基于機(jī)器視覺的螺桿啟閉機(jī)智能防頂控制方案

金 能，楊 軍，梁 志 開，吳 剛，魯 曉 軍，李 甘

(1.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.西藏自治區(qū)拉洛水利樞紐及灌區(qū)管理局，西藏 拉薩 850000)

0 引 言

啟閉機(jī)主要用于水利工程中控制閘門的開啟和關(guān)閉，常見的啟閉機(jī)類型包括卷揚(yáng)式、螺桿式、液壓式等[1-3]。其中，螺桿式啟閉機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝便捷、使用效果良好，在水利工程中得到了大量的應(yīng)用[4]。然而，螺桿式啟閉機(jī)也因其特殊結(jié)構(gòu)存在著較大的頂閘風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)場(chǎng)已發(fā)生過多起螺桿式啟閉機(jī)頂閘事故，給相關(guān)設(shè)備以及運(yùn)行人員的安全帶來了不利影響[5]。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已發(fā)生的螺桿式啟閉機(jī)頂閘事故進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，造成頂閘事故的原因主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 在現(xiàn)地控制閘門關(guān)閉時(shí)，因運(yùn)行人員操作失誤或不熟練導(dǎo)致閘門下邊緣在觸底或遇障礙物后沒有及時(shí)停機(jī)。此時(shí)，啟閉機(jī)將帶動(dòng)閘門繼續(xù)下壓，下壓的反作用力作用到螺桿、啟閉機(jī)及機(jī)座上，出現(xiàn)頂閘事故[6]。

(2) 隨著自動(dòng)化程度的提升，現(xiàn)場(chǎng)一般會(huì)配置閘門開度儀實(shí)時(shí)檢測(cè)閘門位置。運(yùn)行人員在遠(yuǎn)程控制閘門關(guān)閉時(shí)，根據(jù)開度儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的閘門位置進(jìn)行啟停機(jī)操作，或設(shè)置閘門到底自動(dòng)停機(jī)。但因閘門開度儀檢測(cè)閘門位置存在誤差，并且缺乏可靠有效的閘門下邊緣觸底或遇障礙物自動(dòng)停機(jī)措施，螺桿式啟閉機(jī)依然存在較大的頂閘風(fēng)險(xiǎn)[7]。

頂閘事故發(fā)生后輕則可能壓彎螺桿、頂碎啟閉機(jī)端蓋和頂斷啟閉機(jī)臺(tái)梁，重則可能頂翻啟閉機(jī)臺(tái)、燒毀電機(jī)，甚至造成人員傷亡。

針對(duì)螺桿式啟閉機(jī)存在的頂閘問題，已有較多學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工程人員開展了大量的研究，應(yīng)對(duì)措施主要包括[8-10]：

(1) 在閘門觸底或遇障礙物后，啟閉機(jī)力矩會(huì)發(fā)生變化從而引起電機(jī)電流發(fā)生變化，通過檢測(cè)該電流變化來判斷閘門是否觸底或遇障礙物。

(2) 安裝軸銷式稱重傳感器。閘門在上升、下降、觸底或遇阻礙情況下傳感器的受力存在差異，通過檢測(cè)該差異判斷閘門是否觸底或遇障礙物。

(3) 加裝彈簧或其他安全裝置，配置觸點(diǎn)式電路，發(fā)生頂閘事故時(shí)觸發(fā)觸點(diǎn)斷開使啟閉機(jī)停機(jī)。

以上方案能夠一定程度上降低螺桿式啟閉機(jī)頂閘的風(fēng)險(xiǎn)和危害，但依然存在檢測(cè)精度低、閘門觸底或遇障礙物停機(jī)不及時(shí)、相應(yīng)傳感器安裝困難等問題，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人工智能相關(guān)應(yīng)用如機(jī)器視覺、專家系統(tǒng)等飛速發(fā)展[11-12]。其中，機(jī)器視覺技術(shù)因具有無接觸、易部署和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，在目標(biāo)追蹤、圖像識(shí)別、缺陷以及行為檢測(cè)等各個(gè)方向得到廣泛應(yīng)用[13-14]。目前，螺桿式啟閉機(jī)旁一般裝有高清攝像頭，但僅用于運(yùn)行監(jiān)控，利用率不高。若能利用機(jī)器視覺技術(shù)充分挖掘視頻監(jiān)控的潛在價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿啟閉機(jī)的智能監(jiān)控，不僅可以實(shí)時(shí)高精度非接觸監(jiān)測(cè)螺桿式啟閉機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，還能減少其他設(shè)備如開度儀、稱重傳感器等的配置，降低成本。

為此，針對(duì)螺桿啟閉機(jī)潛在的頂閘問題，本文引入機(jī)器視覺算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)螺桿位置、運(yùn)動(dòng)速度等運(yùn)行狀態(tài)特征，對(duì)異常狀況及時(shí)響應(yīng)并停機(jī)。所提方案具有檢測(cè)精度高、反應(yīng)迅速、動(dòng)作及時(shí)、部署靈活等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式監(jiān)測(cè)，無需額外安裝傳感器。

1 螺桿運(yùn)行特征分析

頂閘事故主要發(fā)生在閘門下行過程中，圖1給出了不同工況下螺桿的受力分析。

圖1 不同工況下螺桿的受力

分析可知，閘門在正常下降時(shí)，螺桿主要受到閘門向下拉力Fl和啟閉機(jī)向上拉力FN，如圖1(a)所示。其中，閘門向下的拉力由閘門自重、閘門浮力和摩擦力合成。當(dāng)閘門下降過程中遇到障礙物時(shí)，螺桿受到的拉力Fl逐漸減小至0，而后該力反向從0逐漸增大至啟閉機(jī)額定出力，如圖1(b)所示。此時(shí)，螺桿將受到擠壓，進(jìn)而發(fā)生頂閘事故。根據(jù)上述受力分析，容易得到閘門整個(gè)下降過程中加速度和速度變化如圖2～3所示。

圖2 閘門下降加速度示意

圖3 閘門下降速度示意

由圖2～3可知：當(dāng)前，閘門關(guān)閉時(shí)一般采用勻速下降的方式，其下降過程中加速度為0，當(dāng)閘門受阻時(shí)，其加速度逐漸增大，且與閘門運(yùn)動(dòng)方向相反，此時(shí)閘門下降速度將迅速減小至0。若能準(zhǔn)確快速檢測(cè)閘門下降過程中的物理量變化特征，則能有效對(duì)閘門下降全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常工況。文獻(xiàn)[10]提出采用稱重傳感器檢測(cè)閘門下行過程中的受力變化來判斷閘門的運(yùn)行狀態(tài)，然而該方法需對(duì)螺桿軸銷進(jìn)行改造，工作量較大。為此，本文考慮充分利用啟閉機(jī)旁裝設(shè)的高清攝像頭，基于機(jī)器視覺算法對(duì)螺桿位置、運(yùn)動(dòng)速度、加速度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)時(shí)分析閘門運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常狀況并停機(jī)。

2 螺桿啟閉機(jī)智能防頂控制方案

2.1 基本原理

為了給視頻智能分析提供基準(zhǔn)，檢測(cè)螺桿位置、速度及加速度，需選取視覺標(biāo)志物。本文考慮在螺桿頂部以及啟閉機(jī)旁的吊尺相關(guān)位置分別設(shè)置顏色標(biāo)志線(見圖4)。另外，考慮到障礙物一般沉積在閘門底部，閘門下降至底部時(shí)遇障礙物概率更大。為了減小閘門在觸底或遇障礙物時(shí)的沖擊力，減輕對(duì)閘門、螺桿等設(shè)備的損壞，將閘門下降分為勻速下降階段和降速下降階段2個(gè)階段：勻速段用于保障閘門總體下降時(shí)間不至于太長(zhǎng)；降速段用于保障閘門在觸底或遇障礙物時(shí)速度不至于太高，減小沖擊力。

圖4 實(shí)施方案示意

如圖4所示，在吊尺上標(biāo)記調(diào)速線和停止線，將調(diào)速線以上的部分設(shè)為螺桿勻速下降區(qū)段，調(diào)速線和停止線之間的部分設(shè)為螺桿降速下降區(qū)段，螺桿標(biāo)志線與吊尺停止線平齊時(shí)表明閘門剛好觸底。在勻速段，通過調(diào)整啟閉機(jī)出力使閘門下降速度不變；在降速段，通過調(diào)整啟閉機(jī)出力使閘門下降速度按線性降低，設(shè)定閘門下降至底部或預(yù)設(shè)位置時(shí)速度剛好為0。勻速段和降速段的長(zhǎng)度范圍、速度大小和變化規(guī)律需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求來確定，主要考慮閘門總體下降時(shí)間、安全下降速度等因素。

在完成上述設(shè)定后，基于機(jī)器視覺算法[14]，利用啟閉機(jī)旁裝設(shè)的高清攝像頭識(shí)別螺桿頂部標(biāo)記線與吊尺調(diào)速線和停止線的相對(duì)位置，以及相對(duì)位置變化速度，據(jù)此計(jì)算閘門的實(shí)時(shí)位置、下降速度和加速度。然后，將閘門實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)量與預(yù)設(shè)狀態(tài)量進(jìn)行比較，在出現(xiàn)偏差時(shí)即判定閘門出現(xiàn)異常并發(fā)出停機(jī)命令。

2.2 可行性分析

為了保障所提方案的可行性，現(xiàn)階段將所提方案的應(yīng)用場(chǎng)景限定在光線充足、環(huán)境良好的螺桿啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，待機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)一步成熟，可考慮將其應(yīng)用于室外各種不同的復(fù)雜環(huán)境中。

另外，對(duì)于閘門頂閘事故一般要求做到秒級(jí)響應(yīng)停機(jī)。本文所提方案僅需利用機(jī)器視覺檢測(cè)螺桿位置、下降速度和加速度，場(chǎng)景相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)軟硬件要求均不高。經(jīng)過調(diào)研，市面上常規(guī)的攝像機(jī)和機(jī)器視覺邊緣機(jī)可輕松滿足上述場(chǎng)景下秒級(jí)響應(yīng)的需求。因此，將機(jī)器視覺應(yīng)用于閘門防頂具有現(xiàn)實(shí)可行性。

2.3 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)判據(jù)

L1=V1t1

(1)

V2=-[V1/(t2-t1)]t+V1

(2)

L2=1/2V1(t2-t1)

(3)

由圖5可知，在閘門遇障礙物后速度偏離預(yù)設(shè)速度線，并迅速降至0。結(jié)合2.2節(jié)分析可以得到所提方案下閘門下降過程中速度偏差和加速度變化示意圖如圖6～7所示。

圖5 所提方案下閘門下降速度示意

圖6 所提方案下閘門速度偏差示意

由圖6～7可知，閘門遇阻后，其速度偏差和加速度均迅速偏離預(yù)設(shè)值，本文即通過檢測(cè)速度偏差和加速度的偏離大小來進(jìn)行啟閉機(jī)異常運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)判據(jù)如式(4)所示：

ΔV>ΔVset或a>aset

(4)

式中：ΔVset和aset分別表示閘門下降速度偏差門檻值以及加速度門檻值，其整定需考慮啟閉機(jī)速度控制誤差、閘門下降速度和加速度識(shí)別計(jì)算誤差等因素。當(dāng)ΔV和a任意一個(gè)量大于門檻值時(shí)立即停機(jī)，并發(fā)異常告警信號(hào)，通過控制啟閉機(jī)出力來控制閘門停止運(yùn)動(dòng)。由圖6和圖7還可看出，在無障礙物或者未接觸障礙物的情況下閘門正常下降，速度偏差ΔV為0，加速度a在勻速段為0，在降速段為V1/(t1-t2)，此時(shí)閘門下降的速度偏差和加速度均位于門檻值以內(nèi)，判定正常運(yùn)行；當(dāng)閘門在t′時(shí)刻遇障礙物后，下降速度出現(xiàn)偏離，速度偏差ΔV迅速增大，此時(shí)加速度絕對(duì)值也迅速增大，快速越過門檻值，此時(shí)則立即切斷啟閉機(jī)電源，并發(fā)異常告警信號(hào)。

圖7 所提方案下閘門加速度變化示意

另外，由于高清視頻數(shù)據(jù)量龐大，遠(yuǎn)傳至控制中心存在通信延時(shí)，若在控制中心對(duì)視頻進(jìn)行處理分析，可能無法快速檢測(cè)閘門出現(xiàn)的異常狀態(tài)，進(jìn)而無法及時(shí)下達(dá)停機(jī)指令造成設(shè)備損壞。因此，有必要將視頻智能分析一體機(jī)部署在邊緣側(cè)，既能有效減少通信延時(shí)對(duì)閘門監(jiān)控實(shí)時(shí)性帶來的影響，實(shí)現(xiàn)異常狀況快速停機(jī)，同時(shí)可減輕監(jiān)控中心計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)帶寬壓力。

2.4 螺桿啟閉機(jī)智能防頂控制流程

根據(jù)上述分析，螺桿啟閉機(jī)智能防頂控制流程如圖8所示。

圖8 螺桿啟閉機(jī)智能防頂控制流程

3 結(jié) 論

為降低螺桿啟閉機(jī)潛在的頂閘風(fēng)險(xiǎn)，本文提出一種基于機(jī)器視覺的螺桿啟閉機(jī)智能防頂閘控制方案，采用機(jī)器視覺算法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，能夠?qū)Ξ惓顩r及時(shí)響應(yīng)并停機(jī)。主要結(jié)論如下：

(1) 將閘門下降過程分為勻速段和降速段，既可保障閘門整個(gè)下降過程時(shí)間不至于太長(zhǎng)，也能為閘門控制提供緩沖區(qū)，降低碰撞沖擊力對(duì)閘門、螺桿等設(shè)備的損壞。

(2) 基于機(jī)器視覺算法智能識(shí)別螺桿運(yùn)行狀態(tài)，具有檢測(cè)精度高、計(jì)算速度快的優(yōu)勢(shì)。

(3) 通過檢測(cè)速度和加速度變化來監(jiān)測(cè)閘門狀態(tài)，具有反應(yīng)迅速、動(dòng)作及時(shí)的優(yōu)點(diǎn)，在螺桿受到擠壓力前即可檢測(cè)出閘門異常狀況及時(shí)停機(jī)，有效降低閘門、螺桿損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 此方案充分利用螺桿式啟閉機(jī)旁已有的高清攝像頭，提升了已有設(shè)備的利用率，相比于軸銷載荷保護(hù)方案具有非接觸式檢測(cè)、部署靈活、無需額外安裝稱重傳感器的優(yōu)點(diǎn)。