瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：為實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯抽采泵站少人化、無人化運(yùn)行，利用自動(dòng)化控制技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)。自動(dòng)化控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采泵站遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，提高運(yùn)行可靠性和控制精度;圖像識(shí)別技術(shù)可通過對(duì)攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像分析處理，準(zhǔn)確識(shí)別機(jī)械儀表指針讀數(shù)、閥門閥板位置、廠區(qū)違禁物品等，識(shí)別準(zhǔn)確度達(dá)85%，可替代傳統(tǒng)人工巡檢，提高瓦斯抽采泵站安全管理水平。相比人工手動(dòng)操作機(jī)器設(shè)備、人員定時(shí)巡檢的瓦斯抽采泵站，應(yīng)用瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)可降低瓦斯抽采泵站60%的人力需求，且對(duì)煤礦智能化發(fā)展方向起到示范引領(lǐng)作用。

　　關(guān)鍵詞：瓦斯抽采泵站;自動(dòng)控制系統(tǒng);智能化;圖像識(shí)別;目標(biāo)檢測(cè)

　　1引言

　　2020年4月《全國安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年計(jì)劃》中明確指出要全面推進(jìn)煤礦智能化建設(shè)。瓦斯抽采泵站是煤與瓦斯突出礦井、高瓦斯礦井瓦斯抽采系統(tǒng)的核心單元。目前，多數(shù)煤礦企業(yè)瓦斯抽采泵站運(yùn)行方式為工人手動(dòng)啟動(dòng)、停止水環(huán)真空泵，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥門手輪(柄)開啟、關(guān)閉閥門，人工觀察開度指示大小以調(diào)節(jié)、平衡井下抽采負(fù)壓，人工操作不僅存在控制不靈活、調(diào)節(jié)開閉精度不夠等問題，而且浪費(fèi)人力資源和增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　少數(shù)煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采泵站基本的自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)，可在調(diào)度室遠(yuǎn)程控制設(shè)備運(yùn)行，在一定程度上減少了瓦斯抽采泵站運(yùn)行維護(hù)的人力需求，但仍需要定時(shí)進(jìn)行人工巡檢。瓦斯抽采泵站智能化建設(shè)的方向是利用自動(dòng)化技術(shù)和人工智能技術(shù)在保證穩(wěn)定、安全、高效運(yùn)行的同時(shí)，最大程度實(shí)現(xiàn)無人值守，推動(dòng)我國煤礦智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤礦高危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)少人化、無人化。 瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)由自動(dòng)化控制系統(tǒng)和視頻圖像分析識(shí)別系統(tǒng)兩部分組成。

　　(1)自動(dòng)化控制系統(tǒng)由上位機(jī)及軟件、拼接屏幕、工業(yè)交換機(jī)、PLC控制箱、高低壓開關(guān)、電動(dòng)閥門、電纜、電源、接線盒等組成。系統(tǒng)硬件和軟件共同作用，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采泵站的抽放管路、抽采泵、循環(huán)泵、電動(dòng)閥門、管道參數(shù)、環(huán)境等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。(2)視頻圖像分析系統(tǒng)由視頻分析服務(wù)器和攝像儀等組成。視頻分析服務(wù)器內(nèi)置基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)的目標(biāo)檢測(cè)算法和基于OpenCV的儀表盤識(shí)別算法，可自動(dòng)識(shí)別視頻圖像中閥門開閉狀態(tài)、人員攜帶的違禁物品、人員違規(guī)操作、儀表盤指針讀數(shù)等。

　　2自動(dòng)化控制系統(tǒng)

　　自動(dòng)化控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)層和監(jiān)控層�，F(xiàn)場(chǎng)層由PLC控制箱、參數(shù)傳感器、電動(dòng)閥門、高低壓開關(guān)等組成。PLC控制箱是現(xiàn)場(chǎng)層的核心單元，對(duì)下可采集管道參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、供水參數(shù)、供電參數(shù)等系統(tǒng)核心參數(shù)，監(jiān)控和調(diào)節(jié)泵站設(shè)備、閥門設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);對(duì)上通過工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，接收操作人員指令，控制系統(tǒng)運(yùn)行方式。

　　監(jiān)控層由上位機(jī)及軟件、工業(yè)交換機(jī)、拼接屏幕等組成。操作人員通過上位機(jī)及軟件查看系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，下達(dá)控制指令，瀏覽數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)及歷史記錄，實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采泵站的遠(yuǎn)程自動(dòng)或手動(dòng)操作。瓦斯抽采泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)同時(shí)具備自動(dòng)、手動(dòng)、檢修3種控制模式。

　�、僮詣�(dòng)控制模式操作人員下達(dá)一鍵啟動(dòng)或停止指令后，控制系統(tǒng)按瓦斯抽采泵站控制工藝依次打開或關(guān)閉各泵站設(shè)備;②手動(dòng)模式在系統(tǒng)報(bào)警故障等聯(lián)鎖條件限制下，控制系統(tǒng)根據(jù)操作人員控制指令控制真空泵啟停、調(diào)節(jié)閥門開度、控制循環(huán)水泵啟停;③檢修模式控制系統(tǒng)跳過報(bào)警故障等所有聯(lián)鎖條件限制，直接根據(jù)操作人員控制指令控制真空泵啟停、調(diào)節(jié)閥門開度、控制循環(huán)水泵啟停。

　　系統(tǒng)軟件平臺(tái)采用國內(nèi)外主流組態(tài)軟件，將整個(gè)瓦斯抽采泵站系統(tǒng)工藝流程、運(yùn)行設(shè)備、傳感器參數(shù)通過工藝流程圖、設(shè)備模擬圖以及其他圖形展示的方式顯示出來，主要組態(tài)元素包括工藝流程圖、工況數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)圖、動(dòng)態(tài)參數(shù)、實(shí)時(shí)顯示各種報(bào)表。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)軟件平臺(tái)支持Web發(fā)布和手機(jī)端App訪問等功能，管理層可通過瀏覽器和手機(jī)App查閱設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　3視頻圖像分析識(shí)別系統(tǒng)

　　視頻圖像分析識(shí)別系統(tǒng)通過視頻服務(wù)器24h不間斷地分析識(shí)別圖像信息，替代傳統(tǒng)定時(shí)巡檢工作，降低瓦斯抽采泵站人力成本，提升安全管理水平。其主要功能需求為識(shí)別機(jī)械儀表指針讀數(shù)和識(shí)別違禁物品及違規(guī)操作。

　　3.1儀表盤識(shí)別算法

　　儀表盤識(shí)別算法可快速定位視頻圖像中儀表盤位置，準(zhǔn)確識(shí)別儀表盤指針讀數(shù)，算法原理：

　　(1)利用基于YOLO-v4開發(fā)的目標(biāo)檢測(cè)算法在攝像頭采集的圖像中迅速定位儀表盤區(qū)域，并去除圖像的干擾信息。YOLO-v4是在原有YOLO目標(biāo)檢測(cè)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用了近些年CNN領(lǐng)域中最優(yōu)秀的優(yōu)化策略，從數(shù)據(jù)處理、主干網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、激活函數(shù)、損失函數(shù)等各個(gè)方面都有著不同程度的優(yōu)化。YOLO-v4算法在實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)算法中精度最高，實(shí)現(xiàn)了精度和速度的最佳平衡。

　　(2)獲取儀表盤圖像后，將RGB格式圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，并用5×5高斯核濾波，去除圖像噪點(diǎn)。高斯濾波是一種線性平滑濾波，適用于消除高斯噪聲，廣泛應(yīng)用于圖像處理的減噪過程。

　　(3)利用OTSU算法對(duì)高斯濾波后的圖像進(jìn)行二值化處理，對(duì)二值化處理后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)膨脹運(yùn)算，使表盤中心空白處僅剩下黑色表針。OTSU算法是一種自適應(yīng)的閾值確定方法，又稱大津閾值分割法，是最小二乘法意義下的最優(yōu)分割。

　　(4)截取膨脹運(yùn)算處理后圖片中心區(qū)域圖像，圖像尺寸為255×255，然后使用Canny算法和霍夫直線算法計(jì)算輪廓坐標(biāo)點(diǎn)和輪廓直線首尾坐標(biāo)，指針輪廓直線檢測(cè)過程。Canny邊緣檢測(cè)算法是JohnF.Canny于1986年開發(fā)出來的一個(gè)多級(jí)邊緣檢測(cè)算法，也被很多人認(rèn)為是邊緣檢測(cè)的最優(yōu)算法。

　　(5)在霍夫直線檢測(cè)效果圖上，圖像左上角為坐標(biāo)零點(diǎn)，零點(diǎn)水平右方為X軸正向，零點(diǎn)垂直下方為Y軸正向。將指針間2條輪廓線段分別定義為L1和L2，則L1首尾坐標(biāo)分別為(54，59)和(96，98)，L2首尾坐標(biāo)分別為(53，61)和(91，104)。通過線段首尾坐標(biāo)計(jì)算出L1傾斜角度為137.11°，L2傾斜角度為131.47°，指針中心線傾斜角度為兩者平均值，即134.29°。同理計(jì)算壓力為0時(shí)，指針傾斜角度為209.6°;壓力為2.5MPa時(shí)，指針傾斜角度為-51.48°。

　　3.2目標(biāo)檢測(cè)算法

　　目標(biāo)檢測(cè)算法是基于YOLO-v4算法進(jìn)行開發(fā)的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖像識(shí)別模型。開發(fā)過程：(1)準(zhǔn)備訓(xùn)練數(shù)據(jù)，手動(dòng)標(biāo)注圖片，用矩形框覆蓋圖片中待識(shí)別的特征并標(biāo)注特征種類，訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)量為1萬張圖片，識(shí)別特征包括手機(jī)、平板電腦、閥門開啟、閥門關(guān)閉、安全帽、操作人員違規(guī)動(dòng)作、廠區(qū)違禁物等;(2)參數(shù)調(diào)整，激活馬賽克數(shù)據(jù)增強(qiáng)、Mish激活函數(shù)等技術(shù)。馬賽克數(shù)據(jù)增強(qiáng)將4張訓(xùn)練圖像按一定比例組合成1張。Mosaic是YOLO-v4中引入的一個(gè)新的數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)，使得模型能夠?qū)W習(xí)如何識(shí)別比正常尺寸小的物體。Mish是一個(gè)平滑的曲線，平滑的激活函數(shù)允許更好的信息深入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而得到更好的準(zhǔn)確性和泛化;(3)模型訓(xùn)練，epoch=50，literation=2500，batchsize=4，自動(dòng)存儲(chǔ)loss最低和驗(yàn)證精度最高模型的權(quán)重系數(shù);(4)將訓(xùn)練好的模型部署到視頻圖像分析系統(tǒng)中。目標(biāo)檢測(cè)算法能夠準(zhǔn)確識(shí)別視頻圖像中工作人員是否存在違規(guī)操作行為，工作人員是否攜帶手機(jī)、平板電腦等違禁物品進(jìn)入抽采泵站廠區(qū)以及閥門閥板位置。

　　4系統(tǒng)協(xié)同

　　視頻圖像分析系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)通過OPC協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，視頻圖像分析系統(tǒng)識(shí)別出工作人員違規(guī)操作、工作人員在廠區(qū)內(nèi)攜帶違規(guī)用品以及非工作人員入侵廠區(qū)可將報(bào)警信息通過OPC協(xié)議發(fā)送到自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)接受到該信息后，控制廠區(qū)內(nèi)語音播報(bào)裝置播報(bào)預(yù)設(shè)定的音頻廣播，對(duì)人員起到警示作用。自動(dòng)控制系統(tǒng)控制管路上閥門開啟后，可通過比對(duì)圖像識(shí)別系統(tǒng)對(duì)閥板位置分析結(jié)果，判斷閥門是否正常開啟，替代傳統(tǒng)人工檢查閥門開閉是否正常。自動(dòng)控制系統(tǒng)讀取變送器數(shù)據(jù)，并與視頻圖像分析系統(tǒng)識(shí)別的機(jī)械儀表指針數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，替代人工巡檢物理式儀表。

　　5結(jié)語

　　瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)將自動(dòng)化控制技術(shù)和圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到瓦斯抽采泵站日常運(yùn)行管理當(dāng)中，為瓦斯抽采泵站智能化升級(jí)改造提供了一種新方案。智能管理系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采泵站遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，又可通過圖像識(shí)別技術(shù)替代傳統(tǒng)人工巡檢過程，極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，極大地減少了瓦斯抽采泵站日常運(yùn)行維護(hù)的人力需求。瓦斯抽采泵站智能管理系統(tǒng)是煤礦智能化升級(jí)改造的新方向，對(duì)我國煤礦智能化發(fā)展具有一定的引領(lǐng)作用。

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　　作者：梁椿豪1，陳騁2，3，曹鵬2，3

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