基于機(jī)器視覺(jué)的主井提升箕斗殘留智能識(shí)別系統(tǒng)

＊趙婧 王浩 馮杰

（山西高河能源有限公司 山西 046000）

立井提升系統(tǒng)是煤礦運(yùn)輸?shù)难屎恚嵘蕸Q定著煤礦的生產(chǎn)效率，而影響主井提升機(jī)安全運(yùn)行和提升效率的主要因素就是箕斗殘留而導(dǎo)致的重復(fù)裝載提升，在主井提升機(jī)箕斗卸煤時(shí)，會(huì)因提升的煤炭含水量較大黏度較大、大塊物料卡滯、箕斗扇形門未全打開(kāi)或箕斗因內(nèi)部磨損等情況，會(huì)造成箕斗卸載不完全而余煤。如箕斗余煤，則會(huì)造成重復(fù)裝載提升，從而井底每箕斗提升的效率，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致提升機(jī)過(guò)載跳閘，此時(shí)必須安排人員從副井下井至裝載硐室，人力將箕斗內(nèi)多余的煤扒出。如余煤量過(guò)大，則需使用手拉葫蘆等工具將箕斗扇形門拉開(kāi)縫隙，慢慢將煤從箕斗放出至井底，如操作不當(dāng)很容易將主井底防撞梁、梯子間等砸壞，擴(kuò)大事故。人員在井筒高空作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)較大，且耗費(fèi)大量人力物力，影響生產(chǎn)時(shí)間。如箕斗余煤，提升機(jī)過(guò)載保護(hù)設(shè)定值較大，未發(fā)生過(guò)載跳閘，則會(huì)重物超載提升，提升機(jī)加減速或制動(dòng)時(shí)，很可能因鋼絲繩與滾筒摩擦力不足而造成下滑，后果更是極其嚴(yán)重。在以往的提升器中，箕斗殘留檢測(cè)一直是一個(gè)大難題，箕斗殘留檢測(cè)也顯得異常重要，隨著礦井視頻監(jiān)控、信息處理和人工智能技術(shù)的發(fā)展，一套基于視頻智能分析的直觀的、可靠的箕斗殘留識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用而生。

1.系統(tǒng)研究背景及意義

礦井箕斗卸礦過(guò)程中，時(shí)常會(huì)遇到因各種因素造成的箕斗中存在殘余煤炭的情形，本來(lái)應(yīng)當(dāng)全部卸載的煤，部分被截留于箕斗中?；反嬖谟嗟V時(shí)，由于每次裝入一定量的礦石，將使總重量加大，在運(yùn)行的加速過(guò)程中，牽引繩的受力增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳K繃斷，箕斗墜落，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。主井提升機(jī)擔(dān)負(fù)著全礦的生產(chǎn)運(yùn)輸任務(wù)，主井提升機(jī)的安全、可靠、高效運(yùn)行是保證高效生產(chǎn)的關(guān)鍵，而影響主井提升機(jī)安全運(yùn)行的最大障礙之一就是箕斗不能完全卸空而導(dǎo)致的重復(fù)裝載，不僅使計(jì)量不準(zhǔn)，還容易造成事故。在以往的提升器中，箕斗裝載的檢測(cè)一直是一個(gè)大難題，其難點(diǎn)在于箕斗是一個(gè)移動(dòng)的容器，檢測(cè)信號(hào)的傳輸難以實(shí)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，上述現(xiàn)有的礦井提升機(jī)箕斗卸空控制仍存在缺陷，亟待進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問(wèn)題，全國(guó)技術(shù)人員都費(fèi)盡心思來(lái)謀求解決之道，但長(zhǎng)久以來(lái)一直未見(jiàn)適用的設(shè)計(jì)能完美解決此問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)一種新的主井提升機(jī)配套的箕斗卸空檢測(cè)識(shí)別裝置，迫在眉睫。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、性能穩(wěn)定、節(jié)約成本的原則，并綜合考慮維護(hù)及操作因素，并將為今后的發(fā)展、擴(kuò)建、改造等因素留有擴(kuò)充的余地。其具有以下原則：

安全性：符合礦井安全生產(chǎn)要求，所有井下設(shè)備均通過(guò)MA認(rèn)證，達(dá)到國(guó)家規(guī)定安全指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提升系統(tǒng)的性能。

先進(jìn)性：系統(tǒng)的技術(shù)性能應(yīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)系統(tǒng)的安裝調(diào)試、軟件編程和操作使用應(yīng)簡(jiǎn)單易行，容易掌握。

經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性：充分考慮箕斗殘留檢測(cè)實(shí)際需要的信息技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)實(shí)際環(huán)境選用符合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的配置方案，充分考慮系統(tǒng)性價(jià)比，節(jié)約工程投資，同時(shí)保證系統(tǒng)功能，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

可靠性：系統(tǒng)滿足7×24h，全年365天全天候長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

穩(wěn)定性：系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較高的穩(wěn)定性，系統(tǒng)具有一整套完整的系統(tǒng)管理策略，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

迭代性：系統(tǒng)軟件、算法可以進(jìn)行在線升級(jí)迭代和擴(kuò)展。

3.系統(tǒng)概述

系統(tǒng)在主井上口箕斗卸載處安裝一套高幀率攝像儀，通過(guò)高算力的分析裝置，將抓拍到的圖像實(shí)時(shí)傳輸至分析裝置進(jìn)行分析，檢測(cè)箕斗運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)生異?；蛘邭埩暨M(jìn)行報(bào)警，并在操作室客戶端軟件實(shí)時(shí)發(fā)出報(bào)警，提醒操作人員進(jìn)行有效操作，系統(tǒng)具備歷史數(shù)據(jù)查詢，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析，提示檢修人員將經(jīng)常發(fā)生殘留的箕斗進(jìn)行改造，減少殘留概率，并持續(xù)改進(jìn)，徹底杜絕殘留，保障提升系統(tǒng)安全、穩(wěn)固、可靠及智能化等。

4.系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成?；跈C(jī)器視覺(jué)的主井提升箕斗殘留智能識(shí)別系統(tǒng)，主要包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)、礦用本安型交換機(jī)、礦用隔爆兼本安型分析裝置、礦用本安型高速攝像儀、礦用隔爆型補(bǔ)光燈、礦用隔爆兼本安型電源六個(gè)部分，系統(tǒng)利用安裝在箕斗的礦用本安型高速攝像儀和內(nèi)置GPU芯片和AI視頻分析算法的礦用隔爆兼本安型分析裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)主井提升箕斗殘留的視頻識(shí)別，視頻數(shù)據(jù)和分析報(bào)警數(shù)據(jù)通過(guò)安裝在提升機(jī)監(jiān)控室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示、報(bào)警和記錄。

（2）系統(tǒng)設(shè)備組成及連接分布。①攝像儀和補(bǔ)光燈安裝于箕斗開(kāi)口部位上方位置，與豎直面夾角呈約10°～30°，攝像儀以拍攝到箕斗底部為宜，并手動(dòng)調(diào)節(jié)焦距至最佳狀態(tài)；②現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況將攝像儀和補(bǔ)光燈安裝于同側(cè)或分開(kāi)兩側(cè)安裝；③頻閃燈為脈沖觸發(fā)，與攝像儀之間通過(guò)觸發(fā)線相連；④分析裝置選擇就近位置放置，攝像儀由分析裝置的12V端口供電，供電距離需小于30m，防止線纜損耗導(dǎo)致攝像儀無(wú)法啟動(dòng)；⑤考慮攝像儀為高幀率相機(jī)，帶寬占用大，所以攝像儀與分析裝置之間的網(wǎng)線需選用六類網(wǎng)線，分析裝置內(nèi)部也需千兆交換機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

5.系統(tǒng)主要設(shè)備功能

（1）監(jiān)控計(jì)算機(jī)和AI客戶端軟件平臺(tái)。監(jiān)控計(jì)算機(jī)平臺(tái)安裝在提升機(jī)監(jiān)控室，可實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻，具備分析預(yù)覽、實(shí)時(shí)預(yù)覽及報(bào)警歷史記錄查詢等功能。并且將智能分析功能加入到客戶端中，客戶端可以對(duì)所有攝像機(jī)和智能分析裝置進(jìn)行設(shè)備發(fā)現(xiàn)、IP修改、軟件升級(jí)、區(qū)域劃分、報(bào)警類型配置、日志下載、配置系統(tǒng)的攝像機(jī)通道、智能攝像機(jī)分析功能、服務(wù)器識(shí)別算法、用戶管理等，同時(shí)提供Web瀏覽功能。通過(guò)管理軟件能實(shí)時(shí)顯示箕斗的運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、故障、并根據(jù)客戶選擇的配置打開(kāi)相應(yīng)的視頻監(jiān)控進(jìn)行查看。（2）礦用本安型交換機(jī)。內(nèi)置千兆和百兆光接口、百兆電接口，將前端的視頻信號(hào)和隔爆分析裝置的信號(hào)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)。（3）AI分析裝置?；贏RM+DSP的架構(gòu)，主要進(jìn)行各種智能分析算法的運(yùn)算，智能分析服務(wù)器主要用于集中分析現(xiàn)有攝像機(jī)的圖像，可以對(duì)箕斗殘留分級(jí)報(bào)警，同時(shí)具備箕斗運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析等功能。（4）礦用本安型高速AI攝像機(jī)。根據(jù)箕斗運(yùn)行速度，采用高幀率相機(jī)，有效提供抓拍的清晰度和有效性，即使是在高速運(yùn)行中的箕斗也能有效抓拍到清晰圖片，為分析識(shí)別率提供有效的前端保障。（5）聲光報(bào)警器及補(bǔ)光燈。針對(duì)箕斗位置特殊，環(huán)境噪聲大，增加一套聲光報(bào)警器，讓現(xiàn)場(chǎng)人員能第一時(shí)間接到報(bào)警，有效處理，保障提升系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。（6）系統(tǒng)主要工作過(guò)程。礦用本安型高速攝像儀采集現(xiàn)場(chǎng)高速運(yùn)行的箕斗卸載情況視頻數(shù)據(jù)，將視頻數(shù)據(jù)傳輸給礦用隔爆兼本安型分析裝置（內(nèi)置GUP和箕斗殘留識(shí)別算法），通過(guò)分析裝置的識(shí)別將分析結(jié)果通過(guò)礦用本安型交換機(jī)傳輸給監(jiān)控室的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的箕斗殘留識(shí)別軟件進(jìn)行統(tǒng)一顯示、報(bào)警和記錄。

6.系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)不僅只可以檢測(cè)箕斗卸載情況，還可以檢測(cè)箕斗運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)客戶端軟件具備實(shí)時(shí)報(bào)警和語(yǔ)音提示功能，該系統(tǒng)采用高幀率相機(jī)搭配高頻補(bǔ)光燈，抓拍的圖像清晰，系統(tǒng)具備自學(xué)功能，無(wú)需人為進(jìn)行樣本訓(xùn)練，識(shí)別率高。且造價(jià)低廉，功能完善，重大價(jià)值得以充分顯現(xiàn)出來(lái)。系統(tǒng)的主要功能具體如下：

（1）實(shí)時(shí)顯示、識(shí)別卸載點(diǎn)箕斗煤料堆堵?tīng)顩r，系統(tǒng)可對(duì)主井箕斗卸載進(jìn)行有效安全控制，以免箕斗重載下放或二次裝載的事故發(fā)生。（2）控制主機(jī)可檢測(cè)箕斗被測(cè)載面卸載殘留煤的厚度值，按預(yù)設(shè)的上、下限報(bào)警值進(jìn)行報(bào)警。（3）采用視頻監(jiān)控系統(tǒng)及圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)箕斗卸載情況的可視化監(jiān)控。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)既可以本地報(bào)警、本地顯示，也可以接入調(diào)度中心。（4）具有控制信號(hào)輸出，可根據(jù)報(bào)警等級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)停機(jī)并通過(guò)語(yǔ)音在司機(jī)臺(tái)發(fā)出聲音報(bào)警；（5）系統(tǒng)具備箕斗運(yùn)行情況實(shí)時(shí)檢測(cè)和報(bào)警功能。（6）運(yùn)用視頻監(jiān)控及圖像識(shí)別技術(shù)監(jiān)測(cè)箕斗卸載情況，與提升機(jī)控制系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)監(jiān)控保護(hù)，防止因卸載不凈導(dǎo)致重斗下放的情況發(fā)生。（7）具備Modbus-TCP協(xié)議與提升系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，讀取箕斗到位信號(hào)及不到位信號(hào)。（8）系統(tǒng)具備自學(xué)功能，無(wú)需經(jīng)歷漫長(zhǎng)的樣本搜集和訓(xùn)練過(guò)程。（9）系統(tǒng)具備語(yǔ)音報(bào)警功能，可通過(guò)客戶端進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警，彈窗預(yù)警及現(xiàn)場(chǎng)的聲光報(bào)警。（10）對(duì)監(jiān)控區(qū)域可以抓拍圖片及錄像，形成報(bào)警記錄，將報(bào)警信息推送到客戶端；可以對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行篩選確認(rèn)，按報(bào)警時(shí)間和所屬通道分類匯總并生成報(bào)表。

7.系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用機(jī)器視覺(jué)+人工智能的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)箕斗殘留的識(shí)別和報(bào)警，解決了箕斗殘留的問(wèn)題，系統(tǒng)通信設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，具有遠(yuǎn)程WEB管理功能，維護(hù)操作簡(jiǎn)便；

（2）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適合煤礦應(yīng)用的礦用高幀頻攝像儀，解決了提升機(jī)快速移動(dòng)的視頻采集問(wèn)題；

（3）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適合煤礦應(yīng)用的礦用隔爆兼本安型視頻分析裝置，內(nèi)置GUP和AI識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的提取和分析；

（4）具有聯(lián)動(dòng)控制功能：箕斗殘留識(shí)別后既可以報(bào)警和抓拍，給人員報(bào)警提示，也可根據(jù)設(shè)置輸出開(kāi)關(guān)量或者M(jìn)ODBUS-TCP協(xié)議進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

8.效益分析

系統(tǒng)采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，國(guó)內(nèi)首次使用基于視頻視覺(jué)的AI智能識(shí)別箕斗運(yùn)行狀況和殘留，直觀有效的識(shí)別出箕斗殘留數(shù)量和等級(jí)，大大降低了箕斗因殘留造成的灑煤和提升效率低的情況，減少了崗位工人的數(shù)量和人為判斷的誤區(qū)及盲點(diǎn)，提高生產(chǎn)和運(yùn)煤的效率，保障了提升系統(tǒng)的運(yùn)行安全，提升煤礦智能化水平。

9.結(jié)語(yǔ)

基于機(jī)器視覺(jué)的主井提升箕斗殘留識(shí)別系統(tǒng)是一種采用TCP/IP、流媒體視頻、人工智能等技術(shù)開(kāi)發(fā)的新一代基于機(jī)器視覺(jué)的主井提升箕斗殘留識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，支持TCP/IP通信協(xié)議，利用機(jī)器視覺(jué)+人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)箕斗殘留的有效識(shí)別和報(bào)警，解決了箕斗殘留無(wú)法識(shí)別的技術(shù)難題，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)提升箕斗卸載的殘留狀態(tài)，卸載殘留達(dá)到設(shè)定的閾值自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，抓拍照片及錄像，生成報(bào)警記錄。系統(tǒng)具備輸出聯(lián)動(dòng)控制接口和協(xié)議的功能，可以控制提升機(jī)停勾，為提升機(jī)的設(shè)備安全運(yùn)行和提升效率提高提供技術(shù)保障，該系統(tǒng)特別適合在煤礦主井惡劣環(huán)境中使用，整個(gè)系統(tǒng)智能化程度高、抗干擾能力顯著、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)了箕斗卸煤管理信息化、數(shù)字化和智能化，提高我國(guó)煤炭生產(chǎn)設(shè)備的研究設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制造能力安全生產(chǎn)水平。為煤礦智能化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)固的基礎(chǔ)。具有廣泛的應(yīng)用和推廣價(jià)值?？赏苿?dòng)我國(guó)無(wú)人（少人）智能提升自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。