基于机器视觉的矿井提升系统高速钢丝绳智能在线检测装置

基于机器视觉的矿井提升系统高速钢丝绳智能在线检测装置摘要：基于机器视觉的矿井提升系统高速钢丝绳智能在线检测装置是运用AI高速识别技术，采用先进的数字化视频技术、AI图像智能识别技术，通过智能识别摄像仪和AI算法，在不减速、不停机的情况下实时监视和识别钢丝绳的状态，对细小的断丝、捻距、磨损、锈蚀等异常状态进行照片抓拍、自动录像，精准定位钢丝绳位置，并且能够第一时间识别出来，并发出报警，自动生成检测报告，给煤矿精准检修、评估钢丝绳使用寿命提供了可靠依据，大大提高煤矿安全监管，提高安全生产、降低安全事故的发生，为提升系统保驾护航，系统实现了提升系统的信息化、数字化和智能化水平。关键词：人工智能；智能分析；线扫相机；钢丝绳在线检测；智能检修。0、引言运输是矿井的动脉，提升则是咽喉，这充分体现了矿井提升运输系统在矿井工作过程中的重要性。矿井提升运输是采煤过程中的重要环节，井下个工作面采掘下来的煤或矸石、人员的升井，材料、设备的运送，均需要通过提升运输系统来完成。所以提升系统安全、可靠、稳定运行是保障煤矿的日常生产，矿工人身安全的前提条件。矿方同样重视，每天安排检修设备检查，钢丝绳人工查看等，但每天的检修耗时、耗力，而且影响生产和人员升井，人员在井筒内检修，安全风险也比较大，因此基于机器视觉的矿井提升系统高速钢丝绳智能在线检测装置应运而生，该系统能有效解决钢丝绳安全隐患，并且在生产过程中就完成了检修工作，真正实现了钢丝绳在线检测和智能检修。1、系统研究背景及意义近年来，主、副井提升系统用于煤炭提升使用，在矿井生产运行中起到非常重要的作用。煤矿的主、副井提升运输系统具备全自动运行功能，但仍需安排岗位工值岗，观察提升系统的运行，防止出现异常情况。提升系统的钢丝绳首绳是矿山生产流程中重要的组成部分，也是提升机的关键承载构件，其运行环境复杂，日常维护困难，一旦发生故障会引起停产或人员伤亡的严重事故。长期以来，提升系统首绳系统的巡检工作主要依靠人工进行定时排查，日常检测主要依赖的是“目视、手摸、卡尺量”，人工目测方法可靠性差效率低下，花费大量人力，无法做到高效检测。显性损伤要靠检测技术人员良好的经验和判断力才可能发现，隐性损伤则很难查到。靠传统检测方法也无法定量描述在用钢丝绳的损伤情况，更为严重情况是：尽管钢丝绳的使用性能始终处于不可逆的衰变当中，但日常维护中却无法准确衡量这种衰变达到的严重程度，当剩余承载能力接近极限从而引发安全事故。因此一套能高效、精准的钢丝绳在线监测装置迫在眉睫。系统概述借助机器学习和计算机视觉技术，通过机器完成提升机首绳、尾绳各种外部状态分析、检测及预警，可完全替代人工查绳。系统投入后，将实现提升机首尾绳全生命周期分析、存档及管理，将大幅提高提升机查绳验绳效率和质量，节约日常检修时间，降低职工劳动强度，并进一步推进煤矿行业的智能化建设，提升煤矿行业的生产效率和管理水平，推进煤矿智能化生产。系统功能提升机钢丝绳首绳实时检测数据（含图像、位置）、历史检测数据（含图像、位置）、状态变化趋势等，数据存储不少于1年。通过大数据分析、处理，可形成捻距、断丝数量识别统计报告、直径测量数值报告、钢丝绳磨损锈蚀等级报告、其他各种损伤视图检测报告等，可自动生成检测报告和趋势图，检测报告和趋势图可以Word、PDF、Excel等文件形式导出打印。系统详细设计4.1系统结构及组成基于机器视觉的提升机高速首绳智能检测系统采用分布式结构，主要由移动巡检装置、精密轨道、运动控制器及驱动器图处理工作站，交换机、工程师操作站、高速AI相机、补光灯组成。系统能够实时在线检测提升机首绳断丝、跳丝变形、锈蚀等外观缺陷，具备纬编计数、高精度直径测量、捻距测量等功能。4.2移动巡检装置采用对称设计，2套移动巡检装置运行于精密导轨上，通过预设，自动运行至检测区域进行检测。具有动作重复精度高，精度可到毫米级。通过自带高精度图像传感器进行图像抓拍、钢丝绳直径测量等。同时由于采用了多个高速线扫相机，可实现钢丝绳多角度拍摄，保证检测无死角。高速线扫相机用于拍摄高速连续图像，用于进行钢丝绳捻距、断丝、锈蚀等外观缺陷的检测，高精度外径测量仪用于测量钢丝绳直径。移动巡检装置由高精度外径测量仪，高速线扫相机、线扫光源以及图像处理单元、专用线扫光源控制器等组成。4.3高精度外径测量仪系统采用特有的绿色LED激光和远心镜头HL-CCD，能帮助达到常规测微计的双倍速度和精度。无马达结构和长寿命光源确保了优良的耐久度，保持长时间的可靠运行。绿色的LED激光作为单一的平行光线对目标照射。通过高清CMOS相机识别分析HL-CCD上明亮和黑暗区域之间的边缘，得到直径的精确测量值。4.4线扫相机线扫相机工作时，需要物体与之保持相对运动，通常为沿着某一直线或旋转轴运动。当物体移动经过线扫相机面前时，线扫相机将采集一个新的像素线。与之配套的图像处理单元上的软件将存储每个像素线，然后将像素数据重新构建为最终的2D图像。这种独特的图像采集过程擅长于采集单一运动方向的快速移动线扫相机可提供500-8,000像素/线条的分辨率，最高能够达到67,000个线条/秒的高速采集速率，线扫描系统构建图像时需要物体处于运动状态。本方案针对提升机首绳的运动特点，选用的线扫描相机可以在帧之间获取一连串的连续（即无间隙）图像，便于实现首绳的视频分析。4.5线扫光源线扫描相机采集一行像素时仅需一条光线。这意味着不同于面阵扫描相机，线扫描相机不需要将元件均匀照亮。强烈、无波动且高度聚焦的“线”型照明最适合线扫描应用，由于采集速度较快（通常每个线条只需数微秒时间），这也需要较高强度的光线。线性光源与相机对位，以增加通常始终开启而非频闪光线的强度。系统测量优势1.提升机全速（8～14m/s）运行期间，钢丝绳能够实现检测无盲区，可全程实时监测单根钢丝绳捻距、断丝、变形、磨损等外观缺陷状态，可定时自动或手动遥控切换至其它钢丝绳检测，可自动判断形成钢丝绳捻距、断丝、变形、锈蚀等状态变化趋势曲线，具备预报预警功能，可按周、月、季度、年查询钢丝绳全生命周期状态趋势。2.系统可自动完成同等位置钢丝绳的捻距变化情况，可实现智能比对并形成检测报告。3.钢丝绳断丝图像信息、提升机位置应自动标定，位置误差应控制在100mm以内；可自动检测出钢丝绳表面断丝数量，准确率100%。4.检测准确率：钢丝绳金属截面积（LMA）误差＜±1%，钢丝绳直径精度为0.01mm。5.可自动检测判断钢丝绳变形情况，即钢丝绳直径局部变大、钢丝绳直径局部变小、钢丝绳局部变形或损伤。（1）损伤点定位准确率≥99%。（2）损伤检出率（损伤检出能力）：1）超限损伤、严重损伤、较重损伤、中度损伤实时检出率100%；2）轻度损伤实时检出率＞99%；3）轻微损伤实时检出率＞95%。（3）损伤重复率（损伤检出的重复能力）：1）超限损伤、严重损伤、较重损伤、中度损伤重复率100%；2）轻度重复率＞99%。效益分析系统采用最新的设计理念，首次开发专用的移动监测装置、高速AI摄像仪及智能图像处理工作站，开发核心识别算法，形成实时互联、自主学习、动态预测、协同控制的智能检测系统，实时在线检测提升系统的安全隐患，自动形成告警信息，发出闭锁信号，实现提升系统的智能化运行。系统借助机器学习和计算机视觉技术，完成提升系统首绳各种外部状态分析、检测及预警，去掉钢丝绳检修时间，减人工作工作量和井筒检修危险风险，减少提升系统安全事故，大大降低检修工作量，提高生产和运输效率，降低运输成本，提升煤矿智能化水平。结语系统能智能监测提升系统运行状态，精准快速识别首绳表面毛刺、断丝、断股、变形、磨损、锈蚀，钢丝绳捻距及直径变化等异常状态，统计钢丝绳使用时间及负荷，预估钢丝绳使用寿命，提醒检修人员及时更换，系统正常运行时不需人工干预，规避人员操作失误等，大大提高煤矿智能水平，系统开创了提升系统智能检测、检修的新模式，具有广泛的应用和推广价值参考文献：赵金升.智能化矿山建设[J].科技创新导报.

2019,16(1