基于熱紅外的煤層跟蹤長壁采煤機選采能力研究

岳 勃

（晉能控股煤業集團同忻煤礦山西有限公司， 山西 大同 037001）

引言

長壁煤層開采[1]是一種全面開采地下煤層的方法，包括使用機械化采煤機將大塊或大板的煤炭移走。煤板寬一般為200~350 m，長度可達5 km。機械采煤機安裝在采煤盤和導軌上，導軌引導采煤機在工作面上來回移動。采用這種開采方法，頂板由液壓盾構支撐，液壓盾構隨著開采的進行而單獨推進。要實現高產量的長壁作業，不僅需要準確知道設備位置，還需要關于煤炭資源空間位置的精確信息，為了最大限度地減少對設備的損害，減少粉塵產生，使人員免受潛在危險的影響，開發一種安裝在機器上的熱紅外攝像機和信號處理算法，實時為采煤機水平控制提供地質智能信息。

1 基于視覺傳感的標記波段跟蹤

最初的研究集中在利用可見光攝像機復制人類的視覺能力。可見光相機方法代表了一種直觀的標記帶跟蹤方法，這種特殊的實施方法在實踐中也產生了一些局限性，特別是在采煤機水平控制問題上。這些具體的限制[2]是：為使成像清晰，需要使用恒定光源；水和灰塵經常完全遮擋任何可見光成像；對單一的、固定的位置產生受限制的可觀察性；有些礦床的地質情況根本沒有產生容易觀察到的可見標記帶。

為了克服可視攝像機系統的局限性，考慮采用熱紅外傳感器的替代方法。使用熱紅外成像的想法是基于所有物體根據其溫度發射熱紅外能量的概念[3]。在電磁波譜的不同區域工作，如圖1 所示與熱紅外能量相關的波長范圍。由于旋轉的采煤機滾筒與工作面接觸，摩擦作用產生了熱對比區域，熱紅外傳感與長壁作業之間的具體聯系變得明顯。這些溫差在電磁波譜的熱紅外區可以觀測到。

圖1 紅外波長范圍

輻射強度可以由紅外攝像機檢測，并以數字圖像顯示，其中像素值代表測量的熱紅外強度。熱紅外相機的典型輸出是用不同像素強度值的灰度圖像表示的，其中較暗和較亮分別對應較冷和較熱的物體。圖2 顯示的是緊湊型防爆外殼與熱紅外輻射傳感器相結合的一個攝像機。

圖2 帶有防爆殼體的熱紅外攝像機

2 圖像處理和縫隙跟蹤

2.1 熱圖像采集

下頁圖3 為長壁煤礦采煤機牽引臂垂直于工作面安裝的攝像機采集到的典型熱成像攝像機視頻流快照。這張圖片顯示了一個特征，對應于一個“熱標記帶”[4]，產生于硬質機械材料上的摩擦力。應該注意的是，這種熱特征是肉眼看不見的。圖像底部1/3 較暗的部分是采煤機上堆積的煤。這幅圖像是在采煤機產生大量空氣中的顆粒和碎片的地質條件下獲得的，幾乎無法被可見光系統觀測到。然而，使用紅外成像的波段特征仍然很明顯，這表明了熱紅外成像技術的一個關鍵特性[5]，其成像質量不像普通攝像機那樣受到顆粒物的嚴重影響。

2.2 數據處理

跟蹤標記波段高度所采用的數據處理程序如圖4 所示。該算法首先獲取一幅新圖像，該圖像由安裝在長壁采煤機上的熱成像系統的單幀圖像組成。使用經典的地平線特征提取圖像處理算法,檢測標記波段并確定其在圖像中最有可能的位置。將該方法檢測到的標記波段應用于圖3 的樣本熱紅外圖像，如圖5 所示跟蹤的熱標記帶。然后定義感興趣的區域，沿檢測標記帶確定中心點。標記帶的高度是在這個感興趣的區域內估計的，并與當前采煤機橫過長壁工作面的位置進行標記。

圖3 采煤機牽引臂垂直于采煤工作面的攝像機上獲取的熱紅外圖像

圖4 跟蹤焊縫趨勢的信號處理方法流程圖

圖5 對采集到的圖像進行標記

2.3 卡爾曼濾波的標記帶跟蹤

如圖4 流程圖所示，在每個時刻估計標記帶高度的任務相當于跟蹤在一維平面上勻速運動的質點在軌跡上受到隨機擾動的運動。在這種情況下，卡爾曼濾波器是一個具有魯棒性的估計框架，一個簡單的位置—速度卡爾曼濾波器隨后應用于跟蹤場景。

從圖像/攝像機坐標到機器垂直位置的估計熱標記帶高度的映射可以通過校準實現。圖6 比較了原始濾波和卡爾曼濾波標記帶高度估計，在坐標下的長壁工作面。這個濾波過程在熱標記特征與背景強度沒有很好區分的情況下是有用的。在低信噪比下代表了一種穩健和確定性的方法來處理噪聲和測量不確定度。

圖6 未濾波(細線)和卡爾曼濾波(粗線)標記帶的煤層地平跟蹤

3 結果與討論

使用熱紅外攝像機已證明是一個有用的應用。不同的地質條件導致了處理熱特征的新技術的產生。從后期試驗的結果可以看出，熱成像相機的位置和安裝角度對波段特征檢測的性能起著重要的作用。結果表明，相機應該垂直于面部安裝，以便為自動標記波段檢測提供最強大的熱特征。

3.1 感知可生存性和安裝位置

需要進一步的研究，以確定一種方法，以允許基于采煤機攝像機部署地長期實施。考慮到長壁開采過程中遇到極端惡劣的操作條件，確定一個合適的位置安裝傳感器，使其具有最大的使用壽命是一個設計挑戰。應該指出，已經對幾個地點進行了調查，取得了有益的結果。也有可能在固定位置使用多個攝像頭，例如安裝在屋頂支架上，而不是在移動采煤機上使用單個攝像頭。利用熱紅外成像系統提供額外的監測能力可以取得一些有用的進展。特別是，與面部空洞相關的熱差異可以形成自動化面部完整性監測系統。

3.2 綜合采礦解決方案

熱紅外傳感器產生的信息可以與現有的長壁切割模型數據庫集成，提供水平控制系統。這包括通信、智能處理、系統驗證和集成。井下長壁人員將通過更新的圖形用戶界面控制和管理該系統，該界面集成到標準操作控制器中顯示[6]。這允許操作人員設置所需的視界外，根據預先確定的策略，它還將提供所需提取概要文件的圖形顯示，以及選擇或忽略該輸入的選項。如第317 頁圖7 所示將基于熱紅外的傳感集成到現有配置中的總體系統拓撲。

4 結論

本文論述了一種采礦解決方案，以幫助開發長壁作業的自動化地平控制策略。研制了一種由熱紅外攝像機、智能處理算法和開放通信接口組成的系統。該方法用于識別和跟蹤地質標志帶特征，為自動采煤機地平控制系統提供輸入。詳細介紹了軟件、硬件和通信系統。傳感器和系統技術繼續發展，以進一步提高智能地下采礦自動化能力，提高生產率、可持續性和安全性。

圖7 基于熱紅外縫隙傳感器的地平控制系統