基于機器視覺的主井提升箕斗殘留智能識別系統

＊趙婧 王浩 馮杰

（山西高河能源有限公司 山西 046000）

立井提升系統是煤礦運輸的咽喉，提升效率決定著煤礦的生產效率，而影響主井提升機安全運行和提升效率的主要因素就是箕斗殘留而導致的重復裝載提升，在主井提升機箕斗卸煤時，會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或箕斗因內部磨損等情況，會造成箕斗卸載不完全而余煤。如箕斗余煤，則會造成重復裝載提升，從而井底每箕斗提升的效率，嚴重的會導致提升機過載跳閘，此時必須安排人員從副井下井至裝載硐室，人力將箕斗內多余的煤扒出。如余煤量過大，則需使用手拉葫蘆等工具將箕斗扇形門拉開縫隙，慢慢將煤從箕斗放出至井底，如操作不當很容易將主井底防撞梁、梯子間等砸壞，擴大事故。人員在井筒高空作業，危險系數較大，且耗費大量人力物力，影響生產時間。如箕斗余煤，提升機過載保護設定值較大，未發生過載跳閘，則會重物超載提升，提升機加減速或制動時，很可能因鋼絲繩與滾筒摩擦力不足而造成下滑，后果更是極其嚴重。在以往的提升器中，箕斗殘留檢測一直是一個大難題，箕斗殘留檢測也顯得異常重要，隨著礦井視頻監控、信息處理和人工智能技術的發展，一套基于視頻智能分析的直觀的、可靠的箕斗殘留識別檢測系統應用而生。

1.系統研究背景及意義

礦井箕斗卸礦過程中，時常會遇到因各種因素造成的箕斗中存在殘余煤炭的情形，本來應當全部卸載的煤，部分被截留于箕斗中。箕斗存在余礦時，由于每次裝入一定量的礦石，將使總重量加大，在運行的加速過程中，牽引繩的受力增大，嚴重時會導致牽引繩繃斷，箕斗墜落，引發嚴重的安全事故。主井提升機擔負著全礦的生產運輸任務，主井提升機的安全、可靠、高效運行是保證高效生產的關鍵，而影響主井提升機安全運行的最大障礙之一就是箕斗不能完全卸空而導致的重復裝載，不僅使計量不準，還容易造成事故。在以往的提升器中，箕斗裝載的檢測一直是一個大難題，其難點在于箕斗是一個移動的容器，檢測信號的傳輸難以實現。由此可見，上述現有的礦井提升機箕斗卸空控制仍存在缺陷，亟待進一步改進。為了解決上述存在的問題，全國技術人員都費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計能完美解決此問題。因此開發一種新的主井提升機配套的箕斗卸空檢測識別裝置，迫在眉睫。

2.系統設計原則

系統設計遵循技術先進、功能齊全、性能穩定、節約成本的原則，并綜合考慮維護及操作因素，并將為今后的發展、擴建、改造等因素留有擴充的余地。其具有以下原則：

安全性：符合礦井安全生產要求，所有井下設備均通過MA認證，達到國家規定安全指標的基礎上，提升系統的性能。

先進性：系統的技術性能應達到國際先進水平，同時系統的安裝調試、軟件編程和操作使用應簡單易行，容易掌握。

經濟性與實用性：充分考慮箕斗殘留檢測實際需要的信息技術和發展趨勢，根據實際環境選用符合現場應用的配置方案，充分考慮系統性價比，節約工程投資，同時保證系統功能，經濟實用。

可靠性：系統滿足7×24h，全年365天全天候長期穩定運行。

穩定性：系統設計具有較高的穩定性，系統具有一整套完整的系統管理策略，保證系統的穩定運行。

迭代性：系統軟件、算法可以進行在線升級迭代和擴展。

3.系統概述

系統在主井上口箕斗卸載處安裝一套高幀率攝像儀，通過高算力的分析裝置，將抓拍到的圖像實時傳輸至分析裝置進行分析，檢測箕斗運行狀態，發生異常或者殘留進行報警，并在操作室客戶端軟件實時發出報警，提醒操作人員進行有效操作，系統具備歷史數據查詢，并根據數據分析，提示檢修人員將經常發生殘留的箕斗進行改造，減少殘留概率，并持續改進，徹底杜絕殘留，保障提升系統安全、穩固、可靠及智能化等。

4.系統詳細設計

（1）系統結構及組成。基于機器視覺的主井提升箕斗殘留智能識別系統，主要包括監控計算機、礦用本安型交換機、礦用隔爆兼本安型分析裝置、礦用本安型高速攝像儀、礦用隔爆型補光燈、礦用隔爆兼本安型電源六個部分，系統利用安裝在箕斗的礦用本安型高速攝像儀和內置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現對主井提升箕斗殘留的視頻識別，視頻數據和分析報警數據通過安裝在提升機監控室的監控計算機進行顯示、報警和記錄。

（2）系統設備組成及連接分布。①攝像儀和補光燈安裝于箕斗開口部位上方位置，與豎直面夾角呈約10°～30°，攝像儀以拍攝到箕斗底部為宜，并手動調節焦距至最佳狀態；②現場可根據實際情況將攝像儀和補光燈安裝于同側或分開兩側安裝；③頻閃燈為脈沖觸發，與攝像儀之間通過觸發線相連；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，防止線纜損耗導致攝像儀無法啟動；⑤考慮攝像儀為高幀率相機，帶寬占用大，所以攝像儀與分析裝置之間的網線需選用六類網線，分析裝置內部也需千兆交換機進行轉發。

5.系統主要設備功能

（1）監控計算機和AI客戶端軟件平臺。監控計算機平臺安裝在提升機監控室，可實時查看現場視頻，具備分析預覽、實時預覽及報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，客戶端可以對所有攝像機和智能分析裝置進行設備發現、IP修改、軟件升級、區域劃分、報警類型配置、日志下載、配置系統的攝像機通道、智能攝像機分析功能、服務器識別算法、用戶管理等，同時提供Web瀏覽功能。通過管理軟件能實時顯示箕斗的運行狀態、環境狀態、故障、并根據客戶選擇的配置打開相應的視頻監控進行查看。（2）礦用本安型交換機。內置千兆和百兆光接口、百兆電接口，將前端的視頻信號和隔爆分析裝置的信號傳輸給監控計算機。（3）AI分析裝置。基于ARM+DSP的架構，主要進行各種智能分析算法的運算，智能分析服務器主要用于集中分析現有攝像機的圖像，可以對箕斗殘留分級報警，同時具備箕斗運行狀態的實時監測分析等功能。（4）礦用本安型高速AI攝像機。根據箕斗運行速度，采用高幀率相機，有效提供抓拍的清晰度和有效性，即使是在高速運行中的箕斗也能有效抓拍到清晰圖片，為分析識別率提供有效的前端保障。（5）聲光報警器及補光燈。針對箕斗位置特殊，環境噪聲大，增加一套聲光報警器，讓現場人員能第一時間接到報警，有效處理，保障提升系統的安全穩定運行。（6）系統主要工作過程。礦用本安型高速攝像儀采集現場高速運行的箕斗卸載情況視頻數據，將視頻數據傳輸給礦用隔爆兼本安型分析裝置（內置GUP和箕斗殘留識別算法），通過分析裝置的識別將分析結果通過礦用本安型交換機傳輸給監控室的監控計算機，在監控計算機的箕斗殘留識別軟件進行統一顯示、報警和記錄。

6.系統功能

該系統不僅只可以檢測箕斗卸載情況，還可以檢測箕斗運行狀態，同時客戶端軟件具備實時報警和語音提示功能，該系統采用高幀率相機搭配高頻補光燈，抓拍的圖像清晰，系統具備自學功能，無需人為進行樣本訓練，識別率高。且造價低廉，功能完善，重大價值得以充分顯現出來。系統的主要功能具體如下：

（1）實時顯示、識別卸載點箕斗煤料堆堵狀況，系統可對主井箕斗卸載進行有效安全控制，以免箕斗重載下放或二次裝載的事故發生。（2）控制主機可檢測箕斗被測載面卸載殘留煤的厚度值，按預設的上、下限報警值進行報警。（3）采用視頻監控系統及圖像識別技術，實現箕斗卸載情況的可視化監控。監控數據既可以本地報警、本地顯示，也可以接入調度中心。（4）具有控制信號輸出，可根據報警等級進行系統聯動停機并通過語音在司機臺發出聲音報警；（5）系統具備箕斗運行情況實時檢測和報警功能。（6）運用視頻監控及圖像識別技術監測箕斗卸載情況，與提升機控制系統相連，實現對提升機監控保護，防止因卸載不凈導致重斗下放的情況發生。（7）具備Modbus-TCP協議與提升系統的聯動，讀取箕斗到位信號及不到位信號。（8）系統具備自學功能，無需經歷漫長的樣本搜集和訓練過程。（9）系統具備語音報警功能，可通過客戶端進行語音預警，彈窗預警及現場的聲光報警。（10）對監控區域可以抓拍圖片及錄像，形成報警記錄，將報警信息推送到客戶端；可以對報警信息進行篩選確認，按報警時間和所屬通道分類匯總并生成報表。

7.系統的創新點

（1）利用機器視覺+人工智能的方法實現對箕斗殘留的識別和報警，解決了箕斗殘留的問題，系統通信設備采用標準TCP/IP協議，具有遠程WEB管理功能，維護操作簡便；

（2）設計開發了適合煤礦應用的礦用高幀頻攝像儀，解決了提升機快速移動的視頻采集問題；

（3）設計開發了適合煤礦應用的礦用隔爆兼本安型視頻分析裝置，內置GUP和AI識別算法，實現對視頻信號的提取和分析；

（4）具有聯動控制功能：箕斗殘留識別后既可以報警和抓拍，給人員報警提示，也可根據設置輸出開關量或者MODBUS-TCP協議進行聯動控制。

8.效益分析

系統采用先進的設計理念，國內首次使用基于視頻視覺的AI智能識別箕斗運行狀況和殘留，直觀有效的識別出箕斗殘留數量和等級，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量和人為判斷的誤區及盲點，提高生產和運煤的效率，保障了提升系統的運行安全，提升煤礦智能化水平。

9.結語

基于機器視覺的主井提升箕斗殘留識別系統是一種采用TCP/IP、流媒體視頻、人工智能等技術開發的新一代基于機器視覺的主井提升箕斗殘留識別系統，系統采用分布式控制結構，支持TCP/IP通信協議，利用機器視覺+人工智能技術實現提升系統箕斗殘留的有效識別和報警，解決了箕斗殘留無法識別的技術難題，系統實時檢測提升箕斗卸載的殘留狀態，卸載殘留達到設定的閾值自動進行報警，抓拍照片及錄像，生成報警記錄。系統具備輸出聯動控制接口和協議的功能，可以控制提升機停勾，為提升機的設備安全運行和提升效率提高提供技術保障，該系統特別適合在煤礦主井惡劣環境中使用，整個系統智能化程度高、抗干擾能力顯著、可靠性高、環境適應性強。實現了箕斗卸煤管理信息化、數字化和智能化，提高我國煤炭生產設備的研究設計與生產制造能力安全生產水平。為煤礦智能化生產奠定了堅固的基礎。具有廣泛的應用和推廣價值。可推動我國無人（少人）智能提升自動化技術的發展。