輸煤皮帶機現場智能檢測保護系統的研究與應用

楊勇

0 概述

目前火電廠輸煤系統現場安裝的保護裝置有：①急停按鈕和事故拉繩開關、②速度打滑開關、③二級跑偏開關和④頭部落煤筒堵煤開關。

由于生產環境潮濕且灰塵大，加上開關磨損，致使其實用壽命嚴重縮短。生產環境粉塵很大，紅外類傳感器等無法正常工作。尤其當皮帶機上有異物（較多非鐵質物體：若有木塊、石頭、鋁塊、動物或人）時，現有的設備均不能有效檢測，只能依靠工業電視監控系統攝像機監控畫面，由值班員監視視頻畫面來判斷皮帶機是否運行安全，因長時間重復勞動，很容易出現視覺疲勞，導致設備出現異常時，操作人員沒有及時停機，因此不能保證設備的安全運行。因此，急需一種既具備高可靠性，又可代替人工、自主完成檢測過程的新型安全防護裝置。

計算機視覺技術已在智能安防、人臉識別以及車牌識別等領域得到充分發展與應用。其依靠智能的計算機視覺算法，可替代人工進行復雜的圖像識別和特征提取，本文將此類智能算法在傳統工業生產現場展開應用研究，論證了輸煤皮帶機現場智能檢測保護系統的理論依據。

1 項目的目的、意義

本文基于現階段國內火電廠安全防護開關自動化程度低，重點布局國家大力倡導的“中國制造2025”中的智能電廠的系統解決方案，依賴浙江浙能溫州發電有限公司的工程經驗與先進技術，針對火電行業輸煤皮帶系統落后的安全防護現狀，聯合有關高校，積極推進產學研合作，技術成果轉化，創新商業模式，擬研制基于計算機視覺的輸煤皮帶機綜合防護裝置。

目前，隨著計算機視覺技術和圖像處理技術的不斷發展，采用基于視覺檢測的方法，可以對傳送帶運行狀態進行智能監視，保證傳送帶的安全運行，從而代替值班員的視頻監視、分析和判斷功能，大大提高傳送帶運行的安全性。

國內現有電廠、煤場中，輸煤系統采用程控系統遠方控制，安裝了完善的視頻監控系統，但對皮帶的運行情況由值班員人工監視和判斷，還沒有智能檢測保護系統的成功應用案例。本項目通過研究輸煤皮帶的各種作業過程，分析過程的異常情況，開發相應的智能檢測裝置，為整個輸煤皮帶作業安全運行提供可靠的管理、檢測手段，并為將來輸煤皮帶無人值守項目提供前提基礎。

2 項目立項的必要性及市場需求分析

2.1 項目技術攻關的必要性

利用本文的研究成果，提高輸煤皮帶運行的安全性和可靠性。輸煤皮帶智能檢測保護系統系統的應用前景具體如下：

提高輸煤皮帶運行的安全性：由于人的主觀判斷很難保證準確性和正確性，尤其在長時間作業后，勞動強度較大，操作人員容易疲勞，尤其容易引起視覺疲勞而增加安全運行風險。通過輸煤皮帶智能檢測保護系統，可以及時發現輸煤皮帶運行中出現的問題，并聯動停機，代替值班員的人工監視。

皮帶保護的高效性：智能檢測保護系統可以實現對每一條皮帶機每秒10次以上的跑偏、堵煤、異物分析和判斷。而人對于中等亮度的光刺激，視覺暫留時間約為0.05至0.2秒，也就是要實現類似功能，需要在每條皮帶配置1個值班員。而現在系統運行時1個值班員需要輪詢監視10多條皮帶。

提高職業健康：通過智能檢測保護系統，可以大大降低值班員監視皮帶上煤的工作強度，他們能更多的時間和精力處理配煤、數據分析、設備效率等工作，從而提高值班員的職業健康。

2.2 項目的市場需求分析

電廠的輸煤系統，仍采用各式開關對輸煤系統進行監控。如果采取本文所設計的智能識別傳感器，可完全替代現場繁多的各類開關，提高檢測效率，既節約成本的同時，減小了安裝與維護難度。

就整個火電行業來看，全國范圍內分布著數以千計的火電廠，每個火電廠至少有一套輸煤系統，若每套輸煤系統安裝5套基于計算機視覺的綜合防護裝置，其市場潛力將十分巨大。

3 項目主要研究內容

3.1 研究與開發內容

系統主要功能包括：輸煤皮帶的跑偏檢測、堵煤檢測、異物（較多非鐵質物體：若有木塊、石頭、鋁塊、動物或人）檢測、通過聲光報警并聯動停機，從而實現輸煤皮帶的安全運行。具體包含以下內容：

皮帶跑偏檢測：在皮帶機頭部和尾部安裝視頻監控裝置，并通過視頻分析，檢測皮帶機的運行狀態，當發生皮帶跑偏時，根據跑偏程度發出聲光報警或停機指令。

皮帶堵煤檢測：在皮帶機頭部正對落煤口安裝視頻監控裝置，并通過視頻分析，檢測皮帶機的運行狀態，當發出堵煤、灑煤時，發出聲光報警和停機指令。

皮帶異物檢測：在皮帶機頭部逆煤流方向，考慮輸煤棧橋內的空間，安裝視頻監控裝置并盡可能覆蓋范圍廣，并通過視頻分析，檢測皮帶機的運行狀態，當皮帶上異物（較多非鐵質物體：若有木塊、石頭、鋁塊、動物或人），發出聲光報警和停機指令。

皮帶現場智能檢測保護系統：建立無線網絡和圖像服務器，檢測裝置可以將圖像狀態實時送到服務器，服務器記錄全部工作過程。當檢測裝置發出動作信號后，將動作的詳細狀態和圖像發送到服務器，服務器可以記錄動作的詳細狀態。

3.2 項目的技術關鍵，包括技術難點、創新點

基于光流法的輸煤皮帶跑偏檢測技術

給圖像中的每個像素點賦予一個速度矢量，這樣就形成了一個運動矢量場。在某一特定時刻，圖像上的點與三維物體上的點一一對應，這種對應關系可以通過投影來計算得到。根據各個像素點的速度矢量特征，可以對圖像進行動態分析。如果圖像中沒有運動目標，則光流矢量在整個圖像區域是連續變化的。當圖像中有運動物體時，目標和背景存在著相對運動。運動物體所形成的速度矢量必然和背景的速度矢量有所不同，便可計算出運動物體的位置。

基于背景更新的輸煤皮帶堵煤檢測技術

首先利用一段時間內的視頻圖像序列積累初始背景；然后對視頻序列中新的一幀圖像利用單高斯背景減法進行變化區域檢測，獲得前景圖像并對背景進行更新；最后將得到的前景圖像采用形態學閉運算進行必要的后處理，得到完整的堵煤區域目標。由于堵煤是一個隨時間累積的過程，因此可以間隔固定時長來選取視頻幀進行堵煤的檢測。

基于聯合信息的前景的輸煤皮帶異物檢測技術

一種基于IFCM（Improved Fuzzy C-Means）聚類算法的自適應背景建模與更新方法，構建了魯棒的背景模型；再基于背景差分、幀間差分和空間領域信息的聯合信息的前景檢測算法，計算出皮帶上物體的面積，在根據系統設定的異物面積標準，最終判斷出皮帶上是否有異物。

4 技術、經濟效益、市場風險分析

4.1 技術經濟效益分析（含經濟效益、社會效益）

經濟效益

因本系統的檢測采用不接觸的視頻模式，而傳統的跑偏和堵煤均采用接觸式安裝，使用壽命一般在3-5年，到期后需要整體更換；傳統設備需要檢修人員定期進行維護；傳統設備采用電纜進行信號傳輸，需要定期進行檢修。本系統采用非接觸式檢測，并采用無線通信，可以節約設備定期更換和定期維護的人力。

安全效益

通過跑偏檢測、堵煤檢測、異物檢測系統，為皮帶運行提供了安全保障，確保輸煤作業安全。

健康效益

通過智能檢測系統，大大降低值班員工作強度，提高一線作業人員的健康。

社會效益

目前輸煤皮帶使用非常廣泛。本系統的投入使用能夠是輸煤皮帶的保護上一個新的臺階，提高了皮帶機的運行安全，更好地適應社會需求，具有較大的社會效益。

4.2 推廣應用前景分析（含產業化可行性）

伴隨著國民經濟的蓬勃發展，電力企業必須保障電力的穩定供應，因此，電廠輸煤系統的可靠運行顯得尤為重要。以每個電廠的輸煤系統配備5臺智能防護系統，那么全國僅火電行業就需要近萬臺，市場潛力巨大。因本文所研究的智能防護系統可推廣至其他工礦企業，其市場價值和經濟效益更是難以估量。

5 總結

本文所提出的輸煤皮帶機現場智能檢測保護系統的必要性及市場需求分析合理，項目推廣應用前景較好。結合先進的計算機視覺智能算法，可有效實現輸煤現場的綜合保護，具有較高的應用價值。endprint