一种上煤流量检测方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种上煤流量检测方法。

背景技术

斗轮堆取料机，是指一种用于大型干散货堆场的既能堆料又能取料的连续输送的高效装卸机械。目前，国内火力发电厂普遍采用悬臂式斗轮机对煤场进行堆取料操作，悬臂式斗轮机由斗轮机构、回转机构、带式输送机、尾车、俯仰与运行机构组成。带式输送机是煤炭物料的主要运输设备，具有连续输送能力强、运行效率高、易于实现自动控制的优点。电厂的上煤系统一般是由司机人工操作斗轮机对事先堆在煤场的煤进行取料，然后通过输送带运至锅炉。因此，对输送带上煤流量的监测至关重要。

电厂对输送带上煤流量的监测一般采用人工检测、皮带秤或是激光扫描的的方法。人工检测的方法是靠斗轮机司机人为判断，当发现超载时，通过司机操控斗轮机悬臂的启停来控制上煤流量，司机的劳动强度较大，容易引起视觉疲劳而增加安全运行风险；设备的频繁启停也会影响其使用寿命。

皮带秤的检测方法根据计量原理不同可以分为核子皮带秤和电子皮带秤。核子皮带秤利用γ射线穿透皮带和物料后的衰减规律，求取物料的平均质量和厚度，再根据标定好的系数，求出物料质量。由于该监测方法用到核源，其应用受到环保和安全方面越来越多的限制，逐渐被电子皮带秤取代。电子胶带秤利用称重传感器获取信号，再对信号数据进行处理实现动态计量。由于电子皮带秤是接触式计量，胶带张力、自身质量、刚度及安装角度等诸多因素都会影响其计量精度，特别是皮带张力，容易导致皮带秤零点偏移，有的甚至能使计量结果偏差达20％以上。另外，皮带秤一般安装在悬臂尾部，导致皮带秤的瞬时流量较斗轮瞬时流量至少有10秒滞后，因此司机难以作为实时操作的依据。

还有部分电厂采取激光扫描的方法，即使用一台安装在托辊上方且测量方向垂直向下的基于飞行时间差原理的激光扫描仪，采集输送带一定速度下的物料表面的三维激光点云数据，融合速度传感器采集的位移信息后，进行煤料流量计量，但检测的流量效果并不好且成本较高，无法参与实时控制。

本发明提供一种人工成本低、检测精度高且实时性好的斗轮机输送带上煤流量检测方法。

背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提供一种改进的可用于检测输送带上煤流量的方案。

在一个方面，提供一种上煤流量检测方法，包括如下步骤：

采集输送带空载时视频图像；

处理所述空载时视频图像，获取所述输送带空载时横截面弧线即输送带载煤时横截面下轮廓线；

采集输送带载煤时视频图像；

处理所述载煤时视频图像，获取所述输送带横截面上轮廓线；

根据所述横截面上、下轮廓线计算横截面面积；以及

根据所述横截面面积计算出上煤瞬时流量。

在一个实施例中，在步骤采集输送带空载时视频图像之前，还包括步骤：在输送带上方安装工业摄像机和红色“一”字线激光发射器。

在一个实施例中，所述处理所述空载时视频图像包括：预处理、激光条纹分割和激光条纹中心线提取。

在一个实施例中，所述处理所述载煤时视频图像包括：预处理、激光条纹分割和激光条纹中心线提取。

在一个实施例中，所述预处理包括：图像ROI提取、模型转换和平滑滤波处理。

在一个实施例中，所述图像ROI提取为对图像感兴趣区域进行提取。

在一个实施例中，所述激光条纹分割为Otsu阈值分割算法。

在一个实施例中，所述激光条纹中心线提取采用高斯曲线拟合方法。

在一个实施例中，所述计算横截面面积采用积分方法进行计算。

在一个实施例中，所述根据所述横截面面积计算出上煤瞬时流量为：根据所述横截面面积计算出单位时间内的相对体积，进而求出单位时间内的上煤流量。

根据本发明的实施方式，通过获取输送带空载时横截面弧线即输送带载煤时横截面下轮廓线，及获取载煤时输送带横截面上轮廓线，再根据获取的横截面上、下轮廓线计算出横截面面积，进而计算出上煤瞬时流量。本发明提供的上煤流量检测方法不仅简单节约人工成本而且检测精度高，还可以达到实时检测的目的。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明第一实施例的上煤流量检测方法示意图；

图2示出了根据本发明第二实施例的工作流程图；

图3示出了根据本发明第二实施例的图像采集装置安装示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的输送带载煤时横截面面积计算原理图；

图5示出了根据本发明第二实施例的上煤瞬时流量计算原理图；

图6示出了根据本发明第二实施例的摄像机视野宽度计算原理图；以及

图7示出了根据本发明第二实施例的摄像机视野中最大高程计算原理图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语" 安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了根据本发明第一实施例的一种上煤流量检测方法100示意图。如图1所示，所述上煤流量检测方法100包括如下步骤：

S101:采集输送带空载时视频图像。

使输送带空载运转，采集空载时输送带的视频图像，从而获得初始图像数据。

S102:处理所述空载时视频图像，获取所述输送带空载时横截面弧线即输送带载煤时横截面下轮廓线。

对输送带空载时获得的初始图像数据进行处理，获取输送带空载时横截面弧线相应的图像数据，也就是输送带载煤时横截面的下轮廓线相应的图像数据。

S103:采集输送带载煤时视频图像。

使输送带载煤运转，采集载煤时输送带的视频图像，从而获得目标图像数据。

S104:处理所述载煤时视频图像，获取所述输送带横截面上轮廓线。

对输送带载煤时获得的目标图像数据进行处理，获取输送带载煤时横截面的上轮廓线相应的图像数据。

S105:根据所述横截面上、下轮廓线计算横截面面积。

所获得的上轮廓线和下轮廓线构成横截面的轮廓，于是根据上、下轮廓线可计算出横截面的面积。

S106:根据所述横截面面积计算出上煤瞬时流量。

根据获得横截面的面积，计算单位时间内横截面对应的煤的重量，即为上煤瞬时流量。

本发明通过获取输送带空载时横截面弧线即输送带载煤时横截面下轮廓线，与获取载煤时输送带横截面上轮廓线，再根据获取的横截面上、下轮廓线计算出横截面面积，进而计算出上煤瞬时流量。本发明提供的上煤流量检测方法不仅简单节约人工成本而且检测精度高，还可以达到实时检测的目的。

本发明第二实施例中采用的斗轮机带式输送机的理论中心高为1200mm，输送带带宽为1400mm，输送带带速为2.8m/s，槽角35°。

下面结合图2-图7介绍本发明的第二实施例。

图2示出了根据本发明第二实施例的工作流程图，如图2所示，具体实施步骤如下：

图3示出了根据本发明第二实施例的图像采集装置安装示意图。如图3 所示，在上煤口附近，输送带正上方，距离输送带约1500mm处安装工业摄像机，摄像头朝向输送带运动方向45°左右斜向下方向，并在沿输送带运动方向上，距离工业摄像机约1500mm处安装红色“一”字线激光发射器，线激光的照射方向垂直于输送带的运行方向，平行于输送带接口，形成距离最短的轮廓线。此时工业摄像机采集到的视频序列能明显观察到完整激光条纹。本发明对于采用的工业摄像机和激光发射器的类型不做任何限制。

优选的，工业摄像机为大恒MER-502-79U3C-L彩色摄像机(分辨率为 2448*2048，帧率为79fps)；镜头为大恒Computer系列百万像素定焦镜头 M5018-MP2(焦距为50mm，拍摄视角为46°)；线激光器为激光半导体一字线激光器，型号为FU650AB100—GD16，激光波长为650nm。

初次安装需进行初始化操作，使工业摄像机从输送带空载时开始采集视频图像，得到包含完整激光条纹特征的图像，对该图像进行预处理、激光条纹分割和激光条纹中心线提取，从而得到输送带空载时横截面的弧线，即输送带载煤时横截面下轮廓线。

所述预处理包括：图像ROI提取、模型转换和平滑滤波处理。所述图像 ROI提取是指对图像感兴趣区域进行提取，即将整幅图像剪裁至包裹红色激光条纹最小区域，减少图像中冗余数据，提高图像处理速度；所述模型转换是将图像由RGB彩色模型转换为HSI彩色模型，并对图像进行H单分量提取。HS I模型是从人的视觉系统出发，用色调(Hue)、色饱和度(Saturat i on)和亮度(I ntens ity)来描述色彩，色调描述的是一种纯色(纯黄色、纯橙色或纯红色)的颜色属性，而饱和度是一种纯色被白光稀释程度的度量。对图像进行H(色调)单分量提取，最大程度保留了红色激光条纹和黑色背景物料的对比特征，既可以减少图像原始数据量，减少后续处理的计算量，提高实时性，又排除了饱和度和亮度的影响，为后续激光条纹的精确分割奠定了基础；所述平滑滤波处理是为了提高图像质量，消除采集图像的现场环境、图像采集设备给采集到的图像带来不同的噪声影响。本发明选用的是自适应中值滤波，其思想是根据噪声密度改变滤波窗口的大小，同时对噪声点和信号点采取不同的处理方法。对噪声点进行中值滤波，对信号点保持其灰度值不变。这种方法可以使未受脉冲噪声污染的点不用修改，很好地保护了图像的点、线等细节及边界信息；当检测到的噪声很强时，可自动增大窗口，提高了去噪能力，当检测到的噪声不是很强时，就不用增加窗口的大小，既体现出自适应性，又减少了时间开销，提高了速度。

上煤开始后，通过帧间差分法识别输送带载煤时运行情况，得到目标图像，即煤流量发生变化时刻的图像。

对目标帧图像进行预处理，即图像ROI提取、模型转换、平滑滤波处理，得到质量较高，噪声影响很小的灰度图片。

对预处理后的图像利用Otsu(大津)阈值分割算法，从背景煤物料区域中将激光条纹精确分割出来。

所述激光条纹分割方法采用的是Otsu(大津)阈值分割算法，从背景煤物料区域中将激光条纹精确分割出来，为后续对激光条纹中心线的提取奠定了基础。Otsu(大津)阈值分割算法核心思想是按照待处理灰度图像的等级，将图像分为特征区域与背景区域。该算法最明显的优势在于图像处理过程不会产生或产生极少的噪声，即二值图像中目标区域中并不包含或极少包含影响所载煤的横截面轮廓提取的部分。

对分割处理后的图像采用高斯曲线拟合法提取激光条纹中心线，得到所载煤的横截面的上轮廓线。

所述激光条纹中心线提取方法采用的是高斯曲线拟合法，该方法认为激光条纹的中点为激光条纹横截面光强分布的峰值点，利用峰值点附近的像素点坐标和灰度值拟合高斯曲线方程，求出激光条纹中心线。

图4示出了根据本发明一个实施例的输送带载煤时横截面面积计算原理图。如图4所示，根据所载煤的横截面上、下轮廓线采用积分法计算横截面面积，在t时刻所载煤的横截面面积S(t)为

式中：x

根据所载煤的横截面面积累积出单位时间内的相对体积，进而求出单位时间内的重量即上煤瞬时流量。

设输送带以带速v(t)运输煤物料，则S(1),S(2),…,S(n)为第1，2，…， n帧所载煤的横截面面积。图5示出了根据本发明第二实施例的上煤瞬时流量计算原理图，如图5所示t时刻，煤料流瞬时体积p(t)为

式中：f为相机帧率；v(t)为输送带带速。

则在t时间内，煤物料体积为

式中：n为单位时间内所载煤的横截面面积个数。

则在t时间内，煤物料重量为

M(t)＝ρ P(t)

式中：ρ为现场采集的煤料实际密度。

本发明的图像处理精度可达到像素级别。像素精度是指一个像素在真实世界中代表的距离，即拍摄视野/分辨率。

根据工业摄像机的选型和安装方式可计算出摄像机理想视野宽度，图6示出了根据本发明第二实施例的摄像机视野宽度计算原理图，如图6所示，xO

在本实施例中，工业摄像机安装高度H为1500mm，安装角度α为45°，拍摄视角β为46°，通过计算可得摄像机的理想视野宽度L约为1800mm。因此，计算可得本发明在平面上的像素精度优于1mm。

另外，还可计算出摄像机能拍摄到的最大高程，图7示出了根据本发明第二实施例的摄像机视野中最大高程计算原理图，如图7所示，图中xO

通过计算可得，在本实施例中摄像机能拍摄到的最大高程约为894mm。因此，可得本发明在高程上的像素精度优于0.5mm。

本发明提供的输送带上煤流量检测方法基于图像处理技术，相较于人工检测，不仅排除了人为主观因素的影响，还能够对检测的性能标准进行定量描述，提高检测效率和精度；本发明可将图像采集装置安装在上煤口附近，相较于皮带秤检测方式，可消除瞬时流量的滞后，实时性更好；另外图像采集装置只需要一个工业相机和一个“一”字线激光发射器，相较于激光扫描的方法，人工成本更低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。