不连沟煤矿主运输智能煤流监控系统的应用

2024-10-28 15:30:58 来源：智能矿山杂志作者：王振华,段自强,张瑞峰,段俊生,张科,陈波

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煤矿主运输系统是矿井生产的重要环节，在煤矿安全生产和运营管理中占有重要地位。主运输系统通过运输设备将工作面开采的原煤，安全高效地输送到地面固定煤仓，确保矿井生产的连续运行。

带式输送机是主运输系统中最为重要的设备，从综采工作面、综掘工作面到巷道运输、大巷运输直至地面洗选、装车。带式输送机占煤矿总设备装机功率30%，占煤矿生产总耗能60%，是主要能耗设备。在实际生产过程中，由于煤炭开采的不均衡性，恒转速运行模式使得系统出现“大马拉小车”现象。另外，托混、输送带等惯性设备平稳运行所需功率比启动功率小，导致系统长期处于空载或轻载状态，造成煤炭运输能耗浪费，且使带式输送机的传动系统、传动部件、输送带无效磨损，缩短设备使用寿命。特别是近年来，长距离、高带速、大运量的大型带式输送机能耗浪费问题日渐加剧，成为当前影响和制约煤炭运输及矿山节能减排的一大难题。

提升煤矿带式输送机能效是提高煤炭生产能源利用率水平的关键。当电动机转矩特性与负荷特性达到最优匹配，带式输送机为高效运行。带式输送机运行控制技术是煤矿节能减排的关键。目前部分大型煤矿根据出煤量，采用变频系统手动调节带式输送机带速节能降耗。由于带速在煤炭运输过程中不能依据物料瞬时流量实时调节，手动调节灵活性较差。因此，亟需研究根据工况变化实时智能调节带速的带式输送机。

主运输智能煤流监控系统概述

系统架构

智能煤流监控管理系统融合智能视频分析与工业控制系统，对主运输系统带式输送机进行煤量分布监测，跑偏、堆煤、大块、水煤识别，实时调节带式输送机转速，合理调控、均衡生产，实现煤多快运、煤少慢运、顺逆煤流启停，达到减人增效、降低能耗的目标，保障主煤流系统安全高效运行。基于AI 视频识别与工业控制技术，实现专业场景感知及工控数据感知，支撑智能控制及运营分析。主运输智能煤流监控系统业务架构如图1 所示。

图1　主运输智能煤流监控系统业务架构

工作原理

通过工业环网将摄像机、传感器数据上传至边缘计算平台进行数据分析，分析后的结果数据推送给应用系统，实现主煤流系统生产状态、设备运行状态的实时监测及设备的联动控制，系统部署拓扑如图2 所示。

图2　部署拓扑

关键功能和特点

基础平台

采用微服务架构设计，各子应用基于该平台研发、运行，具备高可扩展性，可快速搭建出具有高性能的集群服务。基础平台的关键功能如下。

（1）通用基础功能，包含机构部门管理、用户角色管理、操作日志查询等基础管理功能。

（2）统一用户中心，采用基于OAuth2.0 标准的统一用户中心，支持与其他第三方系统进行统一用户的集成。

（3）子系统化管理，支持可视化、子系统或者模块粒度级别的应用上线、下线管理。

数据采集

系统具备工业数据采集能力，实现多种工业标准协议的解析，包括：OPC DA、MODBUS-TCP、IEC60870-5-104。根据实际业务场景需求定制专用数据采集接口，包括ODBC/JDBC接口、DLL程序、文本格式交换等。支持特定格式数据到平台内部格式转换。

煤矿大脑边缘计算平台

（1）煤矿大脑感知边缘平台

具备丰富接入能力，支持多场景适配、多算力兼容、多形式输出的“端到端”标准、稳定、高效路由器。实现感知源（视频）接入、场景规则配置、模型推理、识别结果输出管理，将人工智能深度学习技术与场景规则融合，通过标准化接口为第三方系统赋能，助力产品和系统AI 能力的快速构建和应用。

（2）流媒体服务系统

提供稳定的hls 直播推流服务，基于GPU 硬件加速，实现高稳定、高负载、低资源消耗。服务支持智能可配置且稳定的码率，支持h264 行业通用视频编码实时转换服务。支持行业通用的hls 协议的视频智能实时拉流播放服务，提供高并发、低延迟、秒级加载的直播拉流解决方案。基于业务系统及智能视频流截取及压缩协议，支持智能按需回看视频服务。提供实现端到端的直播、实时回放、实时录制的完整闭环解决方案，配置简单、易于操作。

（3）系统功能架构

智能煤流监控管理系统提供概览图、系统图、细节图3 层架构，可从主运概览钻取至设备细节，实现主运系统运行状态及设备运行参数的全面监控，系统功能架构如图3所示。

图3　系统功能架构

运输巷带式输送机概览图根据输送带的运行速度、过煤量实时监测，对机头、机尾、搭接点、溜煤眼、驱动部、除铁器等位置实时视频监控，通过AI 智能识别跑偏、堆煤、异物、大块、水煤、人员违规进入、人员违章等异常状态并报警提醒，辅助操作员及时执行相应操作。

系统图直观展示各级输送带的搭接关系，实现了巷道输送带、盘区输送带、大巷输送带、主井输送带运行状态、运行参数、保护、拉线急停等信息的实时监测。同时通过监测主运输送带的电机电流、转矩，辅以煤量识别，实时计算并分析主运输送带的负荷状态。

在系统图中点击单部输送带，可扩展至细节图，查看单部输送带及其电机、变频器的运行状态、运行数据，实时视频及趋势分析。通过输送带煤流轮廓识别，绘制煤量分布图。

实际应用

输送带堆煤智能识别

利用安装在溜煤眼的高清摄像机，实时监测溜煤眼煤位。摄像头需清晰的拍摄到需要检测的溜煤眼区域，利用建立好堆煤识别模型，定义煤位报警位置，智能识别煤位是否达到报警位置。当识别到煤位高度达到报警位置时，系统及时报警，并联动输送带集控系统停机。

在带式输送机转载点布置摄像机，利用转载点堆煤识别模型识别实时视频数据。当模型识别到转载点堆煤高度达到自定义堆煤高度线时，联动输送带集控系统进行停机。溜煤眼堆煤识别如图4所示。

图4　溜煤眼堆煤识别

输送带异物智能识别

带式输送机正上方安装摄像头，逆煤流方向清晰拍摄到带式输送机区域，对其上可能存在的异物进行采集训练，结合已有的异物数据集联合训练，然后利用训练好的异物识别模型，识别摄像机拍摄的实时视频数据，识别输送带运行中的大块煤矸石等特征明显的异物，当识别到异物时，系统及时报警，并根据矿方实际需求，必要时联动输送带集控系统停机，输送带异物智能识别如图5 所示。

图5　输送带异物智能识别

输送带跑偏智能识别

带式输送机正上方安装摄像头，根据输送带两侧的托辊数量判断跑偏，同时根据托辊被输送带遮住的数量设置跑偏级别，在实际场景中，根据实际情况定义跑偏量报警处理值，基于训练好的跑偏识别模型，智能识别跑偏量，设置输送带跑偏量报警值及停机值，系统识别初达到定义的报警值后及时报警，识别到达到定义的停机值后，联动输送带集控系统停机，输送带跑偏智能识别如图6 所示。

图6　输送带跑偏智能识别

输送带煤量智能识

摄像机安装在带式输送机煤流上方，利用煤流轮廓识别模型识别，安装在其中部的高清摄像机拍摄实时视频数据，视频输入到AI 模型中实时识别，输出煤流轮廓宽度值，比对煤流宽度值与输送带宽度值，根据比对结果，判断煤流体量，输出轻载、中载、重载等输送带载荷信息。

区域进入智能识别

由于管理措施不健全和矿工安全意识的缺乏，输送带运输事故频发，存在不符合安全生产规范行为，摄像机需清晰的拍摄到带式输送机危险区域，利用人员位置识别模型，识别人员位置情况，根据自定义的运行时危险区域，识别到设备运行同时，人员进入危险区域即判定为违章进入，如攀爬、脚搭、倚靠输送带，向输送带抛扔杂物、进入危险区域等，系统及时报警、停机，人员闯入智能识别如图7 所示。

图7　人员闯入智能识别

保护控制

在已有输送带综保的基础上，通过AI 视频识别进一步监控、诊断，当有异常情况发生时，必要时可联动停机或由操作员控制停机，保护控制业务流程如图8 所示。

图8　保护控制业务流程

调速控制

智能调速可有效解决当前输送带变频调速过程中，其秤重及压力传感器煤量变化感应时间长、误差大、需定期标校，无法准确定义整条输送带煤量大小，不能关联输送带上游采掘工作面生产运行状态，变频调速不及时的问题。系统根据各条输送带来煤量识别进行数据分析，通过井下环网向输送带控制系统发送变频指令，对巷道、采区、大巷、主井等各级输送带智能调速，保障主煤流系统的正常运行；达到煤多快运、煤少慢运、无煤停运的经济运行模式，降低输送带运行能耗，减少输送带带面、电机、托辊等设备磨损，延长设备生命周期，智能调速模块如图9 所示。