安全可視化系統(tǒng)在礦山皮帶運(yùn)輸中的應(yīng)用

李永華 郝利軍 賈瑞敏 丁 科

（1.包鋼（集團(tuán)）公司白云鄂博鐵礦；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司）

我國智慧礦山總體建設(shè)處于起步階段，智能化建設(shè)程度良莠不齊，深入研究礦山各類典型場(chǎng)景，利用AI、大數(shù)據(jù)、機(jī)器視覺等新技術(shù)應(yīng)用支撐，提供適宜的智能化解決方案，對(duì)于智慧礦山自下而上構(gòu)建具有重要意義。皮帶運(yùn)輸機(jī)作為礦山開采最主要運(yùn)輸設(shè)備［1］，具有運(yùn)距長、載重量大、路況復(fù)雜、持續(xù)工作時(shí)間長等特點(diǎn)，易發(fā)生機(jī)械和意外傷害，屬于重點(diǎn)危險(xiǎn)源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)［2］，每年因皮帶輸送機(jī)引發(fā)事故數(shù)量和傷亡人數(shù)在各類事故占比約20%，造成較多的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。有效降低皮帶機(jī)事故發(fā)生頻率，確保安全生產(chǎn)，是各行業(yè)長期面對(duì)且亟待解決的問題。當(dāng)前，我國多數(shù)礦山皮帶運(yùn)輸機(jī)主要以定期巡檢和視頻監(jiān)控的管理方式，雖然基本形成了皮帶運(yùn)輸機(jī)管理制度，但易受現(xiàn)場(chǎng)工況、環(huán)境和人員等因素影響，風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別滯后，事故應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)，不能全面有效把控風(fēng)險(xiǎn)。

皮帶運(yùn)輸機(jī)安全生產(chǎn)需要從技術(shù)和管理2 個(gè)方面進(jìn)行綜合治理［3］，安全可視化監(jiān)控是研究的熱點(diǎn)方向，將皮帶運(yùn)輸機(jī)安全識(shí)別、預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)納入系統(tǒng)管理，升級(jí)改造難度小，是提升礦山運(yùn)輸安全的一種經(jīng)濟(jì)可行的方法，適合大部分礦山應(yīng)用推廣，有利于應(yīng)對(duì)當(dāng)前面臨的安全處境。

1 礦山皮帶安全可視化系統(tǒng)

皮帶運(yùn)輸機(jī)安全可視化系統(tǒng)是對(duì)當(dāng)前礦山視頻監(jiān)控的升級(jí)和優(yōu)化［4］。一方面，系統(tǒng)根據(jù)智能攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶運(yùn)輸機(jī)常見的故障與安全隱患類型特征，通過AI 識(shí)別分析、安全評(píng)價(jià)與預(yù)警，能夠提前發(fā)現(xiàn)問題。另一方面，系統(tǒng)對(duì)預(yù)警信息賦予應(yīng)急機(jī)制，對(duì)初態(tài)風(fēng)險(xiǎn)源及時(shí)切斷，避免事故發(fā)生；對(duì)已發(fā)事故從事件、人員、物資等多方面及時(shí)響應(yīng)應(yīng)急事件，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

皮帶運(yùn)輸機(jī)安全可視化系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，可兼容性強(qiáng)，由前端設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三部分組成。

前端設(shè)備層包括智能攝像頭、AI 超腦、控制中心。其中智能攝像頭采用礦用防爆本安型攝像機(jī)，200 萬高清像素，分布在皮帶運(yùn)輸機(jī)路徑關(guān)鍵監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)動(dòng)圖像實(shí)時(shí)采集；AI超腦為視頻算法識(shí)別服務(wù)器，將算法嵌入皮帶運(yùn)輸機(jī)常見各類異常場(chǎng)景識(shí)別模塊中，通過在模塊上訓(xùn)練擬合，發(fā)布到應(yīng)用攝像機(jī)上，進(jìn)行狀態(tài)跟蹤識(shí)別；控制中心則是對(duì)識(shí)別信息進(jìn)行反饋控制，如聲光報(bào)警、切斷電源、停機(jī)、減速等。視頻信號(hào)帶寬大，不宜與其他系統(tǒng)信號(hào)合并傳輸，網(wǎng)絡(luò)層采用視頻專網(wǎng)或隔離網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸，以確保信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性。應(yīng)用層包括存儲(chǔ)與應(yīng)用服務(wù)器和PC 端應(yīng)用系統(tǒng)，視頻存儲(chǔ)服務(wù)器對(duì)視頻影像記錄，應(yīng)用服務(wù)器支撐系統(tǒng)業(yè)務(wù)，在網(wǎng)段任意PC 端可以登錄可視化系統(tǒng)并進(jìn)行相關(guān)操作?？梢暬到y(tǒng)架構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)只展示現(xiàn)場(chǎng)視頻影像，需要監(jiān)控值班人員自主發(fā)現(xiàn)安全問題并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)度安排，而綜合大屏涵蓋生產(chǎn)安全多個(gè)方面，信息量大但監(jiān)控畫面覆蓋不全，容易忽視導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行安全隱患［5］。皮帶安全可視化系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過持續(xù)對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行狀況監(jiān)視識(shí)別，當(dāng)異常時(shí)，通過多種方式將報(bào)警信息發(fā)送至相關(guān)人員，形成事件處理流程檔案，主要有以下功能：

（1）人員安全監(jiān)視。人員主要有2 種不安全行為，一是進(jìn)場(chǎng)人員不佩戴安全帽，二是長時(shí)間滯留隔離區(qū)。智能攝像機(jī)嵌入高分度安全帽識(shí)別算法，當(dāng)識(shí)別到未佩戴安全帽的人員，會(huì)觸發(fā)安全帽報(bào)警事件，當(dāng)攝像機(jī)識(shí)別到工作人員進(jìn)入劃定隔離區(qū)，并在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)滯留，則觸發(fā)滯留事件，發(fā)出預(yù)警信息。事件發(fā)生后，便于及時(shí)提醒監(jiān)管人員干預(yù)制止，并將照片上傳至系統(tǒng)以供查詢。

（2）皮帶失速監(jiān)視。皮帶失速包括皮帶實(shí)際運(yùn)行速度低于或高于工作速度，如常見的過載、空載、控制系統(tǒng)故障等情況，易導(dǎo)致皮帶機(jī)設(shè)備疲勞，引發(fā)潛在危險(xiǎn)。攝像機(jī)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析滾筒標(biāo)識(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過運(yùn)動(dòng)算法計(jì)算運(yùn)轉(zhuǎn)速度，比較運(yùn)轉(zhuǎn)速度與設(shè)定速度，當(dāng)差值大于允許閾值時(shí)，觸發(fā)低速或超速事件，并上傳事件照片，發(fā)出報(bào)警信息并啟動(dòng)應(yīng)急處理程序。

（3）皮帶跑偏監(jiān)視。皮帶常發(fā)生打滑、皮帶張緊力不均勻等情況，導(dǎo)致皮帶跑偏，容易引發(fā)皮帶斷裂，造成較大事故。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別皮帶邊緣線與輥道內(nèi)沿線參考距離，當(dāng)皮帶與托輥的距離發(fā)生變化并到達(dá)預(yù)設(shè)的跑偏警戒預(yù)定值，且持續(xù)預(yù)定的時(shí)間不能消失時(shí)，觸發(fā)跑偏事件，上傳事件照片并報(bào)警，工作人員接收應(yīng)急信息后可通過控制器進(jìn)行停機(jī)，等待進(jìn)一步處理。

（4）堆料監(jiān)視。礦石易在皮帶轉(zhuǎn)彎處或者卸料口堆積，影響皮帶運(yùn)輸機(jī)正常工作。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶上礦料形態(tài)以及堆積高度，當(dāng)堆積高度和面積達(dá)到警戒值時(shí)且在一定時(shí)間不能自主消失，則系統(tǒng)觸發(fā)堆料事件，抓拍并發(fā)出預(yù)警，進(jìn)一步指揮調(diào)度人員排除影響。

（5）撕裂監(jiān)視。皮帶機(jī)長時(shí)間運(yùn)輸?shù)V料，受石塊磨損、撞擊較多，易導(dǎo)致皮帶缺口和撕裂，進(jìn)而導(dǎo)致皮帶較大程度的損壞。通過3D智能攝像機(jī)對(duì)皮帶底面進(jìn)行掃描，生成監(jiān)測(cè)模型，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析皮帶的創(chuàng)傷面大小監(jiān)測(cè)和預(yù)警，及時(shí)對(duì)皮帶進(jìn)行修復(fù)與更換。

（6）流量監(jiān)視。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)皮帶上礦料的寬度，計(jì)算皮帶利用率，可以設(shè)定供料強(qiáng)度等級(jí)，系統(tǒng)軟件可根據(jù)供料強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)皮帶電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控，即“量大提速、量小減速”的匹配機(jī)制，流量監(jiān)視調(diào)控對(duì)于降低能耗，觀測(cè)皮帶使用狀況，提高皮帶機(jī)壽命具有重要作用。

（7）報(bào)警與反饋控制。預(yù)警和報(bào)警事件觸發(fā)后，監(jiān)測(cè)大屏?xí)鲃?dòng)彈出報(bào)警窗口畫面，提示事件報(bào)告，并進(jìn)行聲光報(bào)警提示，必要時(shí)可以聯(lián)動(dòng)控制器停車，啟動(dòng)處理流程。

（8）綜合管理。綜合管理包括駕駛艙界面、皮帶基礎(chǔ)信息管理、人員班組管理、報(bào)警管理、維檢管理、大數(shù)據(jù)分析、資源管理、培訓(xùn)管理等功能。其中駕駛艙界面實(shí)現(xiàn)對(duì)皮帶機(jī)整體安全狀態(tài)評(píng)估，運(yùn)行事件統(tǒng)計(jì)，對(duì)皮帶運(yùn)輸機(jī)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新；報(bào)警事件根據(jù)皮帶區(qū)段、人員、資源等形成閉環(huán)流程，大數(shù)據(jù)分析根據(jù)歷史報(bào)警、故障、檢修等數(shù)據(jù)，生成皮帶機(jī)健康趨勢(shì)圖，用以指導(dǎo)皮帶運(yùn)輸機(jī)日常管理策略。

2 關(guān)鍵技術(shù)與方法

2.1 皮帶故障識(shí)別技術(shù)

礦山皮帶運(yùn)輸機(jī)故障識(shí)別是可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)，故障識(shí)別率取決于攝像機(jī)安裝位置及AI 識(shí)別算法的成熟度。根據(jù)運(yùn)輸皮帶主體功能、位置、視角、易發(fā)故障等情況綜合考慮選取攝像機(jī)位置，經(jīng)過調(diào)試即可，而AI 識(shí)別步驟一般包括皮帶運(yùn)行圖庫的獲取、篩分、提取特征圖集、識(shí)別模型訓(xùn)練、模型修正封裝、應(yīng)用發(fā)布等多次步驟，見圖1。

首先需要收集皮帶機(jī)故障，包括失速、跑偏、堆料、撕裂、人的不安全行為、流量等典型大類圖集，并將每種類型的多種情況篩分標(biāo)注，形成各自的特征圖集，然后根據(jù)編輯的算法模型進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，直到識(shí)別率達(dá)標(biāo)，然后對(duì)特征識(shí)別進(jìn)行模塊化封裝，最后部署在AI超腦服務(wù)器上，并發(fā)布到智能攝像機(jī)。

2.2 事件評(píng)價(jià)與預(yù)警

皮帶輸送機(jī)分多段同步運(yùn)行，每段出現(xiàn)問題事件則可能影響該段健康狀態(tài)，而整個(gè)皮帶機(jī)頻發(fā)多發(fā)問題事件則可能導(dǎo)致皮帶運(yùn)輸機(jī)故障。因此。需要建立皮帶運(yùn)輸機(jī)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)與預(yù)警機(jī)制，從而指導(dǎo)皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)行與檢修維護(hù)。

根據(jù)長期皮帶運(yùn)維的經(jīng)驗(yàn)工作總結(jié)，可以將皮帶安全狀態(tài)分為2 個(gè)層次進(jìn)行評(píng)價(jià)預(yù)警。人員不安全行為、某時(shí)間段失速狀態(tài)、某時(shí)間段撕裂狀態(tài)為輕微影響事件，需要繼續(xù)關(guān)注與干預(yù)糾正，而某時(shí)間段跑偏狀態(tài)、某時(shí)間段堆料狀態(tài)則為較重影響事件，需要停機(jī)調(diào)整。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)出現(xiàn)任意輕微事件，則需要關(guān)注；當(dāng)出現(xiàn)2個(gè)以上輕微事件或任意較重影響事件，則需要現(xiàn)場(chǎng)查看；當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)事件則需要立刻停機(jī)檢查。針對(duì)整條皮帶運(yùn)輸機(jī)器的安全狀態(tài)來說，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)任意一節(jié)不出現(xiàn)較重影響事件，則需適當(dāng)調(diào)度觀察，排除影響因素，當(dāng)出現(xiàn)較重影響事件則需停機(jī)檢修。結(jié)合故障識(shí)別與事件評(píng)價(jià)預(yù)警，可實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行健康監(jiān)測(cè)的智能化。

2.3 數(shù)據(jù)接口與預(yù)警聯(lián)動(dòng)技術(shù)

前端攝像機(jī)的預(yù)警事件發(fā)生后，會(huì)存儲(chǔ)在應(yīng)用服務(wù)器的事件數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫具備訪問權(quán)限管控設(shè)置及備份功能，通過開放接口連接可供選擇調(diào)用，訪問前通過鑒權(quán)簽名即可做權(quán)限管理。通過開放接口調(diào)用事件數(shù)據(jù)庫記錄，可查看預(yù)警信息，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可訪問視頻流媒體服務(wù)器事件相關(guān)視頻，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警事件的查看與存儲(chǔ)。

對(duì)于預(yù)警聯(lián)動(dòng)，可以通過移動(dòng)端提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器地址，根據(jù)預(yù)警事件安全等級(jí)，綁定相關(guān)責(zé)任人，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警事件內(nèi)容的定向推送，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，形成啟動(dòng)應(yīng)急處置流程，通過全程跟蹤事件形成PDCA閉環(huán)管理。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

礦山皮帶可視化系統(tǒng)在西南某礦山成功應(yīng)用，該礦山皮帶全長2 000余米，路段多處轉(zhuǎn)彎，共由7段連接而成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察測(cè)量，查閱皮帶建設(shè)基礎(chǔ)資料，將皮帶分為1 號(hào)放料段，3、4 號(hào)上下坡段，5 號(hào)轉(zhuǎn)彎段，2、6號(hào)直行段，7號(hào)出料段。根據(jù)皮帶段工況特點(diǎn)對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行優(yōu)化配置，共計(jì)23個(gè)設(shè)置點(diǎn)位，具體如下：

（1）1 號(hào)放料段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視、跑偏監(jiān)視、堆料監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點(diǎn)位。

（2）2號(hào)直行段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視點(diǎn)位。

（3）3 號(hào)上坡段有人員監(jiān)視、堆料監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點(diǎn)位。

（4）4 號(hào)下坡段有人員監(jiān)視、跑偏監(jiān)視、堆料監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點(diǎn)位。

（5）5號(hào)轉(zhuǎn)彎段有人員監(jiān)視、跑偏監(jiān)視點(diǎn)位。

（6）6號(hào)直行段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視點(diǎn)位。

（7）7 號(hào)出料段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點(diǎn)位。

攝像機(jī)部署后，基于系統(tǒng)現(xiàn)有的皮帶特征圖例，將事件評(píng)價(jià)與預(yù)警經(jīng)驗(yàn)方法納入到系統(tǒng)當(dāng)中，并對(duì)皮帶機(jī)對(duì)各類故障場(chǎng)景進(jìn)行模擬拓展，獲得更為全面的基礎(chǔ)圖庫，通過標(biāo)注、修正與調(diào)試，并對(duì)模型進(jìn)行了大量訓(xùn)練與優(yōu)化，試運(yùn)行了一個(gè)月，最終成功上線。系統(tǒng)識(shí)別率可達(dá)95%以上，能夠有效幫助皮帶智能化管理?，F(xiàn)場(chǎng)AI 實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控矩陣如圖3 所示。

4 結(jié)論

（1）通過研究事故隱患類型，搜集現(xiàn)場(chǎng)圖集，訓(xùn)練各算法模型，形成了識(shí)別率達(dá)95%以上的可封裝應(yīng)用AI識(shí)別技術(shù)，讓被動(dòng)識(shí)別轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)識(shí)別，提高安全管理的確定性與穩(wěn)定性。

（2）通過現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，形成了皮帶機(jī)整體和局部的安全等級(jí)評(píng)價(jià)算法，用以指導(dǎo)皮帶機(jī)的運(yùn)維，通過將預(yù)警事件與負(fù)責(zé)班組聯(lián)動(dòng)起來，跟蹤處理流程，形成事件響應(yīng)的閉環(huán)管理。

（3）作為礦山生產(chǎn)的運(yùn)輸工藝環(huán)節(jié)，皮帶運(yùn)輸機(jī)承擔(dān)連通礦料進(jìn)出，具有重要作用。皮帶安全可視化系統(tǒng)可以發(fā)掘更多安全生產(chǎn)的場(chǎng)景模式，提供豐富的接口，便捷數(shù)據(jù)共享與應(yīng)用，可以與其他系統(tǒng)友好銜接，有利于智慧礦山整體建設(shè)。