李升林

甘肃靖远煤电股份有限公司，甘肃白银，730913

0 引言

带式输送机是煤矿生产现场作业广泛应用的基础设备，输送机的稳定运作是保证煤矿生产安全与效率的关键。但受煤矿生产现场作业环境复杂的影响，带式输送机在使用过程中容易出现输送带跑偏和堆煤故障，影响安全生产效率。因此，为有效提高煤矿带式输送机运行的可靠性、安全性以及灵敏性，充分防范带式输送机出现输送带跑偏和堆煤故障，本文主要开展基于三维点云的带式输送机跑偏及堆煤监测技术应用研究。

1 带式输送机应用现状分析

随着我国社会经济的持续稳步发展，我国对煤矿资源的需求程度也在逐渐提高，对于现阶段的带式输送机应用场景而言，主要是在煤矿的生产过程中。为进一步加强我国煤矿行业的产能，带式输送机也逐渐朝向高速度、长距离以及大运量的方向发展。在带式输送机发展背景下，增加了带式输送机在实际运行过程中出现跑偏、堆煤等相关故障的概率，而所造成的影响也在逐渐提高[1]。因此，为有效降低带式输送机在运行期间出现跑偏及堆煤等相关故障的概率，则需要结合实际情况，以行之有效的措施对此类故障进行全方位、多角度的监测，以此为带式输送机的安全、稳定运行提供可靠保障，减少设备及配件在运行期间的损耗，提高设备的实际使用寿命。通常情况下，会在带式输送机中安装接触式传感器，以此监测其在实际运行期间所出现的跑偏及堆煤故障，例如通过水银开关、行程开关等相关触碰式传感器实现对带式输送机堆煤故障的监测，而对带式输送机的跑偏故障则选择使用立辊式跑偏检测装置进行监测[2]。然而，随着煤矿行业的持续发展，目前煤矿作业环境日渐复杂，上述相关的接触式检测方式已经无法有效适用于当前的煤矿作业环境中，无论是在可靠性、灵敏性还是耐用性等方面，均无法切实满足当前煤矿的安全生产标准与相关要求[3]。

2 三维点云技术对带式输送机跑偏及堆煤监测的重要性分析

随着我国科技的不断进步，在图像处理、图像分析等相关先进技术的加持下，带式输送机跑偏及堆煤故障监测技术也逐渐朝向图像处理方向发展。在带式输送机的传送带跑偏故障检测方面，较为经典的监测技术有霍夫线变换、Canny算子提取带式输送机输送带边沿，通过图像识别技术对带式输送机输送带边沿变化情况进行动态化识别，将实时情况与正常情况进行对比分析，从而达到监测带式输送机是否出现跑偏故障的效果，另外，也可以通过识别托辊和输送带边沿的相对位置关系，实现对带式输送机跑偏故障的监测效果[4]。而对于带式输送机在堆煤方面的故障监测而言，较为经典的方式是利用图像识别技术，对图像整体区域中所存在的物料体积进行分析，根据图像区域中物料体积占整体区域的比例判断带式输送机是否出现堆煤故障，另外，也可以利用条形光源将物料表面照亮，而后通过视频终端设备采集照亮后的物料轮廓，以此作为计算煤矿流量体积的依据，并判断是否出现负载现象。

在图像处理过程中，其微观对象主要是指图像中像素值，而带式输送机在实际运行前会根据其自身型号、特点以及功能等，应用于不同的煤矿作业场景中，这会导致带式输送机中的图像采集终端设备在面对不同光线条件的图像采集环境时出现识别失误问题。除此之外，带式输送机中的输送带上若存在污渍，则会干扰图像采集终端设备对颜色信号的接收质量，从而影响图像处理效果，最终也会产生识别失误问题。

三维点云的应用原理是基于三维空间角度，实现对物体周边及自身空间点的采样效果，而后通过专业算法对所采集的具有离散性分布特点的空间点进行分析与排列组合，最终实现提取物体形态特征并得到所采集物体表面上的数据信息。与图像处理技术中所产生的数据信息相比，三维点云数据信息能够有效将被采集物体的位置信息、形状等相关条件进行精准、清晰的反馈，能够有效避免因采集环境中存在颜色信息污染而导致的识别错误问题。因此，可以结合实际情况，基于三维点云形成有效针对带式输送机中跑偏及堆煤故障的监测技术，以此切实降低相关工作人员在实际工作中的劳动强度，并切实提高带式输送机在运行期间的稳定性、安全性以及可靠性。

3 带式输送机跑偏及堆煤监测系统分析

为有效凸显三维点云在带式输送机跑偏及堆煤故障监测中的优势与作用，则需要结合实际情况，利用多元化终端设备丰富带式输送机在实际运行期间的终端监测渠道，如速度传感器、线激光双目相机、变频器、PLC、计算机一级触摸屏等相关设备[5]。三维点云应用的基础条件是需要科学合理地应用终端设备，在带式输送机的空间中搭建空间直角坐标系，即利用线激光双目相机的连接线中心点作为直角坐标系的原点o，而空间直角坐标系的x、y、z则分别取带式输送机的输送带运行方向、带式输送机的输送带宽度方向、带式输送机的输送带高度方向，以此形成oxyz的空间直角坐标系。带式输送机在实际运行过程中，下方传输带表面会受到线激光双目相机中激光发射器照射，照射形式为一字线激光，而后基于带式输送机的输送带宽度方向形成一条激光线。通过线激光双目相机的双目视差原理实现深度测量效果，以此确保在带式输送机实际运行过程中，以时间为变量高频、持续、实时状态获取内容，获取内容为激光投射线上约1500个点的带式输送机的传输带高度数值与宽度数值[6]。为有效测量带式输送机的输送带实际运行期间的速度数值，并确保所采集的数值具有一定的参考性、真实性以及完整性，则可以将光电式速度传感器安装至带式输送机的输送带回程段中。

通过上述方式能够有效获取以时间和速度为变量的各点x轴坐标值，且随着带式输送机的实时运行，线激光双目相机与带式输送机的输送带运行方向会形成相对关系，以此实现基于线激光双目相机对输送带的线扫描效果，将扫描后的结果上传至计算机终端，并动态化生成点云数据[7]。计算机中软件通过专业算法对点云数据进行分析与处理，从而实现对带式输送机跑偏及堆煤故障的实时监测效果，利用三维点云对带式输送机跑偏及堆煤进行监测，可以有效屏蔽实际监测过程中所产生的颜色信息，实现仅对带式输送机的输送带形状信息进行采集、保留以及分析的效果。与图像处理方式相比，三维点云在实际应用过程中具有更强的抗干扰性能，能够在一定程度上无视因煤矿作业环境中光线变化而造成的数据信息采集干扰现象，可以有效用于作业环境较为恶劣的煤矿场景中。

4 基于三维点云的带式输送机跑偏监测原理

4.1 点云数据片段采样

对于线激光双目相机而言，它在实际运行与数据信息采集过程中具有密集性、高频率特点，因此所生成的点云数据信息体量会很大，若计算机设备性能不足则会对带式输送机跑偏监测工作的实时性、稳定性等造成影响，因此需要相关人员结合实际情况，在充分考虑经济性、性能、实用性等相关因素的前提下，科学合理地选择计算机设备。除此之外，为进一步降低计算机设备在处理点云数据期间的压力，则可以在合理范围内利用间隔扫描方式对点云数据进行采样。首先需要对带式输送机的输送带具体情况进行分析，确保提取带式输送机的输送带运行方向中的有效、有限长度内的点云数据片段，并进行实时分析，这样通过降低被提取物体体积而减少点云数据，从而缓解计算机设备运行压力，以此切实保障点云数据采集与分析期间的实时性与可靠性。为确保点云数据片段采样的有效性，则需要结合实际情况以下述公式明确每次连续采样帧数数值，假定系统采样长度l=0.15m、带式输送机的输送带以恒定速度运行且运行速度为v、线激光双目相机帧率为f、连续采样帧数数值为C，则。

4.2 多余点云信息滤除

在点云数据信息实际获取过程中，点云信息会根据线激光双目相机安装位置的变化而变化。若所安装线激光双目相机的位置会导致其投射的激光线无法有效抵达托辊轴线的正上方位置时，由于该处输送带正下方没有托辊支撑，会在一定程度上放大煤流质量等相关因素的影响，从而导致扫描、采集后的点云图像数据信息存在较为明显的形变现象，进而对带式输送机跑偏及堆煤故障监测效果造成干扰，为有效避免此类干扰的出现，则需要结合实际情况，通过在有效排除其他干扰因素的前提下，确保线激光双目相机的安装位置能够使所发射的激光有效投射于托辊轴线的正上方位置[8]。

5 煤矿输送机中输送带堆煤监测技术原理

通常来说，煤矿输送机在实际运行作业过程中，若后一级带式输送机的运行速度低于前一级带式输送机运行速度，便会产生堆煤故障问题，使得后一级带式输送机中某一横截面的煤流量越来越大，最终煤流会逐渐溢出输送带，并引发相关安全问题，影响煤矿生产作业效率与质量。实际上，煤矿输送机正常运行作业时，煤流高度与宽度会始终保持在合理范围内，但堆煤故障问题出现后煤流的高度与宽度会增加，因此，针对此故障问题引起的煤流变化，可以通过煤流等效高度概念进一步综合评价堆煤状态，将收集到的点云数据片段进行进一步分析处理，在输送带宽度方向，即Y轴上每帧1500个点中等间距选取200个点，把这些数据点在输送带高度方向（Z轴）上进行标记，如Zq（q=1,2,3...200），通过计算这些数据点在Z轴坐标平均值，能够得出等效高度[9]。在此基础上，对其空载状态下的数据信息做相同处理，能够获得空载时的等效高度，通过进一步计算能够获取煤流等效高度。通过数据对比能够进一步判断其是否发生堆煤故障[10]。

6 结语

综上所述，煤矿安全生产是保证煤矿行业高质量发展的基本条件，带式输送机是煤矿生产现场作业常用的机械设备，该设备在长期运行作业过程中容易出现输送带跑偏和堆煤故障问题，影响煤矿安全生产效率与质量。而且，传统的输送带跑偏和堆煤监测技术存在一定的误差，容易受到图像色彩信息的影响导致监测数据结果失准。因此，为有效保证带式输送机运行作业的可靠性、安全性以及灵活性，降低输送带跑偏和堆煤故障发生概率，相关工作人员需不断强化对煤矿带式输送机跑偏及堆煤监测技术研究。基于三维点云的带式输送机跑偏及堆煤监测技术应用能够有效减少传统图像处理监测技术受图像色彩信息的干扰，该监测技术更为适用于较为恶劣的煤矿生产现场作业环境，且能够实现对输送带跑偏及堆煤情况的实时监测，进而提高煤矿安全生产效率与质量，促进其高质量发展。