一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统及方法

1.本发明涉及计算机技术，尤其涉及一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统及方法。


背景技术：

2.在矿山开采的过程中，物料运输是事关安全与生产效率的重要因素，随着开采技术更加先进，对于物料运输也提出了更高的要求。在开采过程中，运输传送带是一种主要的运输方式，传送带运输运行较为平稳，且效率较高，但在运输过程中若发生堵塞将极大的影响生产的效率，正常的生产开采工作被迫停止，传送带运行速度较快，堵塞会造成物料大量堆积，清理过程将耗费大量人力资源并且会造成物料浪费。在整个传送带设备中，传送带是耐久性最差，最为昂贵的部分，发生堵塞会造成传送带的磨损甚至撕裂，使得会造成生产成本大幅提升。同时，快速运行的传送带出现问题将极大地威胁生产的安全，造成较大的隐患。传统的防堵方法更多的是传送带上安装防堵塞机械装置，这种方法虽然能缓解堵塞，但存在成本高、耗时长的缺点。因此，急需开发一种检测速度快，智能化的传送带防堵塞方法。并且在堵塞初期以及中期即可预测趋势，减少故障发生，保证正常的生产。


技术实现要素：

3.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统及方法，具有速度快、智能化程度高的优点。
4.一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统，包括：图像处理模块、可视化模块和矿石物料传送带装置；其中，图像处理模块和可视化模块依托计算机实现；所述图像处理模块包括：图像采集模块、图像分割模块、堵塞判断模块和数据通信模块；
5.所述图像采集模块为安装在矿石进料口位置的工业相机、手持相机或手机，将采集到的矿石传送视频图像传输到本地；所述图像分割模块将输入到本地的视频文件进行有效图像帧的提取，将提取到的图像进行预处理，然后对其进行分割；所述堵塞判断模块将分割完成的图像进行像素数值统计，分析物料的覆盖比例，结合静态检测以及动态检测判断传送带的运行过程是否正常，若发生堵塞则立即进行停机操作，预测即将发生堵塞也立即进行停机检查，从而避免更加严重的堵塞；所述数据通信模块实现图像处理与可视化之间的通信，并将检测的结果进行存储；
6.所述可视化模块对提取图像的分析结果以及传送带运行状况，实时进行监督分析，防止异常情况的发生，包括以下几种功能：
7.1.视频导入；将采集到的矿石传送带运行的视频进行接收，并且在接收完成显示导入成功；
8.2.阈值控制；对于传送带正常运行的阈值进行设置，显示物料的覆盖比例，从而对于不同的生产状况进行调整，根据不同的物料种类和运输量大小进行合适的调整；使得在运行中更好地观察矿石传送带运行状况，同时也为调整物料判断堵塞阈值的确定提供依
据；
9.3.开始暂停控制；控制检测系统的运行以及停止，通过对于物料的覆盖比例分析运行状态，从而进行检测系统开启以及暂停、控制传送带的开始以及暂停；
10.4.视频显示；对摄像机获取到的实时图像进行显示，查看传送带运行状况，一旦查看到运行出现问题，立马对于传送带进行暂停；
11.5.运行状况显示；通过对传送带物料覆盖比例进行动态及静态的分析，通过对比传送带运行的正常情况使得矿石传送带能够在发生堵塞以及在发生堵塞的趋势时及时对运行的系统进行停机检查的操作，防止出现严重堵料的发生；
12.一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，基于上述一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统实现，包括以下步骤：
13.步骤1：获取矿石物料传送现场视频，对其进行分割处理，生成包含矿石物料传送图片的数据集；然后对数据集进行标签标注，以此对物料面积占传送带面积的比例数值进行计算，根据计算结果对传送带运行状况进行分析判断确定传送带的运行状态；
14.所述步骤1具体为：
15.步骤1.1：首先获取矿石物料传送现场视频，所述获取方式包括：工业相机、手持相机以及手机；并对采集到的视频进行分割操作，从视频中每间隔10帧提取一张图片，对于帧率高的视频每间隔20帧提取一张图片，在提取完成后，剔除高度相似的图片，生成数据集；
16.步骤1.2：然后对数据集使用labelme软件进行标签的标注，将矿石轮廓以及传送带轮廓标出，将背景、矿石与矿石传送带分隔开，通过不同的像素对传送带和矿石进行标记；原始图像和标签图片要对应并且大小一致；
17.采用临近点插值的方式，对标签图像进行缩减，其中不引入新的像素点，标签图像的大小为(a，a)，缩减以后的变为(b，b)；
18.通过对标签图缩减以后，图像的整体的轮廓并未发生变化，但在将图像大小变为原图的b\a*b\a时，像素点数量降低；接着将标签图像转化为灰度图片，将灰度图的二维数组转换为一维数组完成像素点的统计；
19.步骤1.3：根据上述对标签图像的像素统计完成物料面积占传送带面积的比例数值的计算，即对物料覆盖比进行计算；
20.其中，物料覆盖比s计算如下：
[0021][0022]
式中，s
物料
指的是每张图片中物料的面积比例，s
传送带
指的是每张图片中传送带的面积比例；
[0023]
步骤1.4：根据步骤1.3计算结果对传送带运行状况进行分析判断，确定传送带的运行状态；所述运行状态包括正常、空载及少料、以及堵塞；
[0024]
结合传送带正常运行以及堵塞初期、堵塞过程中的特点提出了基于单张图像的静态检测堵塞方式和基于多张图像的动态检测堵塞方式来判断传送带的运行状态；
[0025]
所述基于单张图片的静态检测堵塞方式针对单张的传送带标签图像进行分析，通过物料覆盖比s的不同从而对于不同的运行状态进行堵塞判断；所述基于多张图片的动态检测堵塞方式针对多张的传送带标签图像进行分析，通过物料覆盖比s的不同从而对于不
64位的操作系统，显卡采用的是intel(r)core(tm)i5-7500cpu 3.40ghz的处理器、硬盘采用的是500gb的固态硬盘、采用的显卡是nvidia gtx 1050ti以及32gb ram；
[0042]
所述图像采集模块为安装在矿石进料口位置的工业相机、手持相机或手机；将采集到的矿石传送视频图像传输到本地，工业相机一般安装位置较为固定，通过对于固定高度的相机进行拍摄保证物料比例大小准确。进行检测的准备工作；所述图像分割模块将输入到本地的视频文件进行有效图像帧的提取，将提取到的图像进行预处理，将预处理完成的图像进行网络的输入，通过网络模型进行图像的分割；所述堵塞判断模块将分割完成的图像进行数值统计，分析物料的覆盖比例，结合静态检测以及动态检测判断传送带的运行过程是否正常，若发生堵塞则立即进行停机操作，即将发生堵塞也立即进行停机检查，从而避免更加严重的堵塞；所述数据通信模块实现图像处理与可视化之间的通信，并将检测的结果进行存储；
[0043]
所述可视化模块对提取图像的分析结果以及传送带运行状况，实时进行监督分析，防止异常情况的发生，包括以下几种功能：
[0044]
1.视频导入；将采集到的矿石传送带运行的视频进行接收，并且在接收完成显示导入成功；
[0045]
2.阈值控制；对于传送带正常运行的阈值进行设置，显示物料的覆盖比例，从而对于不同的生产状况进行调整，根据不同的物料种类和运输量大小进行合适的调整；使得在运行中更好的观察矿石传送带运行状况，同时也为调整物料判断堵塞阈值的确定提供依据；
[0046]
3.开始暂停控制；负责检测系统的运行以及停止，通过对于物料的覆盖比例分析运行状态，从而进行检测系统开启以及暂停、控制传送带的开始以及暂停；
[0047]
4.视频显示；对摄像机获取到的实时图像进行显示，查看传送带运行状况，一旦查看到运行出现问题，立马对于传送带进行暂停；
[0048]
5.运行状况显示；通过对传送带实际运行中的物料覆盖比例进行动态及静态的防堵塞检测，通过对比传送带运行的正常情况使得矿石传送带能够在发生堵塞以及在发生堵塞的趋势时及时对运行中的传送带进行停机和检查操作，防止后续出现严重堵料的发生；
[0049]
一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，基于上述一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统实现，如附图1所示，包括以下步骤：
[0050]
步骤1：获取矿石物料传送现场视频，采用u-net和fast-scnn算法对其进行分割处理，生成包含矿石物料传送图片的数据集；然后对数据集进行标签标注，以此对物料面积占传送带面积的比例数值进行计算，根据计算结果对传送带运行状况进行堵塞分析并判断确定传送带的运行状态；
[0051]
所述步骤1具体为：
[0052]
步骤1.1：首先获取矿石物料传送现场视频，所述获取方式包括：工业相机、手持相机以及手机；并对采集到的视频进行分割操作，从视频中每间隔10帧提取一张图片，对于帧率高的视频每间隔20帧提取一张图片，在提取完成后，人工目视手动操作剔除高度相似的图片；生成数据集；
[0053]
步骤1.2：然后对数据集使用labelme软件进行标签的标注，labelme软件是主要用来进行分割数据集、检测数据集以及分类数据集制作的工具，在使用过程中，采用手工标注
的方式。将矿石轮廓以及传送带轮廓标出，将背景、矿石与矿石传送带分隔开，通过不同的像素对传送带和矿石进行标记；原始图像和标签图片要对应并且大小一致；
[0054]
采用临近点插值的方式，对标签图像进行缩减，其中不引入新的像素点，标签图像的大小为(224，224)，缩减以后的变为(56，56)；
[0055]
通过对标签图缩减以后，图像整体的轮廓并未发生变化，但在将图像大小变为原图的1/16时，像素点数量大幅降低；接着将标签图像转化为灰度图片，将灰度图的二维数组转换为一维数组完成像素点的统计；
[0056]
步骤1.3：根据上述对标签图像的像素进行统计完成物料面积占传送带面积的比例数值的计算，即对物料覆盖比进行计算；
[0057]
其中，物料覆盖比s计算如下：
[0058][0059]
式中，s
物料
指的是每张图片中物料的面积比例，s
传送带
指的是每张图片中传送带的面积比例；
[0060]
步骤1.4：根据步骤1.3计算结果对传送带运行状况进行堵塞分析判断，确定传送带的运行状态；所述运行状态包括正常、空载及少料、以及堵塞；
[0061]
结合传送带正常运行以及堵塞初期、堵塞过程中的特点提出了基于单张图像的静态检测堵塞方式和基于多张图像的动态检测堵塞方式来判断传送带所处的实际运行状态；
[0062]
所述基于单张图片的静态检测堵塞方式针对单张的传送带标签图像进行堵塞分析，通过物料覆盖比s的不同从而对传送带不同的运行状态进行堵塞判断；所述基于多张图片的动态检测堵塞方式是针对多张的传送带标签图像进行堵塞分析，通过物料覆盖比s的不同从而对传送带不同的运行状态进行堵塞判断；
[0063]
判断依据为：正常运行状态的物料覆盖比例为50％-70％，空载及少料状态的物料覆盖比例为0％-50％，堵塞状态的物料覆盖比例为70％-90％，完全堵塞状态的物料覆盖比例为90％-100％；
[0064]
根据数据统计以及检测结果，传送带正常运行的过程中，物料在传送带上的覆盖比例在一个相对稳定的区域内变化，一旦发生堵塞或即将发生堵塞，矿石在传送带上的覆盖面积将会在短时间内发生较大的变化。因此本发明采用了统计面积覆盖比例的方式，通过对比正常运行的传送带和堵塞的传送带运行状态，对运行中的状况进行区分。对物料的比例进行统计判断，从而对传送带运行状态进行判断，通过对于标签图的像素点进行统计，从选取到的600张图片进行物料比例的统计。由统计图可以看出，在正常的运行状态之下，矿石的覆盖比例在相对于稳定的范围内变化，由于采用到的图像顺序并不连续，所以矿石面积比例变化呈现得不够连续，但通过总体的图像统计来看，主要保持在50％-70％之间，少数统计的数据点在此范围外部，但是总体较为稳定。物料的比例在55％-70％之间一共包括501张，占总体的84.63％，物料的比例的均值为60.54％，统计结果也为后续的静态检测和动态检测堵塞判断方法提供了可行性。
[0065]
步骤2：通过传送带运行状态，结合物料覆盖比例的不同区间对传送带的运行速度进行控制；矿石传送带数据集图像物料覆盖比例统计图如附图2所示；
[0066]
模糊控制方式结合物料覆盖比例控制传送带运输速度的原理图如附图3所示；
[0067]
所述步骤2通过分析由现场采集到堵塞过程的连续帧图像的物料覆盖比例，对于传送带的运行状态进行堵塞分析；根据分析结果调整传送带电机的转速，采用模糊控制的方式，根据速度差值控制电机转速的变化，从而控制传送带的运行速度。具体为：
[0068]
采用模糊控制的方式结合物料覆盖比例来控制传送带运输的速度，根据矿石物料的不断变化，将物料覆盖比例和传送带的运行速度进行关联，从而得到物料比例对应的传送带预测速度v；
[0069]
通过传送带上驱动电机的速度传感器获取传送带运行的真实速度v1，真实的速度值v1与预测速度v的差值为δv，将差值δv通过模糊控制的模糊化以及解模糊化来调整改变传送带电机的转速频率变化δf，从而控制传送带的实际运输速度。
[0070]
具体地，模糊控制是智能控制的一种，是一种非线性的控制方式，在模糊集合论以及模糊逻辑推理的基础上发展而来，是模糊集和论应用的重要的发展方向。模糊控制取得广泛的应用主要的原因在于其控制一方面可以实现知识甚至是语义的分类等控制规律；另一方面，模糊控制为非线性的控制提供了更加有效的控制方法。结构上主要包括知识库、模糊推理、输入量模糊化和输出量精确化四个部分。
[0071]
采用模糊控制的方式结合物料覆盖比例进行控制传送带运行的速度，由上统计结果可知，物料的比例在较为稳定的范围内不断发生变化。根据物料的不断变化将物料的比例和传送带的运行速度相关联起来，从而得到物料的比例对应的传送带预测速度v，如下表1所示。
[0072]
表1物料的比例对应速度值；
[0073][0074]
所述控制传送带运行的速度，通过传送带上驱动电机的速度传感器获取传送带驱动电机的转速，用真实的速度值v1与预测速度v的差值δv来控制传送带的电机转速频率的变化δf，从而用来控制传送带的运行速度。通过检测物料的比例的变化来分配传送带运行的不同速度，将控制信号输入电机控制系统。
[0075]
具体地，正常传送带运行速度为2.5m/s，则实际速度v1与预测速度v的差值δv＝v-v1，δv的大小分成五类：负大(nb)、负小(ns)、零(z)、正小(ps)、正大(pb)，根据偏差的变化范围分为五个等级：-2.5，-2，0，+2，+2.5。得到速度变化(δv)模糊表：
[0076]
表2速度变化(δv)模糊表；
[0077][0078]
控制量转速频率的变化百分比δf用来控制电机的转速，同样分为5个变化等级用来控制传送带速度的变化。下表3为δf的模糊表：
[0079]
表3电机频率变化(δf)模糊表；
[0080][0081]
根据生产运行的状态，总结出了以下的模糊控制规则：
[0082]“若δv负大，则δf负大”；
[0083]“若δv负小，则δf负小”；
[0084]“若δv为0，则δf为0；
[0085]“若δv正小，则δf正小”；
[0086]“若δv正大，则δf正大”。可用以下模糊控制语句表示：
[0087]
ifδv＝nb thenδf＝nb；
[0088]
ifδv＝ns thenδf＝ns；
[0089]
ifδv＝0thenδf＝0；
[0090]
ifδv＝ps thenδf＝ps；
[0091]
ifδv＝pb thenδf＝pb。
[0092]
通过预测速度值与实际速度传感器采集到的速度值进行速度做差从而得到真实值与预测值的差距。经过模糊控制电机的频率变化，然后对传送带的运行速度进行控制，从而达到防堵塞的效果。
[0093]
由于摄像头一般安装在物料口，一旦发生堵塞，物料比例将会持续增长直到将矿石传送带全部覆盖，本发明根据这一特征，将其作为检测堵塞以及预防堵塞的判断方式。
[0094]
图片提取的视频帧数为每秒120帧，提取图片的间隔为每5张提取一张图片进行检测，相当于每0.04秒检测一次，正常运行至堵塞状态的矿石物料覆盖比例变化图如附图4所
示；可以看出，矿石传送带约在1650张图片开始具有堵塞的趋势，之后矿石物料覆盖比例不断上升，最终达到完全堵塞的状态，物料覆盖比例变为全部覆盖。

技术特征：
1.一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统，其特征在于，包括：图像处理模块、可视化模块和矿石物料传送带装置；其中图像处理模块和可视化模块依托计算机实现；所述图像处理模块包括：图像采集模块、图像分割模块、堵塞判断模块和数据通信模块。2.根据权利要求1所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统，其特征在于，所述图像采集模块为安装在矿石进料口位置的工业相机、手持相机或手机，将采集到的矿石传送视频图像传输到本地；所述图像分割模块将输入到本地的视频文件进行有效图像帧的提取，将提取到的图像进行预处理，然后对其进行分割；所述堵塞判断模块将分割完成的图像进行像素数值统计，分析物料的覆盖比例，结合静态检测以及动态检测判断传送带的运行过程是否正常，若发生堵塞则立即进行停机操作，预测即将发生堵塞也立即进行停机检查，从而避免更加严重的堵塞；所述数据通信模块实现图像处理与可视化之间的通信，并将检测的结果进行存储。3.根据权利要求1所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统，其特征在于，所述可视化模块对提取图像的分析结果以及传送带运行状况，实时进行监督分析，防止异常情况的发生，包括以下几种功能：1.视频导入；将采集到的矿石传送带运行的视频进行接收，并且在接收完成显示导入成功；2.阈值控制；对于传送带正常运行的阈值进行设置，显示物料的覆盖比例，从而对于不同的生产状况进行调整，根据不同的物料种类和运输量大小进行合适的调整；使得在运行中更好地观察矿石传送带运行状况，同时也为调整物料判断堵塞阈值的确定提供依据；3.开始暂停控制；控制检测系统的运行以及停止，通过对于物料的覆盖比例分析运行状态，从而进行检测系统开启以及暂停、控制传送带的开始以及暂停；4.视频显示；对摄像机获取到的实时图像进行显示，查看传送带运行状况，一旦查看到运行出现问题，立马对于传送带进行暂停；5.运行状况显示；通过对传送带物料覆盖比例进行动态及静态的分析，通过对比传送带运行的正常情况使得矿石传送带能够在发生堵塞以及在发生堵塞的趋势时及时对运行的系统进行停机检查的操作，防止出现严重堵料的发生。4.一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，根据权利要求1所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统实现，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取矿石物料传送现场视频，对其进行分割处理，生成包含矿石物料传送图片的数据集；然后对数据集进行标签标注，以此对物料面积占传送带面积的比例数值进行计算，根据计算结果对传送带运行状况进行分析判断确定传送带的运行状态；步骤2：通过传送带运行状态，结合物料覆盖比例的不同区间，引入模糊控制传送带电机频率对传送带的运行速度进行调节。5.根据权利要求4所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，其特征在于，所述步骤1具体为：步骤1.1：首先获取矿石物料传送现场视频，所述获取方式包括：工业相机、手持相机以及手机；并对采集到的视频进行分割操作，从视频中每间隔10帧提取一张图片，对于帧率高的视频每间隔20帧提取一张图片，在提取完成后，剔除高度相似的图片，生成数据集；
步骤1.2：然后对数据集使用labelme软件进行标签的标注，将矿石轮廓以及传送带轮廓标出，将背景、矿石与矿石传送带分隔开，通过不同的像素对传送带和矿石进行标记；原始图像和标签图片要对应并且大小一致；采用临近点插值的方式，对标签图像进行缩减，其中不引入新的像素点，标签图像的大小为(a，a)，缩减以后的变为(b，b)；通过对标签图缩减以后，图像的整体的轮廓并未发生变化，但在将图像大小变为原图的b\a*b\a时，像素点数量降低；接着将标签图像转化为灰度图片，将灰度图的二维数组转换为一维数组完成像素点的统计；步骤1.3：根据上述对标签图像的像素统计完成物料面积占传送带面积的比例数值的计算，即对物料覆盖比进行计算；其中，物料覆盖比s计算如下：式中，s
物料
指的是每张图片中物料的面积比例，s
传送带
指的是每张图片中传送带的面积比例；步骤1.4：根据步骤1.3计算结果对传送带运行状况进行分析判断，确定传送带的运行状态；所述运行状态包括正常、空载及少料、以及堵塞；结合传送带正常运行以及堵塞初期、堵塞过程中的特点提出了基于单张图像的静态检测堵塞方式和基于多张图像的动态检测堵塞方式来判断传送带的运行状态。6.根据权利要求5所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，其特征在于，所述基于单张图片的静态检测堵塞方式针对单张的传送带标签图像进行分析，通过物料覆盖比s的不同从而对于不同的运行状态进行堵塞判断；所述基于多张图片的动态检测堵塞方式针对多张的传送带标签图像进行分析，通过物料覆盖比s的不同从而对于不同的运行状态进行堵塞判断；判断依据为：正常运行状态的物料覆盖比例为50％-70％，空载及少料状态的物料覆盖比例为0％-50％，堵塞状态的物料覆盖比例为70％-90％，完全堵塞状态的物料覆盖比例为90％-100％。7.根据权利要求4所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，其特征在于，所述步骤2通过分析由现场采集到的连续帧图像的物料覆盖比例，对于传送带的运行状态进行分析；根据分析结果判断传送带电机的运行速度，采用模糊控制的方式，根据速度差值控制电机转速的变化，从而控制传送带的运输速度；具体为：采用模糊控制的方式结合步骤1的物料覆盖比例来控制传送带运输的速度，根据矿石物料的不断变化，将物料覆盖比例和传送带的运行速度进行关联，从而得到物料比例对应的传送带预测速度v；通过传送带上驱动电机的速度传感器获取传送带运行的真实速度v1，真实的速度值v1与预测速度v的差值为δv，将差值δv通过模糊控制的模糊化以及解模糊化来调整改变传送带电机的转速频率变化δf，从而控制传送带的实际运输速度。8.根据权利要求7所述的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞方法，其特征在于，所述物料比例对应的传送带预测速度v对应关系具体为：物料覆盖比例0％-50％，对应速度为
am/s；物料覆盖比例50％-70％，对应速度为am/s；物料覆盖比例70％-90％，对应速度为0.25am/s；物料覆盖比例90％-100％，对应速度为0m/s。

技术总结
本发明设计一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统及方法，首先对采集的物料传送现场图像进行面积统计，通过对图像标签标注然后进行减缩，从而缩小图像尺寸，减少运算时间；根据传送带运行中的物料覆盖比例对运行状况进行分析，通过动态以及静态两种方式进行堵塞判断；结合物料覆盖比例的不同区间对传送带的运行速度进行控制，及时在疑似堵料的时候对电机的速度进行调整；设计系统显示界面，对原始视频以及分割图像进行显示，同时对传送带的运行状况以及矿石面积覆盖比例进行显示，及时对现场情况进行监测；本发明设计的一种基于物料比例的矿石传送带防堵塞系统及方法相比传统方法速度快、智能化程度高。智能化程度高。


技术研发人员：肖冬 张汉权 毛昕琦 付艳华 曹旺
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/6