矿用输送带防护中的机器视觉技术_郝伟.pdf

矿用输送带防护中的机器视觉技术郝伟（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿生产调度指挥中心，山西古交030200）摘要：煤矿的带式输送机承担着井下的主要运输工作，然而其在运行过程中很容易出现纵向断裂的现象，这种现象所带来的后果不仅会耽误煤矿的正常生产，同时还会危及工作人员的人身安全。目前较为常见的输送带防护装置都属于发生识别型，实际上就是当皮带出现断裂后，会对其进行识别从而停机。基于此，设计了基于机器视觉技术的识别系统将实时采集输送带的图像信号，同时提出对采集到的信息进行进一步处理。经实践表明，当传送带断裂时，系统能够及时作出判断并停机处理。关键词：输送带；断裂；机器视觉技术；图像处理中图分类号：TD634.1文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0294-020引言现如今，煤矿带式输送机的工作特点都是距离长、运量大、时间长等，在井下的煤炭生产中起到了至关重要的地位。而随着作业强度的不断增加，带式输送机会比较容易出现一些技术性问题，考虑到输送带的运行主要是通过摩擦力来实现的，这就使得整个皮带容易出现高温、断裂等现象，一旦输送带断裂，那么其不但会影响煤矿企业的生产运输效率，甚至会关乎作业人员的生命安全。所以，对输送带断裂的预防监测工作就显得十分重要1。本文基于机器视觉技术设计出了一种虚拟仪器，其核心部件是一种智能化的相机，能够对拍摄的输送带图片做出快速的处理，如今已在多个行业应用。1虚拟仪器整体组成本文采用的虚拟仪器系统主要是根据计算机来设计的，该系统具备对图像数据进行处理的相关功能，并将处理好的图像数据进行储存，同时在屏幕上显示。如图 1 所示，为虚拟仪器的系统组成示意图。其中，虚拟仪器系统的外设部分具体包含了监测图像的镜头以及多种类型的传感器，用于系统数据传输的接口类型主要涵盖了串联接口、并联接口以及其他设备接口等，并且还符合很多类型的传输通信标准，方便与剩余仪器完成联通。系统中的独立模块主要由信号采集调理模块、数据采集模块以及图像采集模块等组成。虚拟仪器系统可以将收集到的信息数据进行储存并显示，此外还可以经由工业以太网将储存的信息传输到地面监控中心或者上位机的服务器中。同时，采用人机交互界面可以达到对设备运行参数的调整以及远程控制的目的。2视觉检测流程上文提到的智能化照相机，其作为系统的核心部件可以借助独特的配置方式来实现设备的内部编程，可以根据使用者的需求来进行调整，十分灵活方便，在国内的各个领域都有着很好的应用效果。如图 2 所示，为具体的视觉检测流程。由图 2 可知，系统在对图像进行检测时，第一步要对整个智能相机系统开展初始化处理，这里面包括了对系统软件及硬件的初始化。这一步骤完成后，系收稿日期：2022-04-15作者简介：郝伟（1983），男，山西古交人，毕业于山西大同大学采矿工程专业，研究方向为机电。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.120图 1虚拟仪器的系统组成图 2视觉检测流程信号调理数据采集模块图像采集模块GPIO 接口及接口卡串行通信仪器并行通信仪器其他设备接口带有图像处理软件的PC 站局域网或者是互联网系统初始化视频采集及存储NI 图像分析处理图像处理过滤创建关键区域裂痕与像素比例计算与设定值比较下一帧大于阈值 1？大于阈值 2？报警报警是是否否检测对象及相关传感器技术应用2023 年第 6 期统就会自动进入相机事先设置好的处理程序，并对下一步的工作进行准备。第二步是在系统初始化工作进行完毕后，对皮带的图像信息进行采集，随后将收集到的信息数据存储到预先安装在系统内部的大容量存储装置中。同时，针对之前收集的图像进行初步的处理，主要是将没用的图片信息进行删除。经由上述两步的处理，系统的图像信息已经到达了初步的成效，之后借助专家系统的处理经验来找出可能存在问题的区域空间并创建，然后对此作出细化处理。最后，根据所处理后的图像信息来按照比例算出裂缝像素的结果。此外，在系统中设定输送带断裂阈值，如果其结果未超过该阈值的大小，那么系统会发出警报但是设备还是处于正常工作的状态；如果计算的结果大于规定的阈值，则说明此时的皮带出现断裂的风险，设备会即刻采取停机措施并报警，并将检测结果上报到地面的集控中心。3具体图像处理和分析过程3.1采集图像的颜色本文所使用的智能相机收集到的图像资料主要都是具备 3 种颜色的平面，而在对图像进行处理时，主要用到的是代表亮度的面2。通过该方法可以将相机收集到的图像做出细化处理。考虑到井下作业环境的复杂性，因此相机拍摄出的图像可能由于某种原因而导致不清晰，所以经过细化处理的图像能够较好的显示到屏幕上。此外，该图像该可以与附近的物体产生较为强烈的对比致使图像显示的更加清晰，从而使得出现异常的区域就会更加显而易见。该过程处理的实质针对图像的每一个对比度进行修改。3.2对比查找经验表该过程主要是将采集到的图像数据与存在于经验表内部的数据进行对比，可以依照经验表中的数据对图像进行进一步的细化处理3。该过程可以在一定程度上增加图像的亮度以及对比度的大小，同时在后续的试验过程中也进一步验证了这种效果的可靠性，能够清晰的观察到皮带断裂的迹象。3.3分割处理后的图像对处理后的图像施展分割处理过程，实际上是为了更加方便地对出现异常的区域进行确定，对于需要作出进一步处理的图像尽可能的划分到较小的区域中，这也就相应地降低了后期的工作量，进一步加快了图像信息的处理速度，在保障不影响生产进度的前提下，尽快发现并处理异常区域。在这个过程中，需要对图像进行进一步的分类，这主要取决于图像的固有特征，如图像的灰度和颜色。本文采用的图像分割技术是一种比较完善的全局阈值方法。处理的具体思路如式（1）所示：g（x，y）=1，f（x，y）T0，f（x，y）T.（1）假设待处理图像的灰度范围为0，L-1，图像的坐标通过 f（x，y）实现，这要求处理图像的灰度范围应控制在 0 和 L-1 之间（L 为灰度级别），其中 T 表示所选图像的灰度值。通过上述公式，图像分割处理方法可以被视为建立了一个用于评价和识别的标准值，记录为 T；然后，将研究图像中每个像素的灰度值与设定值 T 进行比较。通常，图像背景的颜色或对比度相对较低，因此分割后的图像及其背景可以彼此分离。该设定值 T 的选择非常关键，需要在许多方面进行科学论证。3.4处理基本的图像状态图像状态处理的基本过程是将处理后的图像中的所有像素打乱，然后进一步展开图像，如式（2）所示：A S=（AS）茌S.（2）式中：S 为被处理的元素；A 为未被处理的元素。经由式（2）的运算处理，能够把处理过的图像周围轮廓进一步清晰化，同时还可以与之前难以分离的区域分开来。其主要的图像状态处理过程主要是将被处理的元素 S 与原图像之间进行比较，刨除低于 S 的区域，将超过 S 的区域进行保留，这就在保障整个图像大小不变的前提下，将一些较为模糊不清楚的地方去除，使得图像更加的清晰，周边的轮廓也更为显著。4实验结果及后期数据分析为了进一步验证设计的基于机器视觉技术的输送带识别系统的可靠性，本文展开了相关实验进行探究。实验的具体方法是：在带式输送机的输送带运行的过程中，通过智能摄像头，可以在一段时间内连续采集大量皮带信息图像，并选择一些具有代表性的图像进行进一步分析和处理。如图 3 所示，为图像处理前后效果比较的示意图。从图 3 中可以发现，皮带的图像在经过上述流程的分析及处理后，可以十分清晰地观察到输送带带面上出现的一条裂痕，而在处理前该位置处的图像是模糊不清的。由此可以得出结论，本文研究的基于机器视觉技术的输送带识别系统可以很好的观察到皮带3-1图像处理前3-2图像处理后图 3图像处理前后的效果对比示意图（下转第 298 页）郝伟：矿用输送带防护中的机器视觉技术295机械管理开发第 38 卷Research on Support Technology for Soft Rock Roof Retraction Channel in Fully MechanizedMining FaceNiu Ruiyu（Shanxi Jiaomei Fenxi Mining Group Gaoyang Coal Mine,Xiaoyi Shanxi 032306）Abstract:In response to the problems of poor surrounding rock bearing capacity,fragmentation,and significant impact of mining pressurewhen supporting the withdrawal channel of 12301 fully mechanized mining face,the use of anchor mesh cable and grouting method isproposed for support.Top plate usage specification 21.6 mm 7 300 mm steel strand anchor cable ensures that the anchor end of theanchor cable penetrates into the hard and stable basic roof of the roadway by more than 2 meters,and the anchoring length of the resinanchoring agent used is more than 2 meters.The grouting holes and chemical slurry are used to fill the roof cracks between the anchorcables,enhancing the coupling effect between the anchor cable and the roof rock layer while enhancing the bearing capacity of the roofrock layer;Grouting is carried out near the upper part of the roadway to improve the stability of the fractured coal body and avoid theproblem of rock fragmentation under mining pressure.After on-site application,the withdrawal channel of the 12301 fully mechanizedmining face remained stable,and the deformation of the roof,floor,and roadway sides were controlled at 58 mm and 51 mm,respectively.There were no roof falls(roof leakage),wall fragmentation,etc.The space of the withdrawal channel can meet the withdrawal needs of thefully mechanized mining equipment,and significant surrounding rock support effects were achieved on site.Key words:coal mining;withdrawal channel;Broken surrounding rock;long anchor