基于圖像分析技術的皮帶運輸機膠接頭檢測系統設計研究

翟立偉

(寶山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠,上海 200941)

1 概述

皮帶運輸機是一種提供連續傳送物料的運輸設備,具有連續平穩、距離長、省電、應用場景廣等優點,在冶金、電廠、港口碼頭、礦山等眾多行業應用,為企業節省了人工運輸成本,提升了自動化程度,帶來了巨大經濟效益。

在冶金行業的生產過程中,原料運輸一般都是通過皮帶運輸機進行傳送的,為了保證企業連續穩定生產,皮帶運輸機正常安全運行是必不可少的。皮帶運輸機在輸送散狀物料時,輸送皮帶在長期使用過程中產生自然磨損,以及由于外力表面產生磨損,或是其他各種原因造成皮帶內部或外部的損傷,對安全生產造成隱患[1-2]。其中,由于皮帶長時間使用、重負載強拉力或皮帶接頭膠接工藝問題等[3],輸送皮帶的膠接頭部位特別容易劣化而產生缺陷,如圖1所示。這些缺陷如不及時處理,極易發生皮帶拉斷等嚴重的生產事故。

圖1 劣化缺陷皮帶Fig.1 Deteriorated defective belt

在實際工作中,這些皮帶膠接頭部位的內部或外部早期缺陷往往可以通過皮帶表面表現出來,有經驗的現場操作員可通過皮帶表面狀況,判斷皮帶及膠接頭存在的缺陷程度,提前采取規避事故的措施。冶金行業采用的皮帶運輸機一般都是長距離,而且現場工況環境惡劣復雜,人工現場巡檢耗時久、效率低、風險性高。

考慮到圖像分析技術具有非接觸性、連續可重復性和成本低等優點[4-5],適用于惡劣工業環境。因此,通過對以往皮帶膠接頭發生斷裂或皮帶長時間使用磨損撕裂事故等進行調查和機理研究,本文提出了一種基于圖像分析技術的皮帶運輸機膠接頭檢測系統,2019年1月已在寶鋼煉鐵廠投入使用。該檢測系統滿足現場生產要求,運行穩定,檢測精度良好,取得了很好的使用效果。

2 系統構成

如圖2所示,本設計提出的皮帶運輸機膠接頭檢測系統主要由皮帶膠接頭檢測裝置、線陣相機、光源、圖像采集終端(下位機)和圖像分析服務器(上位機)等組成。系統在現場實時采集皮帶膠接頭的表面圖像可遠程傳輸到上位圖像服務器進行存儲、顯示、分析及處理等。

圖2 檢測系統組成示意圖Fig.2 Composition of detection system

皮帶膠接頭檢測裝置是本系統實現的基礎,主要負責皮帶膠接頭到達采集范圍時,提供給線陣相機一個同步采集信號。本系統采集裝置安裝在皮帶尾輪的斜上方,通過預先在膠接頭附近端面埋設一個皮帶運行位置標簽,基于磁鋼材料,使其周圍產生一個固定的磁場,并在返程皮帶靠近尾輪附近位置,選用霍爾元器件作為檢測器件,加載一個恒定電流。當皮帶運轉且磁鋼運動到附近霍爾元器件時,電流與磁場垂直方向產生電位差,此時電路立即發出一個脈沖信號,驅動攝像機開始采集膠接頭圖像,從而保證每一幅圖像與皮帶具體物理位置一一對應。

獲取高質量穩定的膠接頭圖像是本系統進行圖像分析識別的前提和核心。工業相機一般可分為面陣和線陣相機兩種。面陣相機獲取的像素是按照成面分布的,一般用于靜態目標的獲取；線陣相機的感光模塊具有一行像素,具有更高的光譜響應,適用于高速運動的動態物體。本系統關注的對象是高速運行的皮帶,為保證膠接頭圖像精度和采集頻率,選用線陣相機為采集單元,基于CMOS線掃描技術,具有4K單芯片線像素陣列,線速高達80 kHz,因此采樣精度和響應速度符合現場運輸皮帶機的運轉速度。本系統采用可調節采像位置的固定架,安裝在皮帶運輸機的尾部滾筒的后部上方,使線陣攝像機的焦點對準包裹在尾部滾筒上的運輸皮帶的表面。

光源照明組件是光學成像的關鍵。為了提供照明均勻且強度適當的成像區域,選用多組具備光學透鏡模組的LED光源組合,且光源長度覆蓋線陣相機的整個掃描寬度,光照射角度可調節。本系統將光源照明組件固定在可調節光點位置的固定架,并安裝在皮帶運輸機的尾部滾筒的上方,現場可根據實際情況調節固定架上的光源部件,保證光源聚焦的位置與線陣相機采像位置相一致,即對準包裹在尾部滾筒上運輸皮帶表面。通過前期調試,光源強度匯聚在同一條水平線上,可以覆蓋線陣相機采集區域,從而符合膠接頭圖像的清晰度要求。

下位機端主要負責完成膠接頭圖像采集、預覽保存、參數設置及圖像上傳等功能。根據用戶設置相關參數,等待皮帶膠接頭檢測裝置的檢測信號,當信號到達以后,通過千兆網絡從高速線陣相機獲取實時膠接頭圖像,進行保存和預覽,并通過光纖網絡上傳至上位機端。

上位機端支持現場用戶對多條運輸機膠接頭圖像管理功能。對下位機端獲取的膠接頭圖像,通過實時圖像處理及分析等檢測過程,完成膠接頭區域定位及缺陷檢測,并提供缺陷圖像查詢、自動報警等功能。

3 分析過程

皮帶運輸機膠接頭檢測系統的核心,就是對于現場高速采集的膠接頭圖像數據進行處理分析,并給出檢測結果。本系統設計的檢測分析過程主要包括:膠接頭圖像增強處理、膠接頭區域分割、膠接頭缺陷分析判斷等。

3.1 膠接頭圖像增強處理

皮帶運輸機膠接頭圖像的采集處理過程中,尤其是在惡劣的工業生產環境會導致圖像質量下降,例如噪聲干擾、光照不均勻等,從而影響圖像分析的效果。

待檢測目標對象是膠接頭皮帶表面區域,而皮帶表面圖像中的膠接頭區域與背景區域的灰度情況相近,對比度并不高。因此在所設計的系統中引入圖像直方圖均衡化技術,通過對膠接頭圖像的灰度映射變化,增強像素數多的灰度級別,同時降低像素數少的灰度級別,從而提高膠接頭區域附近的圖像對比度,提升了膠接頭區域的可見檢測性,為后續區域分割打下了堅實基礎。

3.2 膠接頭區域分割

膠接頭區域分割是將膠接頭部分從背景中提取出來,更突出圖像特征。一般的圖像分割方法需預先設置閾值,對目標區域與背景區域進行區分,適用于兩者之間有明顯差異的場景。由于寶鋼現場光照條件復雜,以及所設計系統的應用場景的需求,閾值分割的方法并不適用。

通過對歷史膠接頭區域圖像特性的分析,本系統引入了非線性尺度空間理論[6],完成膠接頭區域邊緣特征點檢測。非線性尺度空間相比傳統線性尺度空間,在提取特征階段,降低現場環境噪聲的同時,更好地保持了目標關鍵細節,從而保證了準確性。

非線性尺度空間的構造過程,主要基于各向異性的擴散方程模型。該模型在處理圖像內部光滑區域時,接近于傳統的線性擴散方程；而在處理圖像內部各區域邊界時,不產生相關擴散,可有效保留邊緣細節信息。

基于非線性擴散濾波器來構造連續層次的尺度空間,并在目標區域內進行非尺度分解。非線性擴散濾波器視為圖像亮度在不同尺度參數下的變化,并被定義為某種形式的流動函數的散度,通過非線性偏微分方程來描述。同時,在異向擴散過程中,引入電導率函數,模擬圖像尺度變化過程中的平滑處理,將圖像限制在目標區域內,且不能跨區域,從而減少向邊緣位置擴散,在進行多尺度分解的過程中更好地保留原邊界細節信息。

在關鍵點檢測過程中,首先,對于圖像中的每個像素點,與同一尺度內的相鄰各點以及上下鄰近尺度空間內的相鄰點進行比較,并獲取關鍵點,對應于局部極值點(極大值或極小值)；然后,通過計算不同尺度歸一化后的Hessian局部極大值點,來提取特征點；最后,利用特征點局部圖像結構特性來計算其主方向,從而保證圖像旋轉不變性。

對上述獲取的特征點,采用主成分分析法進行特征降維,利用隨機抽樣一致算法將異常點剔除,最后匹配分析獲取膠接頭區域。

3.3 膠接頭缺陷分析判斷

系統通過分析獲取的膠接頭區域圖像中的區域面積(區域所占像素總數)、區域寬高比(圍繞區域外圍的最小外接矩形的寬度和高度比值)、區域周長(圍繞區域外圍的邊界像素總數)以及區域直方度特性等特征,采用支持向量機模型[7]進行缺陷判別。

如圖3所示,紅色標識的是分割提取到的膠接頭區域,藍色標識的是通過分析模型檢測出的缺陷區域,該缺陷區域反映了膠接頭磨損及開裂現象。

圖3 檢測結果圖Fig.3 Detection result graph

4 應用效果

本文闡述的基于圖像分析的運輸機皮帶膠接頭系統,目前已應用于寶鋼煉鐵廠三燒結區域的SP302、SP301及SP401等6條運輸皮帶機。

以運輸皮帶機SP302為例,如圖4所示,下位機端的工控機電腦、線陣相機和光源照明組件安裝于皮帶運輸機的尾部滾筒的后部上方；在膠接頭附近一側的皮帶中嵌入皮帶運行位置標簽,并將位置檢測傳感器固定安裝在運輸皮帶機架上。

圖4 實施現場效果Fig.4 Effect of implementation site

圖像分析檢測系統服務器(上位機)設置在燒結中控室中,通過光纖連接現場的下位機端,系統軟件和檢測效果見圖5。

圖5 系統軟件圖 Fig.5 System software diagram

通過12個月的現場使用,本系統的準確率為94.2%,召回率為97.6%,獲得了較好的應用效果。

5 結語

本文闡述了一種基于圖像分析技術的皮帶運輸機膠接頭檢測系統,詳細介紹了其工作原理和系統構成,其分析過程包含了膠接頭圖像增強處理、膠接頭區域分割和膠接頭缺陷分析判斷等步驟。該系統已實際應用于寶鋼煉鐵廠三燒結區域,并實時監測6條皮帶運輸機的運行狀況,檢測精度高,具有較好的應用價值。該系統為及時發現運輸皮帶表面缺陷提供了有效保障,實時預警并提醒現場人員處理,有效防止了由于皮帶膠接頭缺陷而引起的重大事故。