基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统设计研究

李玮琳

（长春工业大学人文信息学院 信息工程系，吉林 长春 130000）

有色金属矿山智能监控系统是矿山安全生产中最重要的组成部分，监控系统的性能决定着矿山企业的安全生产、灾害防治以及经济效益等。在矿山施工过程中，对于设备运行状进行实时的监控能够在最大程度上保证设备运行的稳定性，提高作业效率，同时降低由于设备故障问题产生的矿山事故概率[1]。因此，为更加有效的改善传统矿山设备的运行现状，本文结合图像融合技术，建立一套智能的有色金属矿山设备运行监控系统。

1 基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统硬件设计

（1）监控器。监控器是基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统硬件设备重要组成部分，其主要是在系统运行过程中将光信号转化为电信号。监控器分辨率的高低将直接关系到整个系统的运行结果，所以要根据有色金属矿山设备运行故障监控需求合理选取监控器。系统所用到的监控器根据感光芯片的不同分为GFB监控器和GFC监控器。下表为GFB监控器和GFC监控器优缺点比较。

表1 GFB监控器和GFC监控器优缺点

通过表1可以发现GFC监控器在应用过程中虽然成本和耗电量较高，但是采集到的图像品质比GFC监控器要高。GFC监控器由于感光单元的排列方式不同，又分为面阵监控器和线阵监控器，表2为面阵监控器和线阵监控器优缺点比较。

表2 面阵监控器和线阵监控器优缺点比较

根据以上面阵、线阵两种监控器优缺点比较，线阵监控器更符合系统设计需求，所以此次系统监控器硬件设备选择GFC型号的线阵监控器来完成机械故障图像采集工作。为了能够更精准的拍取到机械故障，将监控器的采集速度设置为1250mm/s，宽幅为400mm，横向精度为0.35mm，监控器像素设置为2048像素。除此之外，扫描率为15.69klps，以此来保证图像的质量。编码器只要是将监控器采集到的图像信号进行编码，将其转化为可传输和储存的数据。由于编码器需要周期性对GFC线阵监控器采集的图像进行编码，并且为了配合工业机械的生产，编码器要满足生产线200m/min的机械运转速度，以及为了满足与监控器分辨率保持一致，此次系统选用一款由上海恒祥企业生产的增压式编码器，外径为35mm，轴径为19mm，厚度为15.3mm，分辨率可达到5000P/R，该编码器的信号出口可以直接与监控器的出发端口连接，并且可以智能自动对图片信号编码，使检测的机械故障与相机同步。

（2）电源设计。在基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统中，系统的电压可能会存在不稳定，或者有毛刺干扰等问题，所以在系统的电源设计时要考虑到外界干扰的因素，将系统电源外界干扰因素全部排除掉，为系统的正常运行提供稳定的电源环境。所以此次采用开关电源的设计准则来对系统的电源进线合理设计，当电网电压处于动态变化时系统也能保持相对稳定的运行状态，下图为基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统开关电源电路图。

图1 基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统开关电源电路图

正常情况下，系统的输入电流为220V，开关电源芯片采用BGVN001，系统电源的变压器采用高频变压器，电源电压范围为交流200V～240V，该电源基本能满足系统各个硬件设备的电流和功率需求。

2 基于图像融合的有色金属矿山智能监控系统软件设计

（1）基于图像融合的有色金属矿山数据处理。基于图像融合的有色金属矿山数据处理是以上文监控器、传感器等硬件设备作为基础，对有色金属矿山施工过程中运行的各类设备的状态及运行参数进行采集，并将数据准确的传输到上位机当中。根据不同设备的运行要求，对其进行模糊控制。首先，利用相关程序编写软件，对监控器进行初始化控制，在完成初始化后，判断以太网通讯是否正常。其次，分别向监控器赫尔循环采集传感器发出对应的上位机监控指令，在其完成响应后，对采集到的数据进行检验，并对采集到的图像信息中的造成进行过滤。图像数据的采集，本文采用图像融合技术完成，在图像上的目标像素添加一个融合窗口模板，设窗口模板的大小为T，则其计算公式应为：

公式（1）中，n表示为图像中像素点个数。在该融合窗口模板中，选取平均值作为目标像素。假设目标像素点为（a，b）则，通过图像融合后的该点像素值应为：

公式（2）中，f表示为融合后当前图像当中的像素总数。将融合后的图像进行阀值分割处理，像素值可以设置为数值同时也可以假设为一个区间。对阀值分割后的图像进行形态学处理，将矿山运行设备的结构元素及图渠道的设备图像信息进行对比，并分析和识别出二者之间存在的差异，并将差异数据进行记录，完成对有色金属矿山数据的采集与处理。

（2）有色金属矿山设备故障智能监控。当利用图像融合实现对有色金属矿山设备运行数据处理后，利用STEP8-Mfiso64编程软件中的监控功能实现对有色金属矿山设备运行过程中的各类故障问题智能监控，具体步骤为：第一步，设置异步串口通信方式，设置波特率为3600bps，无检验位，8个数据位，接收模块将处理后的设备运行数据信息返回。点击编程软件当中的调试按钮，打开开始程序状态监控窗口，在显示的窗口当中对当前设备的运行状态进行监测，并查看有色金属矿山设备各个执行元器件的闭合或断开状态，根据处理后的数据向单片机发送正确的AT读指令，观察设备主机显示的具体零部件信息，查看有色金属矿山设备电机是否正常运行；第二步，当有色金属矿山设备发生故障问题时，通过编程软件当中的强制方式，将急停按钮关闭，让有色金属矿山设备迅速停止运行，再通过监控表对故障位置进行定位和判断，当本文系统接收返回信息时，采用终端方式检验是否有信息传输，并判断传输数据的安全。若数据正确，则判断该数据为信息类型，并由模块将单片机信息的不同头信息返回，以一个ok结束，对提取的信息进行不同处理。若数据属于下传数据，则再将其利用LED数码管显示控制信息，LED数码管显示的是从键盘输入到发送的数据，以及接收到的有色金属矿山设备实时运行数据；第三步，待故障全部排除后，再通过远程监控对其进行调试，待恢复正常后重新启动有色金属矿山设备，让有色金属矿山设备正常运行，以此实现基于图像融合的有色金属矿山智能监控。

3 实验

（1）实验条件。构建实例分析，验证本文监控系统由于传统监控系统的实际应用性能。选取某有色金属矿山中常见的运行设备作为实验对象。该矿山设备的具体参数，如表2所示。

表3 矿山设备具体参数表

结合表2矿山设备具体参数，设置监控点数量为3个。本次实验内容为：测试两种监控系统的监控波特率（监控波特率是指监控数据每秒的波形振荡数），监控波特率数值越高，证明该监控系统的监控效率越好。设置监控时间节点为14：50、15：00以及15：10。首先使用本文设计监控系统，对该矿山设备的运行情况进行监控，设其为实验组；再使用传统监控系统，对该矿山设备的运行情况进行监控，设其为对照组。

（2）实验结果分析与结论。根据上述设计实验，完成对比实验，并采用Hadoop-1.0.3稳定版软件记录实验组与对照组的监控波特率。对比两种监控系统下得到的监控波特率，整理实验结果如下图2所示。

图2 监控波特率对比图

通过图2可得出如下的结论：本文设计的监控系统在相同的测试时间中监控波特率明显高于对照组，监控效率更高，能够实现对有色金属矿山运行设备的高效监控。通过实例分析的方式可以证明，所设计的监控系统可以广泛应用于有色金属矿山设备监控方面。

4 结束语

有色金属矿山的智能化发展是矿山施工技术不断提升的重要表现，本文针对传统监控系统在对矿山运行设备进行监控时存在的问题，将图像融合技术引入其中系统当中，对其进行优化设计。通过研究得出，利用图像融合技术可以实现对设备运行监控的可视化，在一定程度上起到降低工作人员工作量的效果，并进一步为智能化矿山建设提供技术支撑。