安全可視化系統(tǒng)在礦山皮帶運輸中的應用

李永華 郝利軍 賈瑞敏 丁 科

（1.包鋼（集團）公司白云鄂博鐵礦；2.內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司）

我國智慧礦山總體建設處于起步階段，智能化建設程度良莠不齊，深入研究礦山各類典型場景，利用AI、大數(shù)據(jù)、機器視覺等新技術應用支撐，提供適宜的智能化解決方案，對于智慧礦山自下而上構建具有重要意義。皮帶運輸機作為礦山開采最主要運輸設備［1］，具有運距長、載重量大、路況復雜、持續(xù)工作時間長等特點，易發(fā)生機械和意外傷害，屬于重點危險源。據(jù)不完全統(tǒng)計［2］，每年因皮帶輸送機引發(fā)事故數(shù)量和傷亡人數(shù)在各類事故占比約20%，造成較多的人員傷亡和財產(chǎn)損失。有效降低皮帶機事故發(fā)生頻率，確保安全生產(chǎn)，是各行業(yè)長期面對且亟待解決的問題。當前，我國多數(shù)礦山皮帶運輸機主要以定期巡檢和視頻監(jiān)控的管理方式，雖然基本形成了皮帶運輸機管理制度，但易受現(xiàn)場工況、環(huán)境和人員等因素影響，風險識別滯后，事故應急響應不及時，不能全面有效把控風險。

皮帶運輸機安全生產(chǎn)需要從技術和管理2 個方面進行綜合治理［3］，安全可視化監(jiān)控是研究的熱點方向，將皮帶運輸機安全識別、預警、應急響應納入系統(tǒng)管理，升級改造難度小，是提升礦山運輸安全的一種經(jīng)濟可行的方法，適合大部分礦山應用推廣，有利于應對當前面臨的安全處境。

1 礦山皮帶安全可視化系統(tǒng)

皮帶運輸機安全可視化系統(tǒng)是對當前礦山視頻監(jiān)控的升級和優(yōu)化［4］。一方面，系統(tǒng)根據(jù)智能攝像頭實時監(jiān)測皮帶運輸機常見的故障與安全隱患類型特征，通過AI 識別分析、安全評價與預警，能夠提前發(fā)現(xiàn)問題。另一方面，系統(tǒng)對預警信息賦予應急機制，對初態(tài)風險源及時切斷，避免事故發(fā)生；對已發(fā)事故從事件、人員、物資等多方面及時響應應急事件，避免事故的進一步擴大。

1.1 系統(tǒng)架構

皮帶運輸機安全可視化系統(tǒng)采用B/S 架構，結構簡單，可兼容性強，由前端設備層、網(wǎng)絡層、應用層三部分組成。

前端設備層包括智能攝像頭、AI 超腦、控制中心。其中智能攝像頭采用礦用防爆本安型攝像機，200 萬高清像素，分布在皮帶運輸機路徑關鍵監(jiān)控節(jié)點，對皮帶機運動圖像實時采集；AI超腦為視頻算法識別服務器，將算法嵌入皮帶運輸機常見各類異常場景識別模塊中，通過在模塊上訓練擬合，發(fā)布到應用攝像機上，進行狀態(tài)跟蹤識別；控制中心則是對識別信息進行反饋控制，如聲光報警、切斷電源、停機、減速等。視頻信號帶寬大，不宜與其他系統(tǒng)信號合并傳輸，網(wǎng)絡層采用視頻專網(wǎng)或隔離網(wǎng)進行信息傳輸，以確保信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性與安全性。應用層包括存儲與應用服務器和PC 端應用系統(tǒng)，視頻存儲服務器對視頻影像記錄，應用服務器支撐系統(tǒng)業(yè)務，在網(wǎng)段任意PC 端可以登錄可視化系統(tǒng)并進行相關操作。可視化系統(tǒng)架構拓撲圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)只展示現(xiàn)場視頻影像，需要監(jiān)控值班人員自主發(fā)現(xiàn)安全問題并根據(jù)經(jīng)驗調度安排，而綜合大屏涵蓋生產(chǎn)安全多個方面，信息量大但監(jiān)控畫面覆蓋不全，容易忽視導致皮帶運輸機運行安全隱患［5］。皮帶安全可視化系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過持續(xù)對皮帶運輸機運行狀況監(jiān)視識別，當異常時，通過多種方式將報警信息發(fā)送至相關人員，形成事件處理流程檔案，主要有以下功能：

（1）人員安全監(jiān)視。人員主要有2 種不安全行為，一是進場人員不佩戴安全帽，二是長時間滯留隔離區(qū)。智能攝像機嵌入高分度安全帽識別算法，當識別到未佩戴安全帽的人員，會觸發(fā)安全帽報警事件，當攝像機識別到工作人員進入劃定隔離區(qū)，并在設定的時間內滯留，則觸發(fā)滯留事件，發(fā)出預警信息。事件發(fā)生后，便于及時提醒監(jiān)管人員干預制止，并將照片上傳至系統(tǒng)以供查詢。

（2）皮帶失速監(jiān)視。皮帶失速包括皮帶實際運行速度低于或高于工作速度，如常見的過載、空載、控制系統(tǒng)故障等情況，易導致皮帶機設備疲勞，引發(fā)潛在危險。攝像機通過實時監(jiān)測分析滾筒標識的轉動速度，通過運動算法計算運轉速度，比較運轉速度與設定速度，當差值大于允許閾值時，觸發(fā)低速或超速事件，并上傳事件照片，發(fā)出報警信息并啟動應急處理程序。

（3）皮帶跑偏監(jiān)視。皮帶常發(fā)生打滑、皮帶張緊力不均勻等情況，導致皮帶跑偏，容易引發(fā)皮帶斷裂，造成較大事故。通過實時監(jiān)測識別皮帶邊緣線與輥道內沿線參考距離，當皮帶與托輥的距離發(fā)生變化并到達預設的跑偏警戒預定值，且持續(xù)預定的時間不能消失時，觸發(fā)跑偏事件，上傳事件照片并報警，工作人員接收應急信息后可通過控制器進行停機，等待進一步處理。

（4）堆料監(jiān)視。礦石易在皮帶轉彎處或者卸料口堆積，影響皮帶運輸機正常工作。通過實時監(jiān)測皮帶上礦料形態(tài)以及堆積高度，當堆積高度和面積達到警戒值時且在一定時間不能自主消失，則系統(tǒng)觸發(fā)堆料事件，抓拍并發(fā)出預警，進一步指揮調度人員排除影響。

（5）撕裂監(jiān)視。皮帶機長時間運輸?shù)V料，受石塊磨損、撞擊較多，易導致皮帶缺口和撕裂，進而導致皮帶較大程度的損壞。通過3D智能攝像機對皮帶底面進行掃描，生成監(jiān)測模型，從而實時監(jiān)測分析皮帶的創(chuàng)傷面大小監(jiān)測和預警，及時對皮帶進行修復與更換。

（6）流量監(jiān)視。通過實時監(jiān)測皮帶上礦料的寬度，計算皮帶利用率，可以設定供料強度等級，系統(tǒng)軟件可根據(jù)供料強度實現(xiàn)皮帶電機轉速調控，即“量大提速、量小減速”的匹配機制，流量監(jiān)視調控對于降低能耗，觀測皮帶使用狀況，提高皮帶機壽命具有重要作用。

（7）報警與反饋控制。預警和報警事件觸發(fā)后，監(jiān)測大屏會主動彈出報警窗口畫面，提示事件報告，并進行聲光報警提示，必要時可以聯(lián)動控制器停車，啟動處理流程。

（8）綜合管理。綜合管理包括駕駛艙界面、皮帶基礎信息管理、人員班組管理、報警管理、維檢管理、大數(shù)據(jù)分析、資源管理、培訓管理等功能。其中駕駛艙界面實現(xiàn)對皮帶機整體安全狀態(tài)評估，運行事件統(tǒng)計，對皮帶運輸機狀態(tài)實時更新；報警事件根據(jù)皮帶區(qū)段、人員、資源等形成閉環(huán)流程，大數(shù)據(jù)分析根據(jù)歷史報警、故障、檢修等數(shù)據(jù)，生成皮帶機健康趨勢圖，用以指導皮帶運輸機日常管理策略。

2 關鍵技術與方法

2.1 皮帶故障識別技術

礦山皮帶運輸機故障識別是可視化系統(tǒng)的基礎，故障識別率取決于攝像機安裝位置及AI 識別算法的成熟度。根據(jù)運輸皮帶主體功能、位置、視角、易發(fā)故障等情況綜合考慮選取攝像機位置，經(jīng)過調試即可，而AI 識別步驟一般包括皮帶運行圖庫的獲取、篩分、提取特征圖集、識別模型訓練、模型修正封裝、應用發(fā)布等多次步驟，見圖1。

首先需要收集皮帶機故障，包括失速、跑偏、堆料、撕裂、人的不安全行為、流量等典型大類圖集，并將每種類型的多種情況篩分標注，形成各自的特征圖集，然后根據(jù)編輯的算法模型進行反復學習訓練，直到識別率達標，然后對特征識別進行模塊化封裝，最后部署在AI超腦服務器上，并發(fā)布到智能攝像機。

2.2 事件評價與預警

皮帶輸送機分多段同步運行，每段出現(xiàn)問題事件則可能影響該段健康狀態(tài)，而整個皮帶機頻發(fā)多發(fā)問題事件則可能導致皮帶運輸機故障。因此。需要建立皮帶運輸機安全狀態(tài)評價與預警機制，從而指導皮帶運輸機的運行與檢修維護。

根據(jù)長期皮帶運維的經(jīng)驗工作總結，可以將皮帶安全狀態(tài)分為2 個層次進行評價預警。人員不安全行為、某時間段失速狀態(tài)、某時間段撕裂狀態(tài)為輕微影響事件，需要繼續(xù)關注與干預糾正，而某時間段跑偏狀態(tài)、某時間段堆料狀態(tài)則為較重影響事件，需要停機調整。根據(jù)經(jīng)驗：當出現(xiàn)任意輕微事件，則需要關注；當出現(xiàn)2個以上輕微事件或任意較重影響事件，則需要現(xiàn)場查看；當出現(xiàn)多個事件則需要立刻停機檢查。針對整條皮帶運輸機器的安全狀態(tài)來說，根據(jù)經(jīng)驗：當任意一節(jié)不出現(xiàn)較重影響事件，則需適當調度觀察，排除影響因素，當出現(xiàn)較重影響事件則需停機檢修。結合故障識別與事件評價預警，可實現(xiàn)皮帶運輸機運行健康監(jiān)測的智能化。

2.3 數(shù)據(jù)接口與預警聯(lián)動技術

前端攝像機的預警事件發(fā)生后，會存儲在應用服務器的事件數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫具備訪問權限管控設置及備份功能，通過開放接口連接可供選擇調用，訪問前通過鑒權簽名即可做權限管理。通過開放接口調用事件數(shù)據(jù)庫記錄，可查看預警信息，通過網(wǎng)絡服務器可訪問視頻流媒體服務器事件相關視頻，從而實現(xiàn)預警事件的查看與存儲。

對于預警聯(lián)動，可以通過移動端提供的網(wǎng)絡服務器地址，根據(jù)預警事件安全等級，綁定相關責任人，從而實現(xiàn)預警事件內容的定向推送，便于及時發(fā)現(xiàn)問題，形成啟動應急處置流程，通過全程跟蹤事件形成PDCA閉環(huán)管理。

3 系統(tǒng)應用

礦山皮帶可視化系統(tǒng)在西南某礦山成功應用，該礦山皮帶全長2 000余米，路段多處轉彎，共由7段連接而成。根據(jù)現(xiàn)場勘察測量，查閱皮帶建設基礎資料，將皮帶分為1 號放料段，3、4 號上下坡段，5 號轉彎段，2、6號直行段，7號出料段。根據(jù)皮帶段工況特點對攝像機進行優(yōu)化配置，共計23個設置點位，具體如下：

（1）1 號放料段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視、跑偏監(jiān)視、堆料監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點位。

（2）2號直行段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視點位。

（3）3 號上坡段有人員監(jiān)視、堆料監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點位。

（4）4 號下坡段有人員監(jiān)視、跑偏監(jiān)視、堆料監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點位。

（5）5號轉彎段有人員監(jiān)視、跑偏監(jiān)視點位。

（6）6號直行段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視點位。

（7）7 號出料段有人員監(jiān)視、失速監(jiān)視、撕裂監(jiān)視點位。

攝像機部署后，基于系統(tǒng)現(xiàn)有的皮帶特征圖例，將事件評價與預警經(jīng)驗方法納入到系統(tǒng)當中，并對皮帶機對各類故障場景進行模擬拓展，獲得更為全面的基礎圖庫，通過標注、修正與調試，并對模型進行了大量訓練與優(yōu)化，試運行了一個月，最終成功上線。系統(tǒng)識別率可達95%以上，能夠有效幫助皮帶智能化管理。現(xiàn)場AI 實時視頻監(jiān)控矩陣如圖3 所示。

4 結論

（1）通過研究事故隱患類型，搜集現(xiàn)場圖集，訓練各算法模型，形成了識別率達95%以上的可封裝應用AI識別技術，讓被動識別轉變?yōu)橹鲃幼R別，提高安全管理的確定性與穩(wěn)定性。

（2）通過現(xiàn)場經(jīng)驗，形成了皮帶機整體和局部的安全等級評價算法，用以指導皮帶機的運維，通過將預警事件與負責班組聯(lián)動起來，跟蹤處理流程，形成事件響應的閉環(huán)管理。

（3）作為礦山生產(chǎn)的運輸工藝環(huán)節(jié)，皮帶運輸機承擔連通礦料進出，具有重要作用。皮帶安全可視化系統(tǒng)可以發(fā)掘更多安全生產(chǎn)的場景模式，提供豐富的接口，便捷數(shù)據(jù)共享與應用，可以與其他系統(tǒng)友好銜接，有利于智慧礦山整體建設。