矿用带式输送机视觉安全防护系统研究与应用

姚红帅

（西山煤电（集团）有限责任公司大数据中心，山西 太原 030053）

1 概况

杜儿坪煤矿设计年开采量为385 万t，可采煤层7 层，煤层总厚度18.78 m。目前对20334 工作面进行综采作业，随着开采作业效率的提升，当前采用的DSJ70 型带式输送机载重、运输速度等作业负荷不断增加。作为井下作业关键设备，仅2021年5 月就因输送大块矸石、大块煤块导致输送带纵向撕裂两次，且在综采作业期间，出现过三次因堆煤导致输送机机架变形情况，虽然巡检人员及时发现问题并进行修复，但作业效率大受影响。基于此，采用机器视觉的图像检测技术进行矿用带式输送机安全防护系统研究，实时高效检测输送皮带存在的大块物料、堆煤以及机头位置人员入侵情况，对保证井下带式输送机安全稳定运行[1]，确保煤矿安全开采作业具有重要现实意义。

2 系统整体架构设计

针对杜儿坪煤矿带式输送机运行期间大块物料以及人员入侵等危险因素监测实际需求，设计的基于视觉带式输送机安全防护系统共包含四大子系统：视觉信息采集系统、信息交互系统、视觉信息处理系统以及连锁控制系统。1）视觉信息采集系统主要由图像捕捉设备、辅助灯光设备以及电源设备等构成，针对大块物料、堆煤、人员入侵等配置独立防爆摄像机完成画面采集[2]，实时稳定采集带式输送机不同角度画面数据；2）信息交互系统主要实现视觉信息采集系统与信息处理系统的数据传输，核心设备是井下防爆交换机、传输光纤和网线[3]；3）视觉信息处理系统是安全防护系统的核心，完成视觉采集信息的显示、储存、分析处理以及管理，能够精准识别图像信息中存在的危险元素，按照程序设定进行报警或控制带式输送机运行状态等连锁动作；4）连锁控制系统包含了控制板卡、报警装置等设备，能够根据视觉信息处理系统的识别结果进行报警或控制带式输送机启停。矿用带式输送机视觉安全防护系统整体架构如图1。

图1 带式输送机视觉安全防护系统架构图

3 系统硬件选型

3.1 防爆监控装置

系统识别图像采集通过防爆摄像机完成，拍摄带式输送机实时状态画面作为原始信息，通过分析系统信息处理识别出是否存在大块物料、堆煤或人员入侵等危险情况发生。摄像装置的选型主要考虑了工况环境、信息传输方式、画面采集频率以及画面识别分辨率等[4]，系统选配了KBA-127B 型防尘防爆型光纤高清摄像机，具有煤安认证，满足井下设备国家标准要求，性能参数见表1。该型摄像机的帧率为35 fps，系统对视觉图像的处理能力要大于该型摄像机拍摄帧率，保证系统信息处理的无延迟性和可靠性[5]。

表1 KBA-127B 型防尘防爆型光纤高清摄像机性能参数表

3.2 防爆交换机

基于视觉图像采集帧率与分辨率参数，为了保证信息数据传输效率，系统选用KJJ12 型千兆交换机进行数据通信和信息交互。交换机实际带宽为理论带宽60%时，能保证传输效率[6]，而摄像设备最大压缩码率为10 Mbps，系统共配置了12 台摄像设备，因此千兆交换机带宽能满足系统需求。该型交换机防爆等级为Exib I，端口数为2 路光信号端口、3 路485 信号端口。

3.3 控制板卡

为了实现系统能够根据视觉信息处理系统结果按照设定程序进行报警或带式输送机连锁控制等功能，系统选配PCI1761 型控制板卡进行信息输出。该型板卡具有8 路数字隔离输入和8 路继电器输出，支持Win7、Win10 和Linux 系统，能够使用C#、C++、LabVIEW、Java 等语言进行编程，配合工控机完成程序控制。

3.4 工控机

作为处理系统的核心，要求具有足够的图像信息处理能力和优秀的数据传输系统，能够对摄像机采集的图像信息无延迟、无卡顿地进行识别，选用东田工控开发的IPC-24605-IH310MB 型工控机，与控制板卡通过PCI 卡槽连接，性能数据见表2。

表2 IPC-24605-IH310MB 型工控机性能参数

4 系统软件设计

系统软件平台依托前端视觉信息采集设备、信息传输通信装置以及视觉监测算法，配合功能模块实现带式输送机运行状态显示、异常运输与人员入侵识别、紧急情况报警、连锁控制带式输送机启停、信息统计与记录等功能。系统软件平台以功能模块设计理念进行构建，包含异常检测模块、信息显示模块、数据管理模块、报警控制模块和系统设置模块，系统检测算法流程如图3。系统对大块物料、堆煤和人员入侵三种安全威胁状态分别采用了不同的检测算法，其中大块物料检测是基于深度学习的目标检测算法，而其他两种状态检测则是基于目标的图像特征，区别在于人员入侵是利用多帧图像经过时差对比判定，而堆煤是采用单张图片完成判定。

图3 系统软件算法流程图

1）异常检测模块

异常检测模块实时监测带式输送机运输状态与环境安全，是系统的主要功能模块，通过对大块物料、堆煤、人员入侵等异常状态图像识别与算法系统训练完成样本库建立，通过与样本库数据对比识别不同尺寸图像、不同位置异常状态，对设备安全状态进行判定。另外，该模块还配置了线激光辅助检测激光条纹系统进行皮带撕裂故障检测、区域面积对比装置进行跑偏检测等。

2）信息显示模块

信息显示模块是系统人机交互的基础[7]，可以为操作人员提供系统视觉监测画面、带式输送机安全故障信息以及系统状态信息等。系统上位机显示界面包含七个一级界面，如图4，分别为：开始监控、添加摄像头、摄像头列表、采集报表、监控调试、参数设置以及修改密码；各一级界面下还配置有二级监测、控制与数据管理界面。除显示系统监测对象的状态信息外，信息显示模块还对系统本身的数据传输状态、硬件连接状态以及模块是否在线等状态信息配置了查询界面。

图4 系统上位机主界面

3）数据管理模块

该模块主要通过Mysql 数据库管理软件完成相关功能[8]，对系统信息采集数据、中间处理数据以及判定结论数据进行管理，实现数据的通信、处理、查询与统计。用户可以通过上位机的人机交互系统对系统数据进行修改、增设或删除，对检测故障类型和频次等数据进行查阅与打印。

4）报警控制模块和系统设置模块

报警控制模块根据系统设定的控制逻辑实现监测区域和控制室的声光报警以及带式输送机自动控制启停功能。系统设置模块对用户开放，根据不同的检测需求手动修改系统参数和用户管理信息。

5 应用效果分析

将研究的矿用带式输送机视觉安全防护系统应用在杜儿坪煤矿，对20334 工作面综采作业设备DSJ70 型运行状态进行监测。在监控室发生声光报警时的实际监测画面可以看出，运输皮带出现大块物料、堆煤和人员入侵的异常状态，系统检测精度与准确度能够满足井下带式输送机安全运行实际需求。

6 结语

针对杜儿坪煤矿井下带式输送机因大块物料运输、堆煤导致设备故障问题，进行安全状态检测系统设计研究，形成以下结论：

1）安全状态检测系统包含视觉信息采集系统、信息交互系统、视觉信息处理系统以及连锁控制系统。四个子系统通过软件平台有机结合，对带式输送机的大块物料、堆煤、人员入侵等异常状态进行识别、报警，并根据系统程序设定连锁控制带式输送机启停。

2）对大块物料、堆煤、人员入侵三种异常状态监测，系统采用了不同的软件算法，大块物料检测是基于深度学习目标检测，堆煤采用单张图像特征完成判定，而人员入侵则利用多帧图像对比判定。