引言

軌道運(yùn)輸系統(tǒng)是礦井運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ咧?，在礦井運(yùn)輸中扮演著重要的角色。如何安全、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井軌道運(yùn)輸系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，對(duì)于保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。目前的礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)大多采用軌道電路和壓力傳感器等。因此，現(xiàn)有礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有以下不足之處：

（1） 使用接觸式傳感器，存在機(jī)械磨損和磨擦產(chǎn)生電火花的可能性，影響安全生產(chǎn)；

（2） 監(jiān)測(cè)不具可視化，監(jiān)控者只能看到一些數(shù)字化的指標(biāo)，監(jiān)測(cè)效果差；

（3） 傳感器設(shè)置在軌道下面，井下巷道積水、環(huán)境惡劣，嚴(yán)重影響傳感器性能；

（4） 系統(tǒng)成本高、維護(hù)量大、可靠性差。

為了有效地解決以上幾個(gè)方面問(wèn)題，本文提出采用非接觸式的視頻圖象處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)????。由于紅外波段具有空間分辨率高、穿透性好和散射光小等優(yōu)點(diǎn)，因此，礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用了紅外CCD。

1、紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用基于ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)環(huán)路）雙絞線寬帶傳輸技術(shù)的紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。來(lái)自紅外CCD攝像機(jī)的視頻信號(hào)，經(jīng)模式識(shí)別、最優(yōu)閾值等視頻圖象算法處理后，分別提取視頻圖象中有關(guān)列車(chē)圖象、有效載荷（是指列車(chē)所運(yùn)輸?shù)呢浳铮纾旱V石、煤炭等）圖象的各種特征量，將監(jiān)測(cè)得到的計(jì)算結(jié)果通過(guò)ADSL MODEM傳輸給監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，監(jiān)控中心的PC機(jī)會(huì)將有關(guān)列車(chē)運(yùn)輸狀態(tài)的分析結(jié)果顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)非接觸的、可視化的遠(yuǎn)程監(jiān)控與測(cè)量。為最大限度地減少傳送的數(shù)據(jù)量，在滿足實(shí)際監(jiān)測(cè)需要的前提下，本系統(tǒng)采用256級(jí)灰度圖象，圖象尺寸為320×240象素。

圖1 紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有列車(chē)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算、列車(chē)移動(dòng)方向識(shí)別、列車(chē)節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)、列車(chē)有效載荷計(jì)算、列車(chē)運(yùn)行異常情況報(bào)警處理（包括列車(chē)停運(yùn)告警、列車(chē)超速告警）、系統(tǒng)初始化與常用參數(shù)的設(shè)置保存六個(gè)主要功能［3］。

2、 礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)

2.1 列車(chē)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算

用圖象處理的方法來(lái)測(cè)量、計(jì)算列車(chē)的運(yùn)動(dòng)速度是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。為此，本系統(tǒng)根據(jù)視頻圖象采集系統(tǒng)采集到的連續(xù)圖象［4］，按照模式識(shí)別的原理對(duì)列車(chē)的基本特征進(jìn)行了分析。首先確定列車(chē)是否已經(jīng)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如果列車(chē)已經(jīng)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則比較相鄰運(yùn)動(dòng)幀圖象中列車(chē)狀態(tài)與位置的變化量，然后根據(jù)這個(gè)位置變化量、產(chǎn)生變化量所需的時(shí)間、紅外CCD視場(chǎng)（角度）、CCD采樣策略以及采樣策略對(duì)應(yīng)的采樣區(qū)域大小和紅外CCD鏡頭距列車(chē)的垂直距離這六個(gè)量的相互關(guān)系計(jì)算出列車(chē)的運(yùn)行速度。具體算法與相應(yīng)計(jì)算步驟如下。

2.1.1 檢測(cè)列車(chē)的時(shí)間戳及其位置

首先根據(jù)列車(chē)圖象的俯視特征和模式識(shí)別的基本原理，檢測(cè)出列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面的時(shí)間戳和它在圖象中的具體位置。

井下運(yùn)動(dòng)物體種類(lèi)少，為井下移動(dòng)物體的快速識(shí)別提供了便利。另外，井下列車(chē)圖象的俯視特征為較規(guī)則的矩形，所以，快速識(shí)別是完全可以實(shí)現(xiàn)的。

在人工智能領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)主要關(guān)注圖象處理算法，圖象處理方法很多，效果千差萬(wàn)別。本文選擇了統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法作為算法的理論依據(jù)，這不僅僅因?yàn)樗菓?yīng)用最廣的方法，更重要的是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及要識(shí)別的物體特征非常適合使用統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別進(jìn)行處理。

2.1.2 列車(chē)運(yùn)行速度檢測(cè)

關(guān)于列車(chē)運(yùn)行速度檢測(cè)問(wèn)題，本文采用檢測(cè)相鄰運(yùn)動(dòng)幀，并計(jì)算相鄰運(yùn)動(dòng)幀間的位置變化與時(shí)間的關(guān)系來(lái)得到列車(chē)運(yùn)動(dòng)的速度。

（1）依據(jù)差分幀運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法，可以得到列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的首幀運(yùn)動(dòng)圖象；（2）利用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理，檢測(cè)出列車(chē)進(jìn)入畫(huà)面的第二運(yùn)動(dòng)幀，將第二運(yùn)動(dòng)幀在圖象中的位置和進(jìn)入畫(huà)面的時(shí)間戳等參數(shù)通過(guò)ADSL發(fā)送到井上的監(jiān)控PC機(jī)上；（3）井上監(jiān)控PC機(jī)根據(jù)（1）和（2）兩項(xiàng)的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出被監(jiān)控列車(chē)進(jìn)入監(jiān)控畫(huà)面的前兩個(gè)相鄰運(yùn)動(dòng)幀的差幀P；（4）根據(jù)得到的差幀P，計(jì)算出列車(chē)在第二運(yùn)動(dòng)幀相對(duì)于列車(chē)在第一運(yùn)動(dòng)幀移動(dòng)的長(zhǎng)度，即移動(dòng)象素的個(gè)數(shù)ΔP；（5）可以按式（1）計(jì)算出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的每幀圖象對(duì)應(yīng)列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向的視場(chǎng)總長(zhǎng)度L（單位為米）；（6）根據(jù)列車(chē)進(jìn)入畫(huà)面的第一、第二運(yùn)動(dòng)幀對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，計(jì)算列車(chē)的運(yùn)行速度V（米/秒）。

2.1.3 系統(tǒng)的約束條件

根據(jù)各種參數(shù)及相互關(guān)系可知，在列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的每幀圖象的視場(chǎng)總長(zhǎng)度L＝2×［d×tan（α/2）］，如果選擇的CCD鏡頭的視場(chǎng)角為80°，鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車(chē)上表面是1到1.5米，那么，紅外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在PAL制信號(hào)［5］條件下（每秒25幀視頻圖象）能夠不失真地監(jiān)測(cè)到列車(chē)的最高時(shí)速是多少呢？

根據(jù)“采樣定理［6］”，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采樣頻率fs = 25Hz（PAL制），分別考慮CCD鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車(chē)上表面1米和1.5米兩種情況。

（1） CCD鏡頭位置距離被監(jiān)測(cè)列車(chē)1米

根據(jù)這些參數(shù)和基本假設(shè)，可以按照公式（3）計(jì)算出每幀圖象對(duì)應(yīng)列車(chē)運(yùn)動(dòng)方向的視場(chǎng)總長(zhǎng)度：

L = 2×［d×tan（α/2）］ = 2×［1×tan（80°/2）］ = 2×0.8391 = 1.6782 米

根據(jù)“采樣定理”知，采樣頻率fs必須大于被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍，采樣后的信號(hào)才不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，即fs ≥ 2fc。

如果按照f(shuō)c = fs/2計(jì)算，fc = 12.5Hz，在此情況下，相應(yīng)地能夠允許列車(chē)的最高運(yùn)行時(shí)速為Vmax = 20.98（米/秒），即允許被監(jiān)測(cè)列車(chē)最高以每小時(shí)75.5公里的時(shí)速通過(guò)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)，而目前礦井列車(chē)的最高設(shè)計(jì)時(shí)速僅為10米/秒（相當(dāng)于每小時(shí)36公里），一般正常情況下，列車(chē)在井下的運(yùn)動(dòng)速度通常為3米/秒到5米/秒。因此，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全可以滿足監(jiān)測(cè)需要。

（2） 要滿足10米/秒的最高設(shè)計(jì)時(shí)速，CCD鏡頭布置位置距離被監(jiān)測(cè)列車(chē)上表面最短距離

d = L/（2×0.8391） = 0.8/（2×0.8391） = 0.4767米

也就是說(shuō)，如果監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的CCD鏡頭距離被監(jiān)測(cè)列車(chē)上表面大于0.5米，就可以對(duì)礦井列車(chē)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

同樣，如果適當(dāng)加大鏡頭與被監(jiān)測(cè)物體的間距，就可以對(duì)運(yùn)行速度更高的物體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，照此看來(lái)，本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。

2.2 列車(chē)移動(dòng)方向識(shí)別

首先，約定兩個(gè)基本概念：列車(chē)的上行方向和列車(chē)的下行方向。列車(chē)的上行方向：列車(chē)從采區(qū)運(yùn)輸產(chǎn)品到井上方向定義為列車(chē)的上行方向；列車(chē)的下行方向：列車(chē)從井上到采區(qū)方向定義為列車(chē)的下行方向。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

（1）首先根據(jù)列車(chē)圖象的俯視特征和模式識(shí)別的基本原理，檢測(cè)出“運(yùn)動(dòng)物體”是否進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面以及在圖象中的具體位置；

（2）根據(jù)CCD攝像機(jī)俯視列車(chē)得到的列車(chē)圖象具有“矩形特征”這一特點(diǎn)，區(qū)分并識(shí)別出進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)物體是否是列車(chē)；

（3）根據(jù)事先約定的列車(chē)上行方向、列車(chē)下行方向以及CCD鏡頭的布置位置，連續(xù)跟蹤列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面的第一運(yùn)動(dòng)幀、第二運(yùn)動(dòng)幀和第三運(yùn)動(dòng)幀，以第二運(yùn)動(dòng)幀、第一運(yùn)動(dòng)幀以及它們的差幀來(lái)初步確定列車(chē)的運(yùn)行方向，再以第三運(yùn)動(dòng)幀、第二運(yùn)動(dòng)幀以及它們的差幀來(lái)驗(yàn)證前面確定的初步運(yùn)行方向是否正確。

2.3 列車(chē)運(yùn)行異常告警處理

2.3.1 列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)后停止運(yùn)行

由于井下條件特殊，一旦運(yùn)行中的列車(chē)由于機(jī)械或電力等原因造成列車(chē)停止運(yùn)行，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該立即向井上控制中心告警，并進(jìn)行閉鎖。因?yàn)槊簜}(cāng)容量有限，如果列車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)一旦停運(yùn)，輕者會(huì)造成相關(guān)采區(qū)停工和煤倉(cāng)事故，重者會(huì)造成機(jī)車(chē)追尾或相撞事故。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須迅速告警，以便采取必要的措施保障運(yùn)輸安全。告警處理如下：

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)畫(huà)面后，連續(xù)采集視頻圖象，不斷比較得到的各幀圖象之間的差異，運(yùn)用幀間閾值法判斷列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)列車(chē)停止運(yùn)行（連續(xù)若干幀圖象完全一致或幀間差值小于給定閾值），井下監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將立即向井上監(jiān)控中心發(fā)送列車(chē)停止運(yùn)行標(biāo)志位和時(shí)間戳，井上PC機(jī)收到停止標(biāo)志和時(shí)間戳后，便進(jìn)行系統(tǒng)閉鎖、聲光告警和監(jiān)控日志記錄。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)隨后進(jìn)入停止模式的監(jiān)測(cè)狀態(tài)，直到列車(chē)恢復(fù)正常運(yùn)行為止。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將在列車(chē)恢復(fù)運(yùn)行后，發(fā)送列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)標(biāo)志位和相應(yīng)的時(shí)間戳，以便井上PC機(jī)解除系統(tǒng)閉鎖，完成告警解除和監(jiān)控日志的完整記錄。這些日志記錄可以為日后的事故分析、判斷和處理提供相應(yīng)依據(jù)。

2.3.2 超速告警

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中超速告警功能的實(shí)現(xiàn)，一改過(guò)去井下列車(chē)駕駛員違規(guī)操作無(wú)法定量監(jiān)測(cè)的局面。對(duì)列車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行、列車(chē)運(yùn)輸系統(tǒng)事故責(zé)任的鑒別和區(qū)分均具有重要意義。實(shí)現(xiàn)超速告警處理的具體步驟如下：

（1）首先根據(jù)每個(gè)礦井軌道運(yùn)輸?shù)男枰蛙壍澜煌ㄇ闆r，在井上PC機(jī)上設(shè)定超速告警的速度閾值，這一閾值可以根據(jù)實(shí)際需要即時(shí)改變，因此，超速告警具有很大的靈活性。

（2）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)后，即對(duì)其行駛速度進(jìn)行計(jì)算，并將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的列車(chē)速度結(jié)果通過(guò)ADSL傳輸?shù)骄螾C機(jī)上。

（3）井上PC機(jī)將收到的列車(chē)時(shí)速與設(shè)定的超速告警閾值進(jìn)行比較，如果發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中的列車(chē)時(shí)速超過(guò)告警限制，則進(jìn)行聲光告警，提示管理人員采取相應(yīng)措施，并且自動(dòng)進(jìn)行安全日志的超速告警記錄（主要包括：列車(chē)的運(yùn)行時(shí)速、時(shí)間戳等信息）。

3、 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)前面討論的礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)需求，本系統(tǒng)在平頂山礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)的同步錄像）。

（a） 列車(chē)進(jìn)入監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

（b） 列車(chē)駛出監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

圖2　井下現(xiàn)場(chǎng)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本系統(tǒng)能夠完成軌道運(yùn)輸?shù)母黜?xiàng)監(jiān)測(cè)任務(wù)，監(jiān)控者可以方便地了解列車(chē)運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向、列車(chē)異常情況、列車(chē)有效載荷等多項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。

4、 結(jié) 論

綜上所述，根據(jù)礦井環(huán)境的特殊性和井下運(yùn)輸監(jiān)測(cè)的要求，采用基于非接觸式的圖象處理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)，井上監(jiān)控中心不僅能及時(shí)、準(zhǔn)確地觀察到一些數(shù)字化的指標(biāo)，更可以直接看到井下現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控圖象。這對(duì)于管理者全面、準(zhǔn)確了解井下運(yùn)輸生產(chǎn)情況，確保礦井安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

另外，紅外CCD礦井軌道運(yùn)輸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣也可以在膠帶運(yùn)輸?shù)绕渌V井運(yùn)輸環(huán)境中使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：

1、提出了采用視頻圖象處理方法，利用模式識(shí)別、最優(yōu)閾值和幾何相似理論，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的監(jiān)控與測(cè)量。

2、提出了位置變化量、產(chǎn)生變化量所需的時(shí)間、紅外CCD視場(chǎng)（角度）等六因素相互關(guān)聯(lián)的計(jì)算方法。

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