一、引言
近年来，随着图像识别、机器视觉、大数据等高新技术的快速发展，以互联网和物联网为载体，以自动化、信息化、数字化为特点，以安全、高效、智能、绿色为核心理念的现代化智慧矿山应运而生。安全管理和能源消耗是采矿企业必须要面对的问题，智慧矿山为安全和节能问题提供了解决方案。本文以绿色节能与安全智能为重点，研究了机器视觉在智慧矿山运输系统中的应用。
二、智慧矿山运输系统的特征
（一）绿色节能
我国十四五规划明确提出要加快推动绿色低碳发展，这给矿产企业的转型升级和供给侧结构性改革提出了新的要求。建设经济效益和生态效益兼具的智慧矿山是实现碳达峰和碳中和的重要举措，也是煤炭行业提质增效的必经之路。智慧矿山运输系统以绿色节能为设计理念，注重生态保护和科技创新，通过自动化集约生产大幅减少人力投入、能源消耗和环境破坏，如此则有利于推动绿色经济的发展。
（二）安全智能
矿山是典型的离散生产系统，作业地点大多位于荒郊野外的地表深处，有着作业环境恶劣、交通运输不便、地质条件复杂、信息沟通不畅等因素，可导致瓦斯爆炸事故、矿洞垮塌事故、井下透水事故、有害气体中毒事故等生产事故时有发生。如今国家高度重视安全生产，对采矿领域安全问题的监管力度和追责力度越来越大，智慧矿山建设已经成为提升矿山安全管理水平的重要抓手。智慧矿山运输系统利用远程监控、智能感知、精准定位、自动控制和预警防护技术能够形成安全闭环管控体系，为矿山安全保驾护航。
三、智慧矿山运输系统的工作原理与关键技术
（一）工作原理
智慧矿山运输系统是机器视觉技术和工业控制技术在煤矿生产运输领域的应用。通过将机器视觉与工业控制相结合构建一个绿色节能、安全智能的多功能矿山运输系统。一方面，通过图像识别设备系统和流量检测系统实时监控煤流量的变化情况，通过PLC设备和变频设备对皮带运输机的速度进行反馈调节，对皮带速度进行自适应调节，从而降低运输系统的能源消耗，减少辅材消耗，延长设备寿命。另一方面，通过全天候智能监控系统对传动设备运行状况、皮带搭接点磨损状况、工作人员人身安全状况进行动态监控，对危险源、安全隐患和环境因素进行预知，杜绝安全事故，保障安全生产。
基于机器视觉的智慧矿山运输系统通过图像识别和视觉分析技术，对运输系统空载时皮带的状态进行建模，利用微分算法对皮带凹槽画面进行均匀分割，以此设定皮带调速阈值。当运输系统运输煤矿时，图像采集设备实时采集运输皮带画面，并将此时的皮带凹槽画面与空载时设定的阈值进行比对，根据比对分析的结果进行智能调速，工作原理示意图如图1所示。
图1
（二）关键技术
机器视觉是人工智能、图形识别、计算机科学等多学科交叉的成果，是建立智慧矿山运输系统的关键技术。机器视觉系统由四个部分组成，分别是图像采集系统、图像处理系统、逻辑计算系统和运动控制系统，机器视觉系统的组成和原理。通过图像采集设备获取客观事物的图形，通过图像处理系统将视觉信号转化为数字信号，然后通过感知融合设备从大量的数据中提取有价值的信息，再通过一定的算法处理数据并抽取目标的特征，控制机构根据逻辑计算的判别结果对设备的工作状态进行控制。
四、基于机器视觉的智慧矿山运输系统的构建方法与实际应用
（1）智慧矿山运输系统构建方法
首先要在带式输送机首尾各安装一台用于采取皮带图像信息的前端摄像头，当输送机开始运输煤矿时，摄像头会实时拍摄煤矿运输照片并发送至图像处理设备。图像处理设备根据图形数据计算出照片中煤流体积与皮带总量之比，从而计算出煤流量。将煤流量与预先设置的阈值进行比较，根据比对结果选择合适的皮带带速。图形处理设备随后将带速选择结果发送给PLC设备，PLC设备进行逻辑运算后对皮带变频设备发送控制指令，从而实现皮带带速的变频调节，降低矿山运输系统的能源消耗。
智慧矿山运输系统根据危险源和环境因素清单划分了监测区域，在监测区域布置了监控摄像头和语音报警装置。当煤矿运输过程中有异物出现或运输出现异常时，监测软件会迅速定位安全风险发生的位置，并根据报警和停机规则自动采取应急响应措施。此外，带式输送机皮带转载处下方还安装了激光探测光幕，当出现皮带磨损断裂或异物将皮带划破的情况时，少部分煤炭物料会从输送机向下泄露，这些落下的物料会立刻被激光探测光幕监测到，报警系统和停机系统随即被触发。
智慧矿山运输系统的拓扑结构如图3所示，包括摄像机、防爆语音箱、皮带急停控制系统、绞车停车控制系统、PLC设备、防爆变频器、视频监测报警系统、环网交换机、中心服务器、调度室、集控中心和中心服务器。智慧矿山运输系统转变了传统安全管理模式，通过智慧矿山运输系统将带式输送机操作工的工作职责转变巡检和监控，通过减少人员在危险环境中的滞留时间降低了危险源和不安全因素对人造成伤害的可能性，降低了现场人员误操作导致安全事故的可能性，改善了工人的工作环境，减少了噪音粉尘等恶劣环境对人的健康造成的伤害，践行了“无人则安”的安全生产理念。
图3
（2）智慧矿山运输系统实际应用
近年来很多矿山企业和研究机构对智慧矿山做了诸多研究和探索，我国智慧矿山技术经历了理论阶段、机械化阶段、电气化阶段、数字化阶段等发展阶段，在机器视觉、人工智能等技术的加持下逐渐向智慧化阶段发展。目前，已经有部分企业搭建了智慧矿山运输系统，取得了阶段性成果。
华电集团石泉煤业在2018年底完成了矿山运输系统自动化和信息化改造，建立了兼具绿色环保和安全智能特征的智慧矿山运输系统。石泉煤业在所有带式输送机头尾均安装了用于采集皮带图像和煤流量图像的高精度摄像机，在输送机控制主机加装了用于计算煤流量的图像处理系统以及用于控制设备工作状态的变频设备，在输送机皮带轮下方安装了用于监测皮带撕裂状况的激光传感器。智慧矿山运输系统运行一个工作日内，系统运行的统计情况 传输系统低速运行时长为165min，中速运行时长为198min，高速运行时长为511min，停机时长为487min，单日能源节约率达到23%。此外，皮带转速的智能控制还减少了拖辊、皮带等辅材的消耗量，节约了运输成本。1部带式输送机需要1000米长的皮带和3000个拖辊，每个拖辊使用寿命为6年，皮带为7年，使用智慧矿山运输系统后拖辊和胶带的使用寿命可以分别延长到7.3和9年年，每年拖辊节省比为22%，皮带节省比为28%，产生了较高的经济效益。
参考文献：
[1]李梅, 杨帅伟, 孙振明,等. 智慧矿山框架与发展前景研究[J]. 煤炭科学技术, 2017(1).
[2]刘海滨, 李春贺. 智慧矿山职业健康安全监管信息系统研究[J]. 煤炭科学技术, 2019, 047(003):87-92.
