杨勇
0 概述
目前火电厂输煤系统现场安装的保护装置有：①急停按钮和事故拉绳开关、②速度打滑开关、③二级跑偏开关和④头部落煤筒堵煤开关。
由于生产环境潮湿且灰尘大，加上开关磨损，致使其实用寿命严重缩短。生产环境粉尘很大，红外类传感器等无法正常工作。尤其当皮带机上有异物（较多非铁质物体：若有木块、石头、铝块、动物或人）时，现有的设备均不能有效检测，只能依靠工业电视监控系统摄像机监控画面，由值班员监视视频画面来判断皮带机是否运行安全，因长时间重复劳动，很容易出现视觉疲劳，导致设备出现异常时，操作人员没有及时停机，因此不能保证设备的安全运行。因此，急需一种既具备高可靠性，又可代替人工、自主完成检测过程的新型安全防护装置。
计算机视觉技术已在智能安防、人脸识别以及车牌识别等领域得到充分发展与应用。其依靠智能的计算机视觉算法，可替代人工进行复杂的图像识别和特征提取，本文将此类智能算法在传统工业生产现场展开应用研究，论证了输煤皮带机现场智能检测保护系统的理论依据。
1 项目的目的、意义
本文基于现阶段国内火电厂安全防护开关自动化程度低，重点布局国家大力倡导的“中国制造2025”中的智能电厂的系统解决方案，依赖浙江浙能温州发电有限公司的工程经验与先进技术，针对火电行业输煤皮带系统落后的安全防护现状，联合有关高校，积极推进产学研合作，技术成果转化，创新商业模式，拟研制基于计算机视觉的输煤皮带机综合防护装置。
目前，随着计算机视觉技术和图像处理技术的不断发展，采用基于视觉检测的方法，可以对传送带运行状态进行智能监视，保证传送带的安全运行，从而代替值班员的视频监视、分析和判断功能，大大提高传送带运行的安全性。
国内现有电厂、煤场中，输煤系统采用程控系统远方控制，安装了完善的视频监控系统，但对皮带的运行情况由值班员人工监视和判断，还没有智能检测保护系统的成功应用案例。本项目通过研究输煤皮带的各种作业过程，分析过程的异常情况，开发相应的智能检测装置，为整个输煤皮带作业安全运行提供可靠的管理、检测手段，并为将来输煤皮带无人值守项目提供前提基础。
2 项目立项的必要性及市场需求分析
2.1 项目技术攻关的必要性
利用本文的研究成果，提高输煤皮带运行的安全性和可靠性。输煤皮带智能检测保护系统系统的应用前景具体如下：
提高输煤皮带运行的安全性：由于人的主观判断很难保证准确性和正确性，尤其在长时间作业后，劳动强度较大，操作人员容易疲劳，尤其容易引起视觉疲劳而增加安全运行风险。通过输煤皮带智能检测保护系统，可以及时发现输煤皮带运行中出现的问题，并联动停机，代替值班员的人工监视。
皮带保护的高效性：智能检测保护系统可以实现对每一条皮带机每秒10次以上的跑偏、堵煤、异物分析和判断。而人对于中等亮度的光刺激，视觉暂留时间约为0.05至0.2秒，也就是要实现类似功能，需要在每条皮带配置1个值班员。而现在系统运行时1个值班员需要轮询监视10多条皮带。
提高职业健康：通过智能检测保护系统，可以大大降低值班员监视皮带上煤的工作强度，他们能更多的时间和精力处理配煤、数据分析、设备效率等工作，从而提高值班员的职业健康。
2.2 项目的市场需求分析
电厂的输煤系统，仍采用各式开关对输煤系统进行监控。如果采取本文所设计的智能识别传感器，可完全替代现场繁多的各类开关，提高检测效率，既节约成本的同时，减小了安装与维护难度。
就整个火电行业来看，全国范围内分布着数以千计的火电厂，每个火电厂至少有一套输煤系统，若每套输煤系统安装5套基于计算机视觉的综合防护装置，其市场潜力将十分巨大。
3 项目主要研究内容
3.1 研究与开发内容
系统主要功能包括：输煤皮带的跑偏檢测、堵煤检测、异物（较多非铁质物体：若有木块、石头、铝块、动物或人）检测、通过声光报警并联动停机，从而实现输煤皮带的安全运行。具体包含以下内容：
皮带跑偏检测：在皮带机头部和尾部安装视频监控装置，并通过视频分析，检测皮带机的运行状态，当发生皮带跑偏时，根据跑偏程度发出声光报警或停机指令。
皮带堵煤检测：在皮带机头部正对落煤口安装视频监控装置，并通过视频分析，检测皮带机的运行状态，当发出堵煤、洒煤时，发出声光报警和停机指令。
皮带异物检测：在皮带机头部逆煤流方向，考虑输煤栈桥内的空间，安装视频监控装置并尽可能覆盖范围广，并通过视频分析，检测皮带机的运行状态，当皮带上异物（较多非铁质物体：若有木块、石头、铝块、动物或人），发出声光报警和停机指令。
皮带现场智能检测保护系统：建立无线网络和图像服务器，检测装置可以将图像状态实时送到服务器，服务器记录全部工作过程。当检测装置发出动作信号后，将动作的详细状态和图像发送到服务器，服务器可以记录动作的详细状态。
3.2 项目的技术关键，包括技术难点、创新点
基于光流法的输煤皮带跑偏检测技术
给图像中的每个像素点赋予一个速度矢量，这样就形成了一个运动矢量场。在某一特定时刻，图像上的点与三维物体上的点一一对应，这种对应关系可以通过投影来计算得到。根据各个像素点的速度矢量特征，可以对图像进行动态分析。如果图像中没有运动目标，则光流矢量在整个图像区域是连续变化的。当图像中有运动物体时，目标和背景存在着相对运动。运动物体所形成的速度矢量必然和背景的速度矢量有所不同，便可计算出运动物体的位置。
基于背景更新的输煤皮带堵煤检测技术
首先利用一段时间内的视频图像序列积累初始背景；然后对视频序列中新的一帧图像利用单高斯背景减法进行变化区域检测，获得前景图像并对背景进行更新；最后将得到的前景图像采用形态学闭运算进行必要的后处理，得到完整的堵煤区域目标。由于堵煤是一个随时间累积的过程，因此可以间隔固定时长来选取视频帧进行堵煤的检测。
基于联合信息的前景的输煤皮带异物检测技术
一种基于IFCM（Improved Fuzzy C-Means）聚类算法的自适应背景建模与更新方法，构建了鲁棒的背景模型；再基于背景差分、帧间差分和空间领域信息的联合信息的前景检测算法，计算出皮带上物体的面积，在根据系统设定的异物面积标准，最终判断出皮带上是否有异物。
4 技术、经济效益、市场风险分析
4.1 技术经济效益分析（含经济效益、社会效益）
经济效益
因本系统的检测采用不接触的视频模式，而传统的跑偏和堵煤均采用接触式安装，使用寿命一般在3-5年，到期后需要整体更换；传统设备需要检修人员定期进行维护；传统设备采用电缆进行信号传输，需要定期进行检修。本系统采用非接触式检测，并采用无线通信，可以节约设备定期更换和定期维护的人力。
安全效益
通过跑偏检测、堵煤检测、异物检测系统，为皮带运行提供了安全保障，确保输煤作业安全。
健康效益
通过智能检测系统，大大降低值班员工作强度，提高一线作业人员的健康。
社会效益
目前输煤皮带使用非常广泛。本系统的投入使用能够是输煤皮带的保护上一个新的台阶，提高了皮带机的运行安全，更好地适应社会需求，具有较大的社会效益。
4.2 推广应用前景分析（含产业化可行性）
伴随着国民经济的蓬勃发展，电力企业必须保障电力的稳定供应，因此，电厂输煤系统的可靠运行显得尤为重要。以每个电厂的输煤系统配备5台智能防护系统，那么全国仅火电行业就需要近万台，市场潜力巨大。因本文所研究的智能防护系统可推广至其他工矿企业，其市场价值和经济效益更是难以估量。
5 总结
本文所提出的输煤皮带机现场智能检测保护系统的必要性及市场需求分析合理，项目推广应用前景较好。结合先进的计算机视觉智能算法，可有效实现输煤现场的综合保护，具有较高的应用价值。endprint
