井筒病害巡檢系統在礦井巡檢中的應用

田茂義　孫志陽　高　航　侯海龍　周茂倫,

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院；2.青島秀山移動測量有限公司)

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井筒病害巡檢系統在礦井巡檢中的應用

田茂義1孫志陽1高航1侯海龍2周茂倫1,2

(1.山東科技大學測繪科學與工程學院；2.青島秀山移動測量有限公司)

摘要煤礦安全巡檢是礦井生產中的重要環節，井筒病害巡檢系統可為煤礦安全生產提供穩定、可靠的病害信息。該系統融入了現代化信息技術，外業數據可實現自動、高效采集，極大提高了作業效率；內業結合GIS影像處理方法，實現了煤礦安全巡檢人員辦公信息化，提高了巡檢的準確性、實時性和可靠性。為煤礦企業信息化發展提供重要參考依據，有一定的應用價值。

關鍵詞井筒病害巡檢系統礦井影像數據采集

礦井巡檢是煤礦安全生產過程中的必要保障，出色的巡檢工作能夠及時排查出礦井的潛在安全隱患，為煤礦企業的安全運營保駕護航。礦井承擔著原煤提升、生產設備和材料的上下井、通訊以及排水等重要任務，是整個煤礦安全保障系統的重要組成部分。目前，手工記錄巡檢是我國煤礦安全巡檢的主要工作方式，巡檢員通過筆錄各監測點數據后移交到井上數據處理中心錄入微機，這就需要操作人員篩選和錄入很多繁雜的數據，增加了巡檢難度，不便于日后的查詢[1]。為克服傳統巡檢的局限性，山東科技大學聯合青島秀山移動測量有限公司，研發了井筒病害巡檢系統，對礦井進行安全、高效檢測，同時獲取海量礦井影像，結合GIS影像處理方法，實現了對井壁裂縫、滲水、破碎等病害的交互式自動提取，為礦井管理人員提供有效的信息[2-3]。

1　井筒病害巡檢系統簡介

井筒病害巡檢系統硬件主要由4臺工業相機(GS22-GE-50S5C/M-C)、照明系統(LED照明燈)、豎井巡檢儀和工業計算機組成。軟件主要包含數據采集系統、圖像拼接系統、圖像配準系統、圖像分析系統、圖像管理系統以及病害分析系統等組成。該系統具有體積小、操作簡單、運作靈活、不影響正常生產等優點。數據采集時可實時顯示系統的運行狀態，實時存儲海量影像數據，通過中央控制系統將采集的數傳輸到計算機中。借助于井筒病害巡檢系統的后處理軟件，實現影像的預處理、拼接配準、病害采集等功能，最終建立井筒病害數據庫，有助于多期數據分析對比，方便巡檢人員管理與維護。系統構成如圖1所示。

圖1　井筒病害巡檢系統

2　井筒病害巡檢系統的數據采集和處理

2.1數據采集前的準備工作

安置儀器前注意整平三腳架，確保無誤后將該系統固定安裝在罐籠頂部。數據采集作業中，固定好豎井巡檢儀，調節其載體位置，保持每次數據采集作業起始點相同，基準誤差不得超過1 m，每次作業將巡檢儀中心相機正對拍攝區同一參照物，進而確保每次數據采集時巡檢的井筒范圍相同。

2.2外業數據采集

啟動井筒病害巡檢系統，可高效、自動采集影像，可通過數據采集系統實時進行相機采集狀態監控，設備的電源管理等同步控制。該系統采集到的影像格式為.raw數據，經系統解析功能可轉換為jpg格式，方便后續處理與使用。

2.3數據處理2.3.1內業處理流程

圖2為基于井筒病害巡檢系統的數據處理流程。

圖2　井筒病害巡檢系統的數據處理流程

2.3.2圖像預處理

在采集過程中，伴隨著投影變形的影響，從影像中心向外影像變形程度會逐漸增大，影像之間的重疊度較大，可對影像進行適當裁剪，降低數據量，以防內存不足，提高拼接效率；采用灰度變換算法進行空間域影像增強，增強影像的整體效果，改善影像質量,以便在后續操作時更好地分析與理解；根據預先建立的影像拼接模型創建圖像索引，索引文件存儲了影像拍攝時間、實際礦井中的位置等信息，是影像分區及拼接的依據。

2.3.3圖像拼接配準

拼接分為兩個階段：縱向拼接，單相機影像拼接，把每個相機處理后的影像分別進行拼接，形成4幅單相機影像；橫向拼接，全相機拼接，把上一階段形成的單相機影像進行橫向拼接，最后把4個相機的影像拼接為一幅高清，寬幅影像。橫向拼接過程中，采用GIS方法對圖像進行地理坐標配準，生成相應的地理坐標文件，此文件定義了影像像素坐標與實際地理坐標的仿射關系[4-5],以及空間校正等處理。

2.3.4病害采集

圖像拼接配準完成后，形成清晰完整影像，應用配套的軟件處理系統可進行礦井病害的分類提取，將采集到的病害自動進行數據入庫，可根據多期數據進行病害分析。該過程可將多期的病害庫分類導出，方便查詢與使用。

3　工程應用

3.1礦井概況

某礦井深約610 m，獲取的影像2 500張。采集數據時礦井一般情況下亮度較低，而且礦井井壁的結構比較相似。傳統人工檢查病害只能大體獲取病害位置、病害類型，不能定量的分析病害到達的程度；每次檢查都需要1～2人,只能在礦井空閑時進行,檢查不靈活；檢查過程中存在人員偷懶、漏檢等情況，造成數據統計不完整，可用性差[4]。病害巡檢系統無人值守，自動采集外業數據。外業采集數據大約需要30 min，常規巡檢過程內業處理需要1.5～2個工作日，快速巡檢內業(有針對性的檢查)需0.5個工作日。

3.2成果展示

經內業數據處理后，可清晰查詢井筒病害信息，圖3為井筒病害提取影像。表1展示了部分井筒出水統計信息和井壁損壞統計信息，根據這些信息可及時掌握井筒病害，并作出補救措施。

圖3　井筒病害提取影像表1　部分井筒、井壁出水統計

位置編號病害類型等級影響區域深度/m方位/(°)采集日期備注井筒1縫隙出水明顯130北偏東8212-291縫隙出水明顯2130北偏東8212-291井壁滲水一般1140北偏東5412-292井壁滲水嚴重170北偏東312-292井壁滲水嚴重1170北偏東312-29此次巡檢共發現井壁出水5處,其中井壁滲水3處,縫隙出水2處。井壁1結堿嚴重222正北12-281裂縫一般1.55北偏西7112-282結堿明顯3.51北偏東4612-293結堿一般212.27南偏西312-294結堿明顯217.34南偏西412-291掉渣嚴重240.56南偏西2112-28此次巡檢沒發現井壁損壞,結堿4處,裂縫1處,掉渣1處。

4　結果分析

根據井筒病害巡檢系統導出的病害報告，可直觀分析井筒病害的類型、病害深度以及病害等級。病害深度與實際病害位置偏離10～15 cm，該偏差滿足實際需要。井筒病害等級與現場實際病害比較可知,該系統病害等級程度基本符合井筒現狀，達到98%以上。將提取的病害進行數據入庫，建立起多期數據，可以根據多期數據對比,采取有效措施去除病害,并防止病害的擴大生長。

5　結　語

井筒病害巡檢系統作為一種全新的礦井井壁影像數據采集手段，可以獲取大量的井壁影像，為礦井病害的獲取提供豐富的信息。井筒病害巡檢系統運行時無人值守全自動圖片采集，相對于傳統的病害檢查，極大的降低了外業勞動強度，效率相對傳統作業也有提高。外業采集數據經內業處理后可對影像進行系統的對比分析，為決策者提供可靠的病害信息，及時采取有效措施避免因井筒病害帶來的災害。該系統雖然可以滿足實際的需要，但是精度還需進一步提高，處理內業時對計算機的要求較高。隨著技術的不斷提高，井筒病害巡檢系統配套軟件的不斷優化，必將促進該技術在礦井病害中的廣泛應用。

參考文獻

[1]錢亮亮,傅娟.基于WCF技術的礦井巡檢管理軟件的開發[J].煤炭技術,2013(12):103-104.

[2]張慧麗,毛瑞,李昭靜.基于GIS的礦井人員巡檢系統設計[J].煤炭技術,2013(11):225-226.

[3]劉如飛,劉冰,盧秀山,等.無人機原始影像快速拼接系統的設計與實現[J].測繪科學,2013,38(5):170-171,182.

[4]劉澤宇.礦井瓦斯安全智能巡檢系統在古書院礦的應用[J].煤礦安全,2007,38(5):58-60.

[5]吳秀芹.ArcGIS 9地理信息系統應用與實踐[M].北京：清華大學出版社,2007.

(收稿日期2016-04-22)

田茂義(1976—)，男,副教授,博士，266590 山東省青島市。