基于视频比对算法的溜槽堵塞检测方案研究及应用_朱延涛.pdf

基于视频比对算法的溜槽堵塞检测方案研究及应用朱延涛(平顶山中选自控系统有限公司，河南 平顶山467000)摘要:针对选煤厂胶带输送机运行过程中传统溜槽检测方式常常出现误报或漏报的问题，分析了发生溜槽堵塞的常见原因及传统检测方式误报漏报的原因。介绍了通过视频比对方式检测溜槽堵塞的解决方案及其在某露天矿选煤厂筛分车间输送胶带机头溜槽的实际应用，应用效果表明，该方法可实现溜槽堵塞故障检测、集控实时报警、故障视频倒查等功能。关键词:选煤厂;视频比对算法;溜槽堵塞;视频分析;检测方案;应用效果中图分类号:TD521.2文献标识码:A文章编号:1005-8397(2023)02-0029-03esearch and application of chute jam detection scheme based on videocomparison algorithmZHU Yantao(Pingdingshan Zhongxuan Automatic Control System Co.，LtdPingdingshan，Henan 467000，China)Abstract:In view of the problem that the traditional chute detection method often misreported or missed when the head chute of theconveyor belt conveyor is blocked during the operation of the coal preparation plant，this paper analyzes the common causes of thechute blockage and the causes of the traditional detection method misreported and missed.This paper introduces the solution to detectthe jam of the chute by video comparison，and its practical application in the conveyor belt head chute of the screening workshop ofan openpit coal preparation plant.The application results show that the functions of the chute jam fault detection，centralized controlrealtime alarm，fault video inversion and so on can be realizedKeywords:coal preparation plant;video comparison algorithm;chute jam;video analysis;detection scheme;application effect收稿日期:2022-05-18DOI:10.16200/ki.112627/td.2023.02.008基金项目:平顶山中选自控科技创新基金(数据采集软硬件一体机:BJHYZXKJ()(2)(2022)10)资助作者简介:朱延涛(1978)，男，河南平顶山人，2001 年毕业于中国人民解放军重庆通信学院计算机及应用专业，工学学士，平顶山中选自控系统有限公司高级工程师。引用格式:朱延涛 基于视频比对算法的溜槽堵塞检测方案研究及应用 J 煤炭加工与综合利用，2023(2):2931目前，智能视频分析已成为视频监控技术的主要研究方向1，通过对网络摄像机视频的高速采集，实时分析视频内容及检测指定标志物等目标，并将报警结果通过网络传递到后端控制中心进行处理。通过部署视频比对方式的溜槽堵塞检测方案，可以切实加强胶带输送机运行期间的设备安全性，提高管控效果，从而避免生产系统运行过程中出现较多故障2。1研究现状选煤厂胶带输送机和溜槽是最普遍的设备，胶带输送机运行过程中将大量煤块输送到机头溜槽，通过溜槽下滑到下游设备。在此过程中可能造成溜槽堵塞，导致输送胶带堆料，甚至造成胶带带面撕毁。目前，主要堵煤原因如下:(1)输送胶带带煤量过大，溜槽下游设备不能及时输送溜槽中的煤;(2)大件异物卡在溜槽内部，造成煤不能快速通过溜槽;(3)煤质偏湿，通过溜槽时粘连溜槽侧壁，造成溜槽通道变窄。现有监测溜槽堵塞的方式有以下几种:(1)吊挂式倾斜开关:将倾斜开关吊装在溜槽内部，理想状态下当溜槽中堵塞的煤碰触到92煤炭加工与综合利用No.2，2023COAL POCESSING COMPEHENSIVE UTILIZATION倾斜开关，内部水银开关倾倒时，电信号传递到控制系统进行报警。但在煤的粒度过小，或煤进入溜槽速度过快、煤量过大时，堵塞的煤快速上涨，将倾斜开关埋在其中，不能倾倒，失去报警功能。(2)溜槽侧壁压力开关:在溜槽侧壁开洞口，安装活动翻板，翻板外安装压力传感器或行程开关。当翻板行程到达报警区域，触发开关，电信号传递到控制系统进行报警。这种方式的堵塞开关，需要根据煤量大小调节翻板的配重和报警区域灵敏度。但输送胶带煤量大小是在随时改变的，灵敏度调高，容易发生煤块击打翻板导致误报。灵敏度调高时，当煤量大发生堵煤时，翻板还未到达触发区域，堵塞的煤已经淹没溜槽入口。煤量小发生堵煤时，由于煤是缓慢上涨到翻板开口处，力量不足以挤开翻板，不能实现报警。2解决方案采用视频比对方式，该方式是基于图片特征值比对运算，只要求视频图像的实时性，采用差异值哈希算法(dHash)3。使用视频比对方式检测溜槽堵塞的方案主要分为 5 个部分。(1)溜槽内安装摄像机和多个标志物。在输送胶带机头溜槽入口，煤流抛物线下方侧壁安装防爆摄像机，摄像机镜头垂直向下，照射落煤洞口，并开启摄像机红外补光。在溜槽落煤洞口上方，避开煤流的侧壁，分散焊接多个圆形钢管(采用圆形是防止被砸落后危害下级输送胶带带面)。(2)获取摄像机视频流。方案采用 Python 语言编程，Python 语言提供开源 OpenCV 视频处理模块，可以完成对视频及图片的各种处理。另外Python 语言可以在 Windows 和树莓派平台运行，方便 Windows 环境编辑程序和树莓派平台部署程序。(3)溜槽内部图片上标定标志物。在视频流中选取正在生产时的溜槽入口图片，才能代表真实的标志物场景，该图片将作为正例图片与视频流中实时获取的图片进行比对4。由于图片比对程序十分耗费硬件平台性能资源，比对周期较长，因此需要将重点比对区域(含有标志物区域)从图片中截取出来再进行比对。使用配置工具在选取的正例图片上划定标志物区域，并获取在图片上的区域坐标，方便在实时图片上快速截图。(4)实时采集图片和整理比较。在比对程序运行时，程序根据获取的区域坐标在实时图片上进行区域截取，作为与正例截图比对的对象。焊接在溜槽洞口的每个标志物都要分别截取正例图片和实时图片，作为一组比对对象。图像比对算法一般采用图像哈希算法，图像哈希算法是将输入的图像映射成一串短小的数字序列，该数字序列通常称为输入图像的 Hash。Hash 算法分为:平均值哈希(aHash)、感知哈希(pHash)、差异值哈希(dHash)。本次主要使用差异值哈希算法(dHash)，首先分别计算出正例图片和实时获取图片的图像指纹(图像指纹和人的指纹一样，能够代表 1 个图像的唯一特征。而图像指纹就是将图像按照一定的哈希算法，经过运算后得出的 1 组二进制数字)。然后通过 Hash 值来计算 2 个比对图片的汉明距离，汉明距离越小，则代表相似度越高。(5)硬件平台。树莓派是世界上最小的台式机，又称卡片式电脑，具有电脑的所有基本功能，这就是 aspberry Pi 电脑板，中文译名“树莓派”。项 目 中 采 用 的 是 树 莓 派 最 新 型 号aspberry Pi 4B，具备 1.5 Ghz 运行的 64 位四核处理器，最高支持以 60 帧/s 速度刷新的 4 K 分辨率的双显示屏，高达 8 GB AM，2.4/5.0 GHz双频无线 LAN，蓝牙 5.0/BLE，千兆以太网，USB3.0 和 PoE 功能。硬件性能能够支持图形比对程序稳定运行。软件系统方面，树莓派系统集成 Python 编程环境，能够直接运行 Windows 环境中编辑的 Python 程序。(6)报警应用。在比对程序运行过程中，通过差异值哈希算法(dHash)计算每组比对对象的正例图片截图和实时图片截图的汉明距离值，然后同设定阈值相比较。当所有组的汉明距离都大于阈值，则认为完整图片上的标志物都消失了，程序产生预警。如果预警连续持续 2 个扫描周期，程序通过 Modbus TCP 协议向主机发出报警信号。报警服务主机为 1 台无风扇微型计算机(硬件采用 Core i57300HQ CPU 2.5GHz 内存 8Gb，1 T 硬盘;扩展卡采用 16 路常开无源接点)安装在集控中心 PLC 控制柜内，采用 Python 语03煤炭加工与综合利用2023 年第 2 期言编写 Modbus TCP Server，提供5 000个保持寄存器。各个部署在溜槽附近的树莓派溜槽检测平台的报警信号通过 Modbus TCP 协议将 ModbusTCP Server 中 对 应 的 保 持 寄 存 器 进 行 赋 值。Modbus TCP Server 监测程序检测到某个保持寄存器数值改变，硬件接口线程程序将该保持寄存器对应的常开无源接点进行状态切换。选煤厂 PLC控制系统可以通过通讯的方式获取 Modbus TCPServer5 中的保持寄存器信息，作为溜槽堵塞报警。如果 PLC 不支持 Modbus TCP 协议，也可以使用硬接线方式，连接报警服务主机上常开无源接点，获取报警信息。报警服务器一方面为控制系统提供报警信息，还可以使用视频接口线程与海康威视综合管理平台 Open API 接口进行通讯，控制报警溜槽的摄像机进行录像。视频接口线程是调用海康威视视频平台开放的 SDK 接口实现的。3应用效果某露天矿选煤厂筛分车间的块煤胶带机由于带速快、煤量大，为防止胶带机机头煤块迸溅伤人，将机头及溜槽入料口进行了封闭处理。胶带机头形成了长 4 m、宽 4 m、高 3 m 的全封闭溜槽，溜槽两侧上方留有带活动门的观察窗口。煤流成抛物线型下落时，速度较快，击打在对面封闭溜槽挡板上形成很多迸溅煤块。最初安装了吊挂式倾斜开关传感器，检测堵煤故障。但由于迸溅煤块太多，频繁击打到吊挂式倾斜开关传感器，造成传感器摇摆严重，频繁误报。并且吊挂电缆受击打后，磨损严重，影响了使用效果。另外由于块煤溜槽内壁普遍安装了耐磨钢板，无法在溜槽中下部开孔安装压力式检测开关。针对上述问题，采用了在封闭溜槽内部，煤流抛物线下方侧壁安装经过防砸处理的防爆网络摄像机，摄像机镜头垂直向下，直接拍摄溜槽洞口。在溜槽下料洞口，避开主煤流的位置焊接了2 个 25 cm 倾斜向下的圆形标志物。镜头保护方面，摄像机防爆外壳上镜头外侧加装 10 cm 长的锥形金属圆筒，有效防止了煤粒迸溅到镜头玻璃上。经过长时间试验，在无水雾的溜槽入口，防爆外壳的镜头玻璃经过 3 个多月都能保持相对清洁，不影响视频质量。由于视频比对程序需要获取视频流，对视频流的实时性、稳定性要求相对较高，将树莓派硬件平台加载比对程序直接部署到溜槽摄像机附近第一级交换机处，防止由于整个网络延迟或中断影响视频流。输送胶带机附近一般为防爆区域，需要将树莓派平台安装在防爆盒中。将树莓派采集平台安装散热导片，使用散热硅胶和防爆盒外壳进行紧密连接，形成整体散热，应用过程中从未出现过因为过热损坏或者死机的情况。实时性方面，在 2 组标志物的情况下，比对程序在树莓派平台运行，平均扫描周期约为230 ms。在 4 组标志物的情况下，比对程序在树莓派平台运