基于视觉分析的皮带运输机失速监测预警系统设计_马谦.pdf

基于视觉分析的皮带运输机失速监测预警系统设计马谦（山西汾西矿业（集团）有限责任公司洗煤厂，山西介休032000）摘要：为确保皮带输送机的安全运行，构建了一套基于视觉实时分析的皮带运输机实时打滑监测系统。利用智能摄像机对传输速率小于 5.4 m/s 的传输带辅助轮运行图像进行实时捕获，并通过光流目标监测算法从实时画面中分析提取辅助轮、传输带的运转速度，设置二者的速度差即报警阈值，当速度差大于报警阈值时，系统发出报警信息并弹出监控画面供工作人员确认，实现可供特殊环境下长时间、可视化、非接触的远程智能运输皮带监测。关键词：皮带运输机；失速保护；视觉分析；光流法中图分类号：TP391.41文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0221-021工程背景介休洗煤厂现有运输皮带 15 部，每条皮带部署了速度传感器用于打滑监测。由于运输皮带工作环境复杂，特别是在选煤厂的工作环境中粉尘、煤泥水等杂物，会导致传感器受到影响而失灵1。另外，传统传感器的监测报警系统是单系统工作，即使是监测到了故障，也不能在第一时间给出现场的真实情况，也不能给调度中心提供可视化的实时数据，影响采取紧急措施的决断。随着智能化选煤厂的建设需要，选煤厂进行运输皮带智能化、可视化保护改造，在现有的运输皮带上安装智能摄像机并配合视频预警管理平台，实现视频监控+智能分析+联动控制的实时失速监测系统，可以有效地检测运输机的失速打滑现象，并且给出报警信息，通过预警平台提醒皮带司机采取紧急措施,必要时可以实现远程的运输皮带停车2。2预警系统组成基于视觉分析的打滑测量预警系统主要有业务管理服务器、核心交换机、智能摄像机、运输皮带集中控制器、视频预警软件平台组成。详细系统架构如图1 所示。智能摄像机安装在运输皮带的副滚筒附近，实时采集副滚筒上的运行状态画面并对副滚筒速度监测标识物进行识别监测。智能摄像机内部嵌入人工智能分析模块对副滚筒的成像画面实时分析。当监测到的副滚筒实时速度低于设定的阈值时，摄像机向预警平台推送告警事件，平台弹出报警通道智能摄像机实时画面。实时视频分析示意图以及报警弹窗界面如图2、图 3 所示。智能摄像机的 CMOS 图像传感器实时采集副滚筒上的速度监测标识铭牌，并计算标识物出现两次的时间差t（s）,那么副滚筒的转动线速度 v（m/s）为：v=2/t.（1）式中：为副滚筒半径，m。当监测到的副滚筒实时速度 v 与皮带正常工频运转的额定速度偏差大于设定的阈值时，智能摄像机发出告警事件触发本地报警，并推送告警事件至预警平台，提醒值班人员进行处理。3视觉测速原理副滚筒上的标识物识别监测采用运动目标监测算法3-4进行计算。算法流程如下页图 4 所示。通过以上算法流程，跟踪监测参考标识连续 2 次收稿日期：2022-04-20作者简介：马谦（1972），男，河南林州人，专科，毕业于西安交通大学工业电气自动化专业，工程师，现从事机电技术及管理工作。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.089图 1预警系统架构图 2运输皮带失速监测系统示意图图 3视频弹窗报警示意图业务管理服务器智能摄像机核心交换机TCP/IPTCP/IPTCP/IPTCP/IP智能摄像机智能摄像机监控客户端运输皮带集控系统工业以太网智能摄像机皮带运输机副滚筒自动化系统设计机械管理开发第 38 卷经过固定区域的时间差，依据式（1），就能计算出皮带运输机的实时线速度。皮带运输机实时速度监测抓图如图 5图 7 所示。4速度监测极限以及误差分析4.1视频监测极限分析在实时视频分析时，视频的帧率为 25 帧/s。假设在进行实时分析时采用全帧率进行运算。为了保证能够无差别地进行实时旋转速度分析，视频监测方法可以监测到的实时最大速度为：vmax=50r.（2）式（2）中：r 为滚筒的半径，m。如果皮带运输线速度大于 vmax（m/s）则基于实时视频的方法就不能有效测量。实际上由于受到智能摄像机 NPU 算力的限制，在实时监测时大多采用抽帧的方式进行运算，本实验在计算时参与运算的帧率为 F。则此时实时视频分析可以测量的最大线速度为：vmax=2rF.（3）实际上在做实验时，首选需要确定实时跟踪监测的模板，另外为了减少运算量一般会在整个视频画面中划定监测区域，然后再针对该区域内的目标进行实时监测。假设在视频监控画面中圈定的区域是边长 l的正方形。那么为了能够无遗漏地进行实时分析，则视频监测分析的极限监测速度为:vmax=lF.（4）本实验现场运输皮带滚筒直径为 80 cm，监测区域设定为 30 cm 30 cm；运算帧率为 1 帧/s，则最大的监测速度极限为 5.4 m/s。4.2视频监测误差分析为了减少运算量，在视频画面中划定某一区域作为监测区域，当速度识别标识进入该区域时，则进行速度计时统计。假设划定的区域为边长为 l 的正方形（约定 ls，s 为速度监测标识的边长）。为了建立统一的计时标准，假设 50%的标识物进入监测区域为有效计时标志。此时，由于实时视频帧率波动引起的监测误差实际上是一帧图像所导致的运输误差：vmax=0.5s.（5）4.3运输皮带启停过滤时间设置洗煤厂运输皮带集控系统已经全部改为变频器控制，开车控制采用 PID 逻辑控制。为了避免由于正常开车而引起的视频监测错误报警系统设计时，设定了启动过渡时间阈值，同时皮带集控还给视频监控系统发出停车或开车指令，以便监控平台能够准确判断运输皮带的运行逻辑，从而对开车过程的转速波动进行有效地过滤。5结语针对运输皮带失速保护，本文提出了利用视觉分析对运输皮带的副滚筒进行实时分析计算，测得运输皮带的线速度的非接触、可视化的预警系统。该系统相对于传统的传感器方案具有非接触、可视化的优点，并且能够主动报警，消息提醒功能。且作为在线预警系统完全满足实际生产的要求，具有可推广的价值。参考文献1崔志强.井下皮带运输机监测与预警系统研究J.山东煤炭技术，2019（11）：201-205.2卫鹏.井下运输系统带式输送机防打滑分析J.自动化应用，2021（1）：120-122.3徐金婧，徐熙平.基于时空显著特征的运动目标监测方法研究J.长春理工大学学报（自然科学版），2020，43（4）：43-48.4周彤，宋燕燕，秦军，等.改进 L-K 流光法检测运动目标J.福建电脑，2020，36（8）：11-13.（编辑：王婧）图 4实时分析算法流程图 5实时速度 v=3.24 m/s图 6实时速度 v=2.76 m/s图 7实时速度 v=1.93 m/s视频帧输入图像降噪预处理计算输入图像光流场对光流场进行分割形态学滤波开、闭运算光流场区域分割NO运动目标是否在圈定区域记录监测时间 T1结束Yes（下转第 229 页）2222023 年第 6 期9赵亮.煤矿在用安全监控在线达标监测系统设计J.煤炭技术，2015（8）：213-215.（编辑：王婧）Research on the Monitoring System of Inspection Robot for Underground Coal Mining Facein Coal MinesJiang Jiao（Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.,Ltd.Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300）Abstract:A patrol robot system is proposed,which achieves round-trip movement of the patrol robot on the mining face through wire ropetraction;Ensure that the steel wire rope is always straight when the hydraulic support is moved forward through the suspension rail supportmachine;Using sensors and communication systems built into the robot body to achieve monitoring and transmission of mining surfaceenvironmental parameters,temperature,and on-site conditions.Analyze the structural composition,key technologies,and on-siteapplication of the inspection robot system.After field application,the patrol system can adapt to the need of frequent forward movement offully mechanized mining equipment in the coal mining face,realize real-time monitoring of environmental parameters and images in thecoal mining face,and improve the monitoring guarantee ability of job security in coal mining to a certain extent.Key words:coal mining;inspection robot;fully mechanized mining equipment;monitoring sensorsDesign and Application Research of PLC Based Electrohydraulic Control System forHydraulic SupportsJi Pengfei1,Min Wen2（1.Liaoning General Heavy Machinery Co.,Ltd.,Diaobingshan Liaoning 112700;2.Material SupplyBranch of Tiefa Coal Industry(Group)Co.,Ltd.,Diaobingshan Liaoning 112700）Abstract:Based on PLC technology,the design of the hydraulic support electro-hydraulic control system will be carried out from theaspects of overall structure,hardware composition,and operating software,in order to provide theoretical experience for the mining of othercoal mining enterprises and achieve sustainable development.Key words:PLC technology;hydraulic support;electrohydraulic control system;design application（上接第 226 页）Design of Intelligent Water Supply System for Mining Roadheading MachineSong Zhiwei（Shanxi Coking Coal Xishan Coal&Electric Tunlan Mine,Gujiao Shanxi 030206）A