基于三維點云的帶式輸送機跑偏及堆煤監測技術研究

李升林

甘肅靖遠煤電股份有限公司，甘肅白銀，730913

0 引言

帶式輸送機是煤礦生產現場作業廣泛應用的基礎設備，輸送機的穩定運作是保證煤礦生產安全與效率的關鍵。但受煤礦生產現場作業環境復雜的影響，帶式輸送機在使用過程中容易出現輸送帶跑偏和堆煤故障，影響安全生產效率。因此，為有效提高煤礦帶式輸送機運行的可靠性、安全性以及靈敏性，充分防范帶式輸送機出現輸送帶跑偏和堆煤故障，本文主要開展基于三維點云的帶式輸送機跑偏及堆煤監測技術應用研究。

1 帶式輸送機應用現狀分析

隨著我國社會經濟的持續穩步發展，我國對煤礦資源的需求程度也在逐漸提高，對于現階段的帶式輸送機應用場景而言，主要是在煤礦的生產過程中。為進一步加強我國煤礦行業的產能，帶式輸送機也逐漸朝向高速度、長距離以及大運量的方向發展。在帶式輸送機發展背景下，增加了帶式輸送機在實際運行過程中出現跑偏、堆煤等相關故障的概率，而所造成的影響也在逐漸提高[1]。因此，為有效降低帶式輸送機在運行期間出現跑偏及堆煤等相關故障的概率，則需要結合實際情況，以行之有效的措施對此類故障進行全方位、多角度的監測，以此為帶式輸送機的安全、穩定運行提供可靠保障，減少設備及配件在運行期間的損耗，提高設備的實際使用壽命。通常情況下，會在帶式輸送機中安裝接觸式傳感器，以此監測其在實際運行期間所出現的跑偏及堆煤故障，例如通過水銀開關、行程開關等相關觸碰式傳感器實現對帶式輸送機堆煤故障的監測，而對帶式輸送機的跑偏故障則選擇使用立輥式跑偏檢測裝置進行監測[2]。然而，隨著煤礦行業的持續發展，目前煤礦作業環境日漸復雜，上述相關的接觸式檢測方式已經無法有效適用于當前的煤礦作業環境中，無論是在可靠性、靈敏性還是耐用性等方面，均無法切實滿足當前煤礦的安全生產標準與相關要求[3]。

2 三維點云技術對帶式輸送機跑偏及堆煤監測的重要性分析

隨著我國科技的不斷進步，在圖像處理、圖像分析等相關先進技術的加持下，帶式輸送機跑偏及堆煤故障監測技術也逐漸朝向圖像處理方向發展。在帶式輸送機的傳送帶跑偏故障檢測方面，較為經典的監測技術有霍夫線變換、Canny算子提取帶式輸送機輸送帶邊沿，通過圖像識別技術對帶式輸送機輸送帶邊沿變化情況進行動態化識別，將實時情況與正常情況進行對比分析，從而達到監測帶式輸送機是否出現跑偏故障的效果，另外，也可以通過識別托輥和輸送帶邊沿的相對位置關系，實現對帶式輸送機跑偏故障的監測效果[4]。而對于帶式輸送機在堆煤方面的故障監測而言，較為經典的方式是利用圖像識別技術，對圖像整體區域中所存在的物料體積進行分析，根據圖像區域中物料體積占整體區域的比例判斷帶式輸送機是否出現堆煤故障，另外，也可以利用條形光源將物料表面照亮，而后通過視頻終端設備采集照亮后的物料輪廓，以此作為計算煤礦流量體積的依據，并判斷是否出現負載現象。

在圖像處理過程中，其微觀對象主要是指圖像中像素值，而帶式輸送機在實際運行前會根據其自身型號、特點以及功能等，應用于不同的煤礦作業場景中，這會導致帶式輸送機中的圖像采集終端設備在面對不同光線條件的圖像采集環境時出現識別失誤問題。除此之外，帶式輸送機中的輸送帶上若存在污漬，則會干擾圖像采集終端設備對顏色信號的接收質量，從而影響圖像處理效果，最終也會產生識別失誤問題。

三維點云的應用原理是基于三維空間角度，實現對物體周邊及自身空間點的采樣效果，而后通過專業算法對所采集的具有離散性分布特點的空間點進行分析與排列組合，最終實現提取物體形態特征并得到所采集物體表面上的數據信息。與圖像處理技術中所產生的數據信息相比，三維點云數據信息能夠有效將被采集物體的位置信息、形狀等相關條件進行精準、清晰的反饋，能夠有效避免因采集環境中存在顏色信息污染而導致的識別錯誤問題。因此，可以結合實際情況，基于三維點云形成有效針對帶式輸送機中跑偏及堆煤故障的監測技術，以此切實降低相關工作人員在實際工作中的勞動強度，并切實提高帶式輸送機在運行期間的穩定性、安全性以及可靠性。

3 帶式輸送機跑偏及堆煤監測系統分析

為有效凸顯三維點云在帶式輸送機跑偏及堆煤故障監測中的優勢與作用，則需要結合實際情況，利用多元化終端設備豐富帶式輸送機在實際運行期間的終端監測渠道，如速度傳感器、線激光雙目相機、變頻器、PLC、計算機一級觸摸屏等相關設備[5]。三維點云應用的基礎條件是需要科學合理地應用終端設備，在帶式輸送機的空間中搭建空間直角坐標系，即利用線激光雙目相機的連接線中心點作為直角坐標系的原點o，而空間直角坐標系的x、y、z則分別取帶式輸送機的輸送帶運行方向、帶式輸送機的輸送帶寬度方向、帶式輸送機的輸送帶高度方向，以此形成oxyz的空間直角坐標系。帶式輸送機在實際運行過程中，下方傳輸帶表面會受到線激光雙目相機中激光發射器照射，照射形式為一字線激光，而后基于帶式輸送機的輸送帶寬度方向形成一條激光線。通過線激光雙目相機的雙目視差原理實現深度測量效果，以此確保在帶式輸送機實際運行過程中，以時間為變量高頻、持續、實時狀態獲取內容，獲取內容為激光投射線上約1500個點的帶式輸送機的傳輸帶高度數值與寬度數值[6]。為有效測量帶式輸送機的輸送帶實際運行期間的速度數值，并確保所采集的數值具有一定的參考性、真實性以及完整性，則可以將光電式速度傳感器安裝至帶式輸送機的輸送帶回程段中。

通過上述方式能夠有效獲取以時間和速度為變量的各點x軸坐標值，且隨著帶式輸送機的實時運行，線激光雙目相機與帶式輸送機的輸送帶運行方向會形成相對關系，以此實現基于線激光雙目相機對輸送帶的線掃描效果，將掃描后的結果上傳至計算機終端，并動態化生成點云數據[7]。計算機中軟件通過專業算法對點云數據進行分析與處理，從而實現對帶式輸送機跑偏及堆煤故障的實時監測效果，利用三維點云對帶式輸送機跑偏及堆煤進行監測，可以有效屏蔽實際監測過程中所產生的顏色信息，實現僅對帶式輸送機的輸送帶形狀信息進行采集、保留以及分析的效果。與圖像處理方式相比，三維點云在實際應用過程中具有更強的抗干擾性能，能夠在一定程度上無視因煤礦作業環境中光線變化而造成的數據信息采集干擾現象，可以有效用于作業環境較為惡劣的煤礦場景中。

4 基于三維點云的帶式輸送機跑偏監測原理

4.1 點云數據片段采樣

對于線激光雙目相機而言，它在實際運行與數據信息采集過程中具有密集性、高頻率特點，因此所生成的點云數據信息體量會很大，若計算機設備性能不足則會對帶式輸送機跑偏監測工作的實時性、穩定性等造成影響，因此需要相關人員結合實際情況，在充分考慮經濟性、性能、實用性等相關因素的前提下，科學合理地選擇計算機設備。除此之外，為進一步降低計算機設備在處理點云數據期間的壓力，則可以在合理范圍內利用間隔掃描方式對點云數據進行采樣。首先需要對帶式輸送機的輸送帶具體情況進行分析，確保提取帶式輸送機的輸送帶運行方向中的有效、有限長度內的點云數據片段，并進行實時分析，這樣通過降低被提取物體體積而減少點云數據，從而緩解計算機設備運行壓力，以此切實保障點云數據采集與分析期間的實時性與可靠性。為確保點云數據片段采樣的有效性，則需要結合實際情況以下述公式明確每次連續采樣幀數數值，假定系統采樣長度l=0.15m、帶式輸送機的輸送帶以恒定速度運行且運行速度為v、線激光雙目相機幀率為f、連續采樣幀數數值為C，則。

4.2 多余點云信息濾除

在點云數據信息實際獲取過程中，點云信息會根據線激光雙目相機安裝位置的變化而變化。若所安裝線激光雙目相機的位置會導致其投射的激光線無法有效抵達托輥軸線的正上方位置時，由于該處輸送帶正下方沒有托輥支撐，會在一定程度上放大煤流質量等相關因素的影響，從而導致掃描、采集后的點云圖像數據信息存在較為明顯的形變現象，進而對帶式輸送機跑偏及堆煤故障監測效果造成干擾，為有效避免此類干擾的出現，則需要結合實際情況，通過在有效排除其他干擾因素的前提下，確保線激光雙目相機的安裝位置能夠使所發射的激光有效投射于托輥軸線的正上方位置[8]。

5 煤礦輸送機中輸送帶堆煤監測技術原理

通常來說，煤礦輸送機在實際運行作業過程中，若后一級帶式輸送機的運行速度低于前一級帶式輸送機運行速度，便會產生堆煤故障問題，使得后一級帶式輸送機中某一橫截面的煤流量越來越大，最終煤流會逐漸溢出輸送帶，并引發相關安全問題，影響煤礦生產作業效率與質量。實際上，煤礦輸送機正常運行作業時，煤流高度與寬度會始終保持在合理范圍內，但堆煤故障問題出現后煤流的高度與寬度會增加，因此，針對此故障問題引起的煤流變化，可以通過煤流等效高度概念進一步綜合評價堆煤狀態，將收集到的點云數據片段進行進一步分析處理，在輸送帶寬度方向，即Y軸上每幀1500個點中等間距選取200個點，把這些數據點在輸送帶高度方向（Z軸）上進行標記，如Zq（q=1,2,3...200），通過計算這些數據點在Z軸坐標平均值，能夠得出等效高度[9]。在此基礎上，對其空載狀態下的數據信息做相同處理，能夠獲得空載時的等效高度，通過進一步計算能夠獲取煤流等效高度。通過數據對比能夠進一步判斷其是否發生堆煤故障[10]。

6 結語

綜上所述，煤礦安全生產是保證煤礦行業高質量發展的基本條件，帶式輸送機是煤礦生產現場作業常用的機械設備，該設備在長期運行作業過程中容易出現輸送帶跑偏和堆煤故障問題，影響煤礦安全生產效率與質量。而且，傳統的輸送帶跑偏和堆煤監測技術存在一定的誤差，容易受到圖像色彩信息的影響導致監測數據結果失準。因此，為有效保證帶式輸送機運行作業的可靠性、安全性以及靈活性，降低輸送帶跑偏和堆煤故障發生概率，相關工作人員需不斷強化對煤礦帶式輸送機跑偏及堆煤監測技術研究?；谌S點云的帶式輸送機跑偏及堆煤監測技術應用能夠有效減少傳統圖像處理監測技術受圖像色彩信息的干擾，該監測技術更為適用于較為惡劣的煤礦生產現場作業環境，且能夠實現對輸送帶跑偏及堆煤情況的實時監測，進而提高煤礦安全生產效率與質量，促進其高質量發展。