得效率不高的問題較為普遍。機(jī)器人的行走驅(qū)動(dòng)方式主要結(jié)合軌道復(fù)合式與不用維護(hù)的鋼絲繩，并將不同種類有害氣體傳感器、高清攝像裝置與熱成像儀進(jìn)行有效結(jié)合，在不同煤流輸送系統(tǒng)中均能快速完成巡檢任務(wù)，基本替代了傳統(tǒng)方式的人工巡檢，監(jiān)控預(yù)警的智能化特點(diǎn)較為突出。巡檢機(jī)器人的主要功能如下：

3.1 托輥監(jiān)測

針對托輥停止轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，在圖像識別處理技術(shù)的基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)智能識別；同時(shí)還能利用熱成像儀對托輥溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)正常工作溫度高于平常溫度，可將其認(rèn)定為損壞，可對損壞部位及時(shí)定位，并上報(bào)給主控臺。

3.2 輸送帶跑偏監(jiān)測

將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像優(yōu)異特征學(xué)習(xí)能力，在智能化技術(shù)的幫助下來對圖像輸送帶跑偏的情況進(jìn)行監(jiān)測識別。

3.3 有害氣體監(jiān)測預(yù)警

機(jī)器人搭載有多種類型傳感器，如粉塵、CO、CH4等，通過對有害氣體濃度和環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，可構(gòu)建閾值報(bào)警功能。

3.4 人員監(jiān)測

選擇現(xiàn)代化方式智能識別人員走動(dòng)信息，定位完成后可第一時(shí)間上報(bào)給主控制臺，防止因工作人員誤入危險(xiǎn)區(qū)域出現(xiàn)安全事故。

3.5 異物監(jiān)測

在圖像識別技術(shù)的基礎(chǔ)上監(jiān)測預(yù)警帶式輸送機(jī)運(yùn)料中可能出現(xiàn)的大塊矸石和掉落的錨桿。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的現(xiàn)代化水平不斷增強(qiáng)，智能化技術(shù)在煤礦中也得到了廣泛應(yīng)用。運(yùn)輸系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中的重要一環(huán)，有必要實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸?shù)闹悄芑?。通過探索智能化關(guān)鍵技術(shù)在原煤運(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用，可有效提升運(yùn)輸?shù)陌踩头€(wěn)定性、提升運(yùn)輸效率、降低運(yùn)輸成本，可在日后加強(qiáng)推廣應(yīng)用。