帶式輸送機(jī)系統(tǒng)中圖像識(shí)別與AI算法的應(yīng)用分析

本文作者：閆欣、王文兵、湯琪、黃波

摘 ?要：火電廠輸煤皮帶在長期使用過程中，經(jīng)常發(fā)生跑偏、細(xì)微裂紋，嚴(yán)重情況下發(fā)生皮帶撕裂，如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)皮帶跑偏、皮帶裂紋開裂情況，就會(huì)使皮帶持續(xù)損壞，如因皮帶停機(jī)不及時(shí)嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生機(jī)架、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的損壞。通過 AI 圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于輸煤皮帶監(jiān)視判斷保護(hù)系統(tǒng)是非常必要的，能更全面的補(bǔ)充及提升輸煤熱控保護(hù)可靠度。

前言

帶式輸送皮帶機(jī)作為散料輸送的工具，具有安全、可靠適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在電力行業(yè)應(yīng)用最為普遍。輸煤皮帶作為帶式輸送皮帶機(jī)的重要零部件，其使用成本占整個(gè)輸煤系統(tǒng)成本的 30%左右。如果能有效進(jìn)行輸煤皮帶的監(jiān)控及保護(hù)，能有效提高輸煤皮帶使用耐久度，并形成完善的皮帶壽命管理機(jī)制。

1??實(shí)施背景

某電廠輸煤 A、B 系統(tǒng)的棧橋內(nèi)均布置有雙路帶式輸送機(jī)系統(tǒng)，同一棧橋內(nèi)的兩路系統(tǒng)互為備用。A、B、C 系統(tǒng)共設(shè)有 38 臺(tái)帶式輸送機(jī)，其中，A 系統(tǒng)共計(jì)9 段，18 臺(tái)帶式輸送機(jī)；B 系統(tǒng)共計(jì) 10?段，20?臺(tái)帶式輸送機(jī)。AB 系統(tǒng)采用焦作起重運(yùn)輸機(jī)械總廠生產(chǎn)的DT75 型普通固定式帶式輸送機(jī)。帶芯全為帆布的，用橡膠作覆蓋材料和布層間貼接材料，布層全為4層，覆蓋膠上層為 6mm，下層為 3mm。輸煤 C 系統(tǒng)采用沈陽起重運(yùn)輸機(jī)械有限公司生產(chǎn)的 DTⅡ型固定式膠帶帶式輸送機(jī)，全部為鋼絲帶?，F(xiàn)有 A、B 系統(tǒng)皮帶防跑偏的措施為采用皮帶防跑偏開關(guān)、皮帶防跑偏托輥。

輸煤皮帶作為電廠生產(chǎn)運(yùn)行的必要設(shè)備，在使用過程中因皮帶更換時(shí)的安裝誤差、焊接街頭位置不正、輸煤皮帶落料點(diǎn)偏移、滾筒與輸煤皮帶間異物、托輥損壞缺失、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈或異物砸傷等原因，造成輸煤皮帶跑偏、劃傷，以及疲勞性裂紋損傷等。這些故障如不及時(shí)檢測與處理，就會(huì)使皮帶持續(xù)損壞，如因皮帶停機(jī)不及時(shí)嚴(yán)重情況下會(huì)發(fā)生機(jī)架、減速機(jī)、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的損壞，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失或者人員傷亡。

目前對(duì)于輸煤皮帶跑偏檢測主要是采用跑偏開關(guān)進(jìn)行檢測，該方法只能進(jìn)行固定位置的跑偏檢測，檢測靈活性及準(zhǔn)確性差，易損壞可靠性差。輸煤皮帶裂紋檢測至今未有行之有效的檢測方法，主要是在皮帶驗(yàn)帶速度下靠人工間驗(yàn)的方式進(jìn)行檢測，該方法檢測效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、準(zhǔn)確性極差且存在安全隱患。因此，對(duì)輸煤皮帶跑偏、裂紋檢測的研究與應(yīng)用有很高的生產(chǎn)、應(yīng)用價(jià)值。

基于圖像識(shí)別和 AI 算法的皮帶智能檢測系統(tǒng)覆蓋輸煤系統(tǒng)所有輸煤皮帶，對(duì)輸煤皮帶跑偏、裂紋、撕裂進(jìn)行智能檢測分析與報(bào)警，避免輸煤皮帶撕裂、斷帶以及減少因經(jīng)常性跑偏造成的皮帶異常磨損，提高輸煤系統(tǒng)安全性和生產(chǎn)效率，減少皮帶磨損降低輸煤皮帶更換成本。

系統(tǒng)工藝流程

2 ?系統(tǒng)功能

該電廠對(duì)輸煤 A/B 兩條線 38 條皮帶機(jī)頭、機(jī)尾各安裝一個(gè)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控設(shè)備，安裝400萬像素以上的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其中根據(jù)現(xiàn)場情況易燃易爆位置安裝防爆型網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。視頻存儲(chǔ)設(shè)備的容量滿足不低于 45 天的存儲(chǔ)時(shí)間，碼流不低于2M。為防止前端攝像機(jī)到中心視頻存儲(chǔ)設(shè)備之間的傳輸線路故障時(shí)視頻丟失，支持?jǐn)嗑W(wǎng)續(xù)傳功能。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳輸設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備等視頻監(jiān)控硬件平臺(tái)部分及視頻監(jiān)控軟件平臺(tái)部分組成。

基于圖像識(shí)別和 AI 算法的皮帶智能檢測系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)，在對(duì)圖像預(yù)處理、特征提取、分類、圖像匹配算法進(jìn)行深入研究和分析的基礎(chǔ)上，分析和比較各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。系統(tǒng)在充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像視覺智能識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了檢測。當(dāng)檢測出嚴(yán)重的情況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)授權(quán)情況自動(dòng)進(jìn)行輸煤機(jī)的停止工作，避免皮帶損傷帶來的經(jīng)濟(jì)損失。

1、設(shè)備檢測，主要針對(duì)輸煤系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行情況檢測。比如皮帶是否跑偏、撕裂、灑煤。

2、安全生產(chǎn)檢測，皮帶上出現(xiàn)異物，要及時(shí)報(bào)警，提醒工作人員盡快處理，防止發(fā)生事故。一些在設(shè)備運(yùn)行時(shí)人員不能靠近的非安全區(qū)域一旦出現(xiàn)人員進(jìn)入時(shí)，及時(shí)報(bào)警，防范事故發(fā)生。

3 ?技術(shù)路線

采用機(jī)器視覺技術(shù)，同時(shí)引入輔助結(jié)構(gòu)光輪廓線，實(shí)現(xiàn)對(duì)膠帶表面的各種損傷進(jìn)行實(shí)時(shí)的識(shí)別和判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)行報(bào)警或停機(jī)處理。它的工作原理利用特種光感攝像機(jī)對(duì)皮帶表面進(jìn)行拍攝成像。通過結(jié)構(gòu)光束在皮帶表面呈現(xiàn)一條與皮帶表面完全相符的輪廓線。利用圖像實(shí)時(shí)算法對(duì)拍攝圖像中的輪廓線變化進(jìn)行判斷。

3.1?主要設(shè)備構(gòu)成

1、激光發(fā)射器

完整的呈現(xiàn)皮帶表面輪廓變化，大角度光源的設(shè)計(jì)可保證，無論皮帶成什么形狀都可以完成真實(shí)輪廓的拍射。

2、隔爆攝像儀

（1）用 2048 像素工業(yè)線陣相機(jī)，保證了在橫向40cm寬的視野內(nèi)，可識(shí)別最小像元為?0.4mm，保證了拍攝的精度。

（2）每秒最高 81 幀的拍攝速度，30cm 的縱向視野，保證在物體運(yùn)動(dòng)不大于 3m/s 的情況均可完整拍攝。

（3）2μs～10ms 的曝光時(shí)間，保證對(duì)高速運(yùn)動(dòng)物體的拍攝中不會(huì)產(chǎn)生拖影現(xiàn)象。

3、識(shí)別主機(jī)

通過智能處理模塊對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，光電模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)處理圖像的遠(yuǎn)傳，電源箱實(shí)現(xiàn)對(duì)識(shí)別主機(jī)的供電。

4、高性能運(yùn)算服務(wù)器

由算法耗時(shí)已精確至毫秒級(jí)計(jì)算，實(shí)際算法耗時(shí)已完成單幀 30?毫秒以內(nèi)的加速；多個(gè)高性能的運(yùn)算服務(wù)器組成的硬件平臺(tái)，可實(shí)時(shí)的對(duì)每個(gè)單元圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和響應(yīng)，保證在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)集控動(dòng)作停機(jī)或報(bào)警

5、系統(tǒng)核心技術(shù)支撐：AI 智能算法

針對(duì)產(chǎn)品中輪廓線的特點(diǎn)：在某一小區(qū)域波動(dòng)，總是橫穿視野，確定后一般不會(huì)有大范圍的縱向移動(dòng)。

線段提取算法為了實(shí)現(xiàn)耗時(shí)短的目標(biāo)，采用梯度查找和預(yù)設(shè)搜索邊界等方式，大大縮減了“輪廓線提取”算法的耗時(shí)。保證了算法實(shí)時(shí)性。

3.2?實(shí)現(xiàn)功能

基于圖像識(shí)別和?AI?算法系統(tǒng)功能

1、皮帶撕裂檢測

輸煤系統(tǒng)中皮帶撕裂是一種破壞性很大的故障，一旦發(fā)生會(huì)影響正常的煤料輸送，若不及時(shí)處理，會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

皮帶運(yùn)行過程中出現(xiàn)裂口或者重疊時(shí)為皮帶撕裂。在皮帶易發(fā)生撕裂的部位地方安裝攝像頭，通過網(wǎng)絡(luò)以及 RTSP 協(xié)議實(shí)時(shí)獲取所述攝像頭的視頻圖像。攝像機(jī)采集的皮帶圖像實(shí)時(shí)傳輸回系統(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行分析、識(shí)別，從而判斷皮帶是否撕裂，發(fā)現(xiàn)撕裂時(shí)，后臺(tái)會(huì)自動(dòng)告警。

幾種皮帶撕裂對(duì)應(yīng)狀態(tài)如下圖所示：

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2、皮帶跑偏檢測

皮帶機(jī)運(yùn)行過程中，皮帶跑偏是較為常見的故障，皮帶機(jī)安裝不當(dāng)、托輥粘料、皮帶松弛、煤料分布不均勻、設(shè)備異常振動(dòng)等情況均會(huì)造成皮帶跑偏，皮帶跑偏容易引起輸滾筒或托輥軸承損壞、皮帶撕裂、煤料灑落造成揚(yáng)塵等問題。

通過在皮帶機(jī)頭部和尾部的滾筒上標(biāo)記兩條跑偏識(shí)別線（如下圖所示），在皮帶上方使用固定監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控兩條跑偏識(shí)別線，同時(shí)后臺(tái)系統(tǒng)會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行識(shí)別判斷跑偏識(shí)別線是否被遮擋。當(dāng)任意一根跑偏識(shí)別線被遮擋時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判定皮帶跑偏，并發(fā)出告警。

3、皮帶灑煤檢測

系統(tǒng)通過采集監(jiān)控?cái)z像頭的視頻圖像，對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析，當(dāng)檢測皮帶兩側(cè)出現(xiàn)灑煤時(shí)，及時(shí)報(bào)警。

4、異物檢測

系統(tǒng)通過采集監(jiān)控?cái)z像頭的視頻圖像，對(duì)視頻圖像中出現(xiàn)的物體進(jìn)行分析，當(dāng)檢測物體為木頭棍子、鋼管、大石頭塊時(shí)，及時(shí)報(bào)警。

5、煙火檢測

煙火檢測通過對(duì)視頻圖像信息進(jìn)行分析判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的異常煙霧和火災(zāi)苗頭，以最快、最佳的方式進(jìn)行告警和提供有用信息；同時(shí)還可查看現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖像，根據(jù)直觀的畫面直接指揮調(diào)度救火。

6、區(qū)域入侵檢測

在視頻監(jiān)控范圍內(nèi)設(shè)定非安全區(qū)域并對(duì)其進(jìn)行檢測，當(dāng)有人入侵時(shí)，及時(shí)產(chǎn)生報(bào)警。

7、人員不安全行為檢測

對(duì)視頻圖像中人員的一些不安全行為進(jìn)行檢測，包括不戴安全帽、不戴防塵口罩等。

8、人臉識(shí)別（人員到崗）?檢測

在既定的時(shí)間段內(nèi)，對(duì)視頻圖像中出現(xiàn)的人臉進(jìn)行檢測及識(shí)別，自動(dòng)記錄工作人員到崗情況。

3.3?報(bào)警

1、當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)聲光報(bào)警設(shè)定，發(fā)出聲和光報(bào)警信號(hào)，完成報(bào)警目的，直到人工確認(rèn)消除報(bào)警。

2、可通過圖表的方式展示今日告警信息，展示內(nèi)容包括告警類型，緊急程度，告警時(shí)間，告警區(qū)域，處理情況?？筛鶕?jù)告警級(jí)別，告警類型和告警源進(jìn)行篩選。

3、對(duì)今日告警信息可根據(jù)待處理、已處理、誤報(bào)進(jìn)行區(qū)分。對(duì)告警信息進(jìn)行處理，區(qū)分告警信息為誤報(bào)信息或正確告警信息。通過圖表的方式展示歷史告警信息，展示內(nèi)容包括告警類型，緊急程度，告警時(shí)間，告警區(qū)域，處理情況。

4、可根據(jù)告警級(jí)別，告警類型和告警源進(jìn)行篩選。

3.4?移動(dòng)?APP

能夠使用 APP?推送告警消息，可以實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)告警信息，進(jìn)行告警處置與統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能。

4?經(jīng)濟(jì)效益分析

系統(tǒng)可自動(dòng)的識(shí)別判斷皮帶撕裂，通過攝像頭對(duì)輸煤皮帶進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，替代傳統(tǒng)的人工巡檢；同時(shí)可通過檢測驅(qū)動(dòng)皮帶運(yùn)行電機(jī)的電壓和電流的變化情況，來進(jìn)一步判斷皮帶是否發(fā)生撕裂以及撕裂的嚴(yán)重程度。通過本系統(tǒng)的應(yīng)用，可為電廠減少輸煤皮帶、滾筒等易損件更換頻次，在減少成本的同時(shí)提高了安全性。

5??結(jié)論

基于圖像識(shí)別和 AI 算法的皮帶智能檢測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，能夠解決電廠當(dāng)前智能化巡檢程度低、巡檢難度大、故障發(fā)現(xiàn)不及時(shí)等亟待解決的問題。通過信息化手段，完成人力無法完成的高難度巡檢、高強(qiáng)度巡檢、智能化監(jiān)測、自動(dòng)化報(bào)警等工作。并且通過信息化手段，完成復(fù)雜的輸煤皮帶巡檢工作，并在節(jié)約人力資源的情況下提高工作效率，保證了工作質(zhì)量與人員人生安全，降低輸煤皮帶更換頻次減少輸煤系統(tǒng)易損件費(fèi)用，符合火電廠提質(zhì)、增效發(fā)展方向要求。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陳曉鵬.圖像識(shí)別技術(shù)在皮帶輸送機(jī)輸煤量和跑偏檢測中的應(yīng)用.機(jī)械管理開發(fā).2021.12

審核編輯：黃飛

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