智能煤矸石分選機(jī)器人的研究與應(yīng)用

申 龍，單浩然，王永利，胡云雷

(中信重工開誠(chéng)智能裝備有限公司，河北省唐山市，063020)

0 引言

為了更清潔、更高效地利用煤炭，必須進(jìn)行煤炭分選。人工分選是矸石預(yù)分選最常見的形式，但人工分選存在工作效率低、易發(fā)生事故、工作環(huán)境惡劣以及工作強(qiáng)度大等問(wèn)題。為了提高煤矸石分選的準(zhǔn)確率和效率，使用智能煤矸石分選機(jī)器人代替人工分選具有重要意義[1]。

近年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)和人工智能的飛速發(fā)展，圖像學(xué)技術(shù)與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合已成為煤矸石分選研究的熱點(diǎn)[2]。LI等研究人員[3]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)模型的分層煤矸石檢測(cè)框架，并基于提取的候選區(qū)域構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤矸石進(jìn)行識(shí)別和定位；沈科等研究人員[4]通過(guò)在YOLOv5模型BackBone區(qū)域嵌入自校正卷積 (Self-Calibrated Convolutions)層，解決了YOLOv5模型多尺度特征提取不充分的問(wèn)題，并且對(duì)YOLOv5中的Neck區(qū)域進(jìn)行精簡(jiǎn)，從而提高了煤矸石檢測(cè)的精度。受此啟發(fā)，使用深度學(xué)習(xí)模型來(lái)對(duì)煤矸石進(jìn)行定位分類，能夠代替人工分選煤和矸石，提升煤矸石分選的智能程度。

在完成煤矸石識(shí)別定位后，需要對(duì)煤矸石進(jìn)行分選處理，江洪等研究人員[5]設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)機(jī)械手，發(fā)揮了并聯(lián)機(jī)械手的高速重載優(yōu)勢(shì)和三坐標(biāo)機(jī)械手的靈活優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤矸石的精準(zhǔn)分選；雖然使用機(jī)械手對(duì)煤矸石分選具有較高的精度，但是在高速運(yùn)動(dòng)的膠帶和海量待分選煤矸石的情況下，機(jī)械手的分揀效率明顯不足，Stańczyk[6]提出了一種基于負(fù)壓氣動(dòng)分離器的干法選煤技術(shù)，在面對(duì)大量待選礦石的情況下，應(yīng)用效果良好；ZHENG等研究人員[7]提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的煤矸石井下氣動(dòng)分選方法，使智能煤矸石分選機(jī)器人在0.5～2 m/s的膠帶速度下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤矸石的快速分選。

為了兼顧分選速度和分選精度，研發(fā)了一種智能煤矸石分選機(jī)器人。智能煤矸石分選機(jī)器人通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)模型對(duì)煤矸石進(jìn)行定位分類，并通過(guò)高壓氣源分選機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)分選。

1 智能煤矸石分選機(jī)器人設(shè)計(jì)

隨著煤炭分選行業(yè)對(duì)煤矸石分選技術(shù)智能化需求的增長(zhǎng)，智能煤矸石分選機(jī)器人已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)研究的焦點(diǎn)[8]。智能煤矸石分選機(jī)器人是將待選的原煤通過(guò)原煤供給系統(tǒng)平鋪到帶式輸送機(jī)上，使用圖像分析和大數(shù)據(jù)智能識(shí)別技術(shù)對(duì)煤與矸石進(jìn)行數(shù)字化識(shí)別，再通過(guò)高壓氣源分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)、高效地對(duì)50～300 mm粒級(jí)煤與矸石進(jìn)行分選，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)化生產(chǎn)。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

智能煤矸石分選機(jī)器人主要由原料供給傳動(dòng)系統(tǒng)、智能識(shí)別系統(tǒng)以及氣動(dòng)分揀系統(tǒng)組成。智能煤矸石分選機(jī)器人工作流程如圖1所示。

圖1 智能煤矸石分選機(jī)器人工作流程

首先，將待選原煤放入原煤供給裝置，通過(guò)整料排隊(duì)裝置中的碎料錘將大塊原煤破碎成小塊，再通過(guò)三角形的整料裝置將原煤平鋪到帶式輸送機(jī)；其次，通過(guò)安裝在帶式輸送機(jī)正上方的高清相機(jī)將膠帶上的原煤圖像傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器通過(guò)YOLOv5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煤與矸石進(jìn)行定位識(shí)別，通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)計(jì)算矸石的位置信息并傳輸?shù)椒謷?zhí)行機(jī)構(gòu)；最后，分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)服務(wù)器傳輸?shù)捻肥恢眯畔⒖刂聘邏簹庠矗瑢?duì)矸石進(jìn)行精準(zhǔn)、高效地篩選。智能煤矸石分選機(jī)器人整體示意如圖2所示，原料供給傳動(dòng)裝置示意如圖3所示。

圖3 原料供給傳動(dòng)裝置示意

圖3(a)為智能煤矸石分選機(jī)器人的原料供給裝置，待選原煤進(jìn)入原煤供給裝置后，圖3(b)中破碎裝置的破碎錘會(huì)將體積較大的原煤破碎成小塊，然后通過(guò)圖3(c)中三角形整料排隊(duì)裝置使待選原煤有效平鋪，互不疊壓。原煤供給裝置具有緩沖板，待選原煤沿緩沖板供給到帶式輸送機(jī)上，并通過(guò)整料排隊(duì)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)待選煤矸石的無(wú)堆積平鋪。圖3(d)為智能煤矸石分選機(jī)器人的運(yùn)輸裝置，采用獨(dú)特的平面式帶式輸送機(jī)，寬度為1.2 m，運(yùn)行速度為0.8～2 m/s，保證待選原煤在膠帶上平穩(wěn)無(wú)堆積平鋪且無(wú)滑移，同時(shí)具有自動(dòng)糾偏和防抖裝置，從而保證膠帶的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 智能識(shí)別系統(tǒng)

智能煤矸石分選機(jī)器人的智能識(shí)別系統(tǒng)由智能識(shí)別分析系統(tǒng)、后端服務(wù)器和機(jī)器人軟件平臺(tái)構(gòu)成。智能識(shí)別分析系統(tǒng)部署在后端服務(wù)器上，通過(guò)安裝在帶式輸送機(jī)頂端的高清相機(jī)拍攝膠帶面圖像并傳輸?shù)胶蠖朔?wù)器，智能識(shí)別分析系統(tǒng)通過(guò)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別分析，完成煤矸石的定位和分類，并且通過(guò)編碼器計(jì)算出矸石的位置，將矸石的形狀、大小、位置、速度等處理信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)綒鈩?dòng)分揀系統(tǒng)。智能煤矸石分選機(jī)器人的后端服務(wù)器硬件配置為：處理器Intel(R)Xeon(R)Silver 4108 CPU @ 1.80 GHz、32 GB隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、Windows 10操作系統(tǒng)、顯卡NVIDIA Quadro P5000 (顯存16 GB，核心頻率1 607 MHz，Turbo頻率1 733 MHz)、硬盤4 TB。智能煤矸石分選機(jī)器人的軟件平臺(tái)由C#編寫，其主要實(shí)現(xiàn)選矸流程的實(shí)時(shí)查看、膠帶急停和復(fù)位、配置機(jī)器人參數(shù)、查看歷史選矸記錄等功能。機(jī)器人軟件平臺(tái)界面如圖4所示。

圖4 機(jī)器人軟件平臺(tái)界面

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

智能煤矸石分選機(jī)器人的氣動(dòng)分揀系統(tǒng)如圖5所示。分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)見圖5(a)，該機(jī)構(gòu)共有64個(gè)空氣噴嘴，每個(gè)空氣噴嘴的直徑為15 mm，空氣噴嘴口對(duì)準(zhǔn)矸石的運(yùn)動(dòng)軌跡，分揀執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)智能識(shí)別系統(tǒng)傳入被執(zhí)行對(duì)象的信息并實(shí)時(shí)開啟相應(yīng)位置的高壓空氣噴嘴，通過(guò)不同噴嘴組合的差異化控制，實(shí)現(xiàn)同時(shí)分揀多個(gè)矸石，提高分揀效率；采用差異化陣列式噴嘴提高了噴吹力的力度分辨率，采用先進(jìn)的路徑尋優(yōu)算法，根據(jù)矸石的目標(biāo)落點(diǎn)區(qū)域和矸石大小控制噴嘴開啟、關(guān)閉與噴氣時(shí)間。

智能煤矸石分選機(jī)器人的氣動(dòng)裝置如圖5(b)所示，該裝置是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，通過(guò)空壓機(jī)將空氣壓縮到儲(chǔ)氣罐里，經(jīng)過(guò)高壓噴嘴將壓縮空氣動(dòng)能釋放到矸石上，從而改變矸石的運(yùn)動(dòng)軌跡，改變矸石落地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤矸分選。為了有效對(duì) 50～300 mm矸石進(jìn)行篩選，選擇型號(hào)為德蒙DM-280 z的空壓機(jī)，DM-280z的排氣量為60.2～47.0 m3/min，排氣壓力為0.75～1.30 MPa。智能煤矸石分選機(jī)器人還配置了除塵系統(tǒng)，除塵系統(tǒng)通過(guò)吸風(fēng)管、離心機(jī)、過(guò)濾器等輔助機(jī)構(gòu)的組合形式，保證設(shè)備工作時(shí)無(wú)飛塵，避免了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的二次污染。

2 應(yīng)用情況

目前，智能煤矸石分選機(jī)器人已經(jīng)分別應(yīng)用在龍煤控股集團(tuán)雙鴨山礦業(yè)有限責(zé)任公司的東榮二礦、東榮三礦、東保衛(wèi)煤礦以及雙鴨山市錦旸煤業(yè)有限公司的錦旸煤礦。智能煤矸石分選機(jī)器人在以上4個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中平均每天選矸數(shù)量和選矸率見表1。

表1 智能煤矸石分選機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用效果

由表1可以看出，智能煤矸石分選機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中平均每天選出矸石178 217塊，平均選矸率達(dá)93.87%。表1中東榮三礦的選矸率明顯低于其他3個(gè)應(yīng)用煤礦，這是因?yàn)闁|榮三礦中焦煤與濕煤數(shù)量較多，在識(shí)別過(guò)程中焦煤與濕煤誤識(shí)別概率較大。為了進(jìn)一步提升智能煤矸石分選機(jī)器人的選矸效率，需要提升YOLOv5模型對(duì)焦煤和濕煤特征的學(xué)習(xí)。

3 效益分析

3.1 社會(huì)效益分析

智能煤矸石分選機(jī)器人的應(yīng)用替代人工分選提升了煤礦的智能化程度，減輕了選矸工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了車間職工的工作環(huán)境，保障了煤礦的生產(chǎn)安全，提高了選矸效率，減少了煤炭資源的損失。由于智能煤矸石分選機(jī)器人為干選設(shè)備，避免了水資源的浪費(fèi)。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

以東榮三礦為例，東榮三礦煤炭月產(chǎn)量約為15萬(wàn)t，智能煤矸石分選機(jī)器人運(yùn)行時(shí)間為21 h/d(2條帶式輸送機(jī)，速度為0.8 m/s)，并且只選出100 mm以上的矸石，篩選后的煤塊和矸石占原煤約30%，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出智能煤矸石分選機(jī)器人每小時(shí)產(chǎn)能為31.25 t/h，產(chǎn)能約為23.88萬(wàn)t/a。

智能煤矸石分選機(jī)器人為干選設(shè)備，因此不需將煤炭運(yùn)輸至選煤廠，其中選煤廠運(yùn)輸費(fèi)為12元/t，選煤廠加工費(fèi)為28元/t，經(jīng)過(guò)計(jì)算，智能煤矸石分選機(jī)器人可節(jié)省運(yùn)輸費(fèi)286.56萬(wàn)元/a，節(jié)省加工費(fèi)668.64萬(wàn)元/a。

在智能煤矸石分選機(jī)器人應(yīng)用前，東榮三礦共有62名選矸工人，在智能煤矸石分選機(jī)器人應(yīng)用后，選矸工人降為24人，按照每人每年5.5萬(wàn)元的工資計(jì)算，智能煤矸石分選機(jī)器人每年節(jié)省人工成本約209萬(wàn)元。

4 分選效果與改進(jìn)措施

4.1 分選效果

通過(guò)煤矸石數(shù)據(jù)集訓(xùn)練YOLOv5網(wǎng)絡(luò)，加載訓(xùn)練過(guò)的煤矸石識(shí)別參數(shù)，智能煤矸石分選機(jī)器人可以精確地檢測(cè)出煤矸石的位置，并實(shí)現(xiàn)對(duì)煤和矸石精準(zhǔn)分類。然而在實(shí)際應(yīng)用中，還會(huì)存在漏檢及誤檢的情況。以東榮三礦的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果為例，識(shí)別正確狀態(tài)如圖6所示，漏檢狀態(tài)如圖7所示，誤識(shí)別狀態(tài)如圖8所示。

圖6 識(shí)別正確狀態(tài)

圖8 誤識(shí)別狀態(tài)

在圖6～圖8中，紅色框標(biāo)出的為煤，綠色框標(biāo)出的為矸石。圖7中藍(lán)色框標(biāo)出的是定位失敗的漏檢矸石樣本，圖8中藍(lán)色框標(biāo)出的為將矸石檢測(cè)為煤的誤識(shí)別樣本。

4.2 改進(jìn)措施

針對(duì)智能煤矸石分選機(jī)器人出現(xiàn)的漏檢以及誤識(shí)別情況，分別采用以下改進(jìn)措施。

對(duì)于漏檢的情況，使用Soft-NMS[9]替換YOLOv5中的NMS函數(shù)。傳統(tǒng)的NMS函數(shù)是基于分類分?jǐn)?shù)的，只有最高分?jǐn)?shù)的預(yù)選框輸出，因此出現(xiàn)物體重疊等情況時(shí)會(huì)導(dǎo)致漏檢。Soft-NMS函數(shù)在NMS函數(shù)的基礎(chǔ)上增加了1個(gè)IOU函數(shù)來(lái)保留一些即使IOU不是很高，但是置信度并不是很低的預(yù)選框，最后輸出多個(gè)預(yù)選框，從而降低智能煤矸石分選機(jī)器人的漏檢率。

對(duì)于誤識(shí)別的情況，采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略，通過(guò)設(shè)置圖像隨機(jī)亮度、隨機(jī)對(duì)比度、隨機(jī)翻轉(zhuǎn)、隨機(jī)色調(diào)和隨機(jī)飽和度等方式來(lái)對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像增強(qiáng)，從而增加樣本的多樣性。通過(guò)標(biāo)簽平滑[10]的方式來(lái)提升模型的泛化能力，從而降低了智能煤矸石分選機(jī)器人的誤識(shí)別率。

5 結(jié)語(yǔ)

智能煤矸石分選機(jī)器人的選矸平均準(zhǔn)確率達(dá)到了93.87%，實(shí)際應(yīng)用表明智能煤矸石分選機(jī)器人提高了煤矸分選的效率，為煤礦帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是對(duì)于復(fù)雜的煤礦場(chǎng)景，依然有不足之處，當(dāng)遇到特大煤塊或者矸石塊時(shí)，破碎裝置并不能進(jìn)行有效的破碎，導(dǎo)致氣動(dòng)分揀裝置不能將特大塊矸石揀出；當(dāng)遇到水分過(guò)多、煤泥包裹矸石塊時(shí)，不能通過(guò)圖像正確的區(qū)分煤和矸石。對(duì)于上述問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，提高選矸效果。