钢丝绳芯输送带接头伸长量计算方法.pdf

第第44卷 第卷 第4期期 2018年年4月月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 4 Apr 2018 ; 科研成果t 令 _丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 丨 丨 ■ 令 _ 丨 1 丨 _ 令 _ 丨 丨 丨 令 文章编号671-251X201804-0008-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2017110052 钢 丝 绳 输 送 带 接 头 伸 长 量 计 算 方 法 李现国12， 张灿1， 张磊3， 申立芳1， 姜航旗1 1.天津工业大学电子与信息工程学院， 天 津 300387; 2.天津市光电检测技术与系统重点实验室， 天 津 300387; 3.山东新巨龙能源有限责任公司， 山 东 菏 泽 274918 摘要 针对钢丝绳芯输送带接头伸长判断方式单一、 伸长量计算复杂度较高的问题， 提出了基于X光图 像的钢丝绳芯输送带接头伸长量计算方法。通过直方图均衡化和均值滤波对图像进行预处理， 提高了图像 对比度， 有效解决了钢丝绳芯输送带图像灰度不均匀问题； 利用Sobel算子进行接头边緣检测和动态阈值处 理， 提取上下接头； 通过上下接头拟合直线斜率判断待检图接头和参考图接头是否一致， 从而判断接头是否 伸长； 根据上下接头的端点和拟合直线计算接头左右端最外侧长度和接头平均长度。测试结果表明， 该方法 计算速度快、 效率高， 可以方便、 准确地计算出接头伸长量。 关键词 钢丝绳芯输送带％接头伸长量％ X光图像； 接头提取； 接头长度； 边緣检测 中图分类号TD526 文献标志码A 网络出版时间018-03-29 15 7 网络出版地址Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180329. 1317. 001. html Calculation of joint elongation of steel cord conveyor belt LI Xianguo1’2，ZHANG Can1 ，ZHANG Lei3，SHEN Lifang1 ，JIANG Hangqi1 1. School of Electronics 2. Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and System’ Tianjin 300387, China; 3. Shandong New Dragon Energy Co. ’ Ltd. ’ Heze 274918, China Abstract In view of problems of single determination way and high computational complexity of joint elongation of steel cord conveyor belt’ a calculation of joint elongation of steel cord conveyor belt based on X-ray image was proposed. Histogram equalization and mean filter are used to pretreat image for improving image contrast and effectively solving the problem of uneven grayscale image of the steel cord conveyor belt. Sobel operators are used for joint edge detection and dynamic threshold process to extract upper and lower joints. Slope of fitting straight line of the upper and lower joints is used to determine whether the joint of the image to be checked is the same with the reference joint’ so as to judge whether the joint is elongated or not. Outermost length on the left and right ends of the joint and average length of the joint are calculated according to the end points and the fitting lines of the upper and lower joints. The experimental results show that the is computationally fast’ efficient and can calculate the joint elongation easily and accurately. 收稿日期收稿日期2017-11-27;修回日期修回日期2018-02-23;责任编辑 胡娴。责任编辑 胡娴。 基金项目 国家自然科学基金项目（基金项目 国家自然科学基金项目（51504164。。 作者筒介 李现国作者筒介 李现国（1981 ） ， 男 ， 山东邹城人， 副 教 授 ， 博 士 ， 主 要研究方向为工矿安全检测与监控、 光 电 检 测 技 术 与 系 统 ，） ， 男 ， 山东邹城人， 副 教 授 ， 博 士 ， 主 要研究方向为工矿安全检测与监控、 光 电 检 测 技 术 与 系 统 ，E-mail xgli0910 163. com。。 引用格式引用格式李 现 国 ， 张 灿 ， 张 磊 ， 等李 现 国 ， 张 灿 ， 张 磊 ， 等.钢 丝 绳 芯 输 送 带 接 头 伸 长 量 计 算 方 法 工 矿 自 动 化 ，钢 丝 绳 芯 输 送 带 接 头 伸 长 量 计 算 方 法 工 矿 自 动 化 ，2018,444-13. LI Xianguo， ZHANG Can， ZHANG Lei， et al. Calculation of joint elongation of steel cord conveyor belt[J]. Industry and Mine Automation,2018,444 ；； 8-13. 2 0 1 8 年 第 期李 现 国 等 钢 丝 绳 芯 输 送 带 接 头 伸 长 量 计 算 方 法 边缘检测边缘检测 图图1 Fig.1 cord conveyor belt based on X-ray image 2上下接头提取上下接头提取 使用Sobel算子进行边缘检测和动态阈值处 理 ， 结果如图2 所示。 〇 引言〇 引言 钢丝绳芯输送带具有运量大、 抗冲击力强、 抗拉 强度大、 能耗小等优点， E 应用于矿山、 电力、 冶 金等领域M。接头 钢丝绳芯输送带中抗拉 强度 、 最为薄弱的环节， 经常发生接头抽动故 如 口 果 时检 处理， 将 致重大 F事 必要的损失。接头抽动一般 为接头 度增加[46]。 ， 在钢丝绳芯输送带运 程中 检测接头伸长量可以预防 [79]。文献[10] 出用基于统计平均的方法检测接头搭接空档区域 的长度是否 ， 将空档 变化值的平均 为 接头 量， 但该方法要求接头搭接 规范， 而 实 际 上 接 头 达 到 这 种 要 求 。文 献[11-12]提出利用条件Y差分方法计算每根钢丝 绳芯搭接空档 量， 通过计算上下接头组成的线 对长度来检测接头空档变化量， 但对于现场采集的 图像， 有可能部分接头点 与之匹配的线对， 往往 需要人工剔除一些 ， 计算复杂度较高， 影响了其 实用性。文献[13]提出 基 于X光图像的钢丝 绳芯输送带接头抽动检测方法， 采 用Retinex方法 强图像， 利用每层接头点与 合直线的距离作 为接头抽动的判 ， 但该方法接头 判断方 式比较单一。 本文提出一种基于X光图像的钢丝绳 芯输送带接头 量计 接头抽动综合判断方 法 ， 利用接头上边缘端点和下边缘端点， 通过计算上 下接头拟合直线斜率、 接头左右端最外侧长度及基 于上下接头 端点的平均长度， 实现对接头伸长 量 的计 接 头 动 的 合 判 。 1图像预处理图像预处理 基于X光图像的钢丝绳芯输送带接头伸长量 计算流程如图1 所示。 由于X光强度分布、 探测器自身的稳定性或其 他因素， 采集到的钢丝绳芯输送带X光图 干扰 度 致等 [1415]， 给接头 量计 的困难， 需要对 到的 图像进行 处 ， 高 图 量 ， 出 接 头 。 文 方图均衡化的方法进行图 强， 提高了钢丝绳芯 送带X光图像的对比度， 使图 对中心横坐标最小的矩形区域与动态 处理后的 ， 得到接头上 端点， 这 些上边缘端点组 上接头的 轮廓。用类似方 法处 端点， 对中心横坐标最大的矩 与 动 处 后 的 ， 到 接 头 下 端 Key words steel cord conveyor belt; joint elongation; X-ray image; joint extraction; joint length; edge letection 基 于基 于X光 图 像 的 钢 丝 绳 芯 输 送 带 接 头光 图 像 的 钢 丝 绳 芯 输 送 带 接 头 伸 长 量 计 算 流 程伸 长 量 计 算 流 程 Calculation flow of joint elongation of steel 10 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 点， 这些下边缘端点组成了下接头的整体轮廓。上 下接头提取结果如图3 所示。 图图3上 下 接 头 提 取 结 果上 下 接 头 提 取 结 果 Fig. 3 Extraction result of upper and lower joints 3接头伸长量计算接头伸长量计算 3.1 接头伸长判断 图 3 可以看出， 钢丝绳芯输送带上下接头点 是 2 组离散的点， 并且这些点大致呈直线 ， 分别 对这2 组离散点 小二 线拟合。对于同 接头， 如果接头 发 ， 待检图接头 1考 图接头 样的， 得到的上下接头拟合直线斜率也 基 致[15]。因此， 可以通过上下接头拟合直线斜 率判 检图接头 图接头是否一致。 小二 线拟合， 即利用离散分布且总 体呈直线 的坐标点 出直线 。设上接头 线 方程和下接头直线 方程分别为3 1 aixh， 32二心尤 2， 上接头点坐标为（ ；， 3 “ 0，1，，w 1，其中w为上接头 点的总数， 下接头点坐标为（ 〜， “ 0， 1， ， 肌一1， 其中肌 为下接头 总数） 。以求上接头拟合直线为例， 定 项为 Sa1，， yt a1x bx 2 1 最小二乘法要求S达到最小值， 需要满足的条 件为一 ， 从而得出 “1 1 , 1 , 1 w w _ , 1 解式（ 2可得 xy x t y t a1 已⑶已⑶ w x2 x “ , 1 , 1 x yl- xi x yl b ，，1 w ，，1 4 wx x “ , 1 , 1 求出“1和b，，也即求出了上接头拟合直线31。。 同理可求出“2，，b2 及下接头拟合直线32。。 检图 图上下接头的变化可判断接头是否伸 。。如果待检图“1 图的“1 同， 则表 明上接头发 变化如P果待检图“2 图的 “2 同， 则表明下接头发 变化。。 3.2 接头左右端最外侧伸长量计算 于接头包含 点， 需要结合接头的所 有像素点求出接头平均 量。从实际 ， 钢 丝绳芯输送带接头 端最外 易损伤， 会引起 端最外 度发生变化， 所以， 程度上来 说 ， 计算钢丝绳芯输送 端最外侧的 量， 也 能表明钢丝绳芯输送带接头发 变化， 且接头左 端最外侧长度人工测量也方便。记钢丝绳芯输送 带上接头为卩（xz，yz， 下接头为D， ， 左右两 端长度分别为Lz和LY， ， 点间长度计算公式 可 Lz 槡x〇 5 〇2 2 y〇 〇2 5 Ly ，， V xw 1 12 2 yw 1 * 12 待检图接头与参考图接头 端长度的差值 即 为 接 头 端 外 量 。。 3 . 3接头平均长度计算 为 接头长度及伸长量， 需要求出上 接头中像素点到下接头拟合直线的平均 、 下接 头中 点到上接头拟合直线的平均 、 接头平 均长度及相应的 量 ， 如下。 1 以上接头每 点 xz，，yz为起点向正 方向作垂直线，，设其与直线y2 的 点 为 3 九 ， ％ ， ， 则 U x，，yz到下接头的 LMU |4「x |。。 2 求LM U的平均值LMU，，即上接头中像素点到 下接 头 合 线 的 均 。。 3 以下接头每个像素点D， ,） 为起点向负 方向作垂直线， 设其与直线y1 的交点为N心）） ， 则D ， ） ） 到上接头的长度LD N | q |。 4 求[8的平均值Ldn。。 5 的钢丝绳芯输送带接头通常满足 LmuLn，，当接头发生变化之后，，往往LmuLdn，， 因此， 求Lmu和Ldn的平均值Q作为钢丝绳芯输送 接 头 的 均 度 。。 6 图 图接头Q值的差值，，即为 接 头 的 量 。。 4测试及结果分析测试及结果分析 选某矿不同时间拍摄的钢丝绳芯输送带3 号接 “1 b1 x y ， 1 w y 2 2 0 1 8 年 第 4 期李 现 国 等 钢 丝 绳 芯 输 送 带 接 头 伸 长 量 计 算 方 法 11 头进行测试， 处理结果如图4 所示。图 4a拍摄于 据见表1， 其中到下接头的平均长度和到上接头的 2014年 9 月 2 6 日， 作为 图； 图 4b 于 均长度分别指以上接头为起点 的平均长度、 2015年 1 月 1 4 日， 作为待检图。 接头测量 以下接头为起点求得的平均长度。 “ 参考图原始图“ 参考图原始图b 待检图灰度图待检图灰度图 “ 参考图上下接头的拟合直线斜率参考图上下接头的拟合直线斜率d 待检图上下接头的拟合直线斜率待检图上下接头的拟合直线斜率 以参考图下接头为起点到上接头的平均长度以参考图下接头为起点到上接头的平均长度 k 参考图接头的平均长度参考图接头的平均长度 Fig. 4 Treatment results of No. 3 joint 从 表 1 可以看出， 在经过几个月之后， 钢丝绳芯 输送带接头左右端最外 度发生了变化， 接头左 以待检图下接头为起点到上接头的平均长度以待检图下接头为起点到上接头的平均长度 待检图接头的平均长度待检图接头的平均长度 图图4某 矿 钢 丝 绳 芯 输 送 带某 矿 钢 丝 绳 芯 输 送 带3号 接 头 处 理 结 果号 接 头 处 理 结 果 steel cord conveyor belt in a certain mine 端最外侧长度变小， 接头右端最外侧长度变大， 上下 接头 发 变化， 接头平均长度也发生了 12 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 表表1接 头 测 量 数 据接 头 测 量 数 据 Table 1 Joint measurement data 测量对象测量对象 参考图参考图待检图待检图 差值差值 上接头斜率上接头斜率0. 0950.1010.006 下接头斜率下接头斜率0. 0950.1010.006 左端长度左端长度/mm223. 14222.230.91 右端长度右端长度/mm219. 15221.382.23 到下接头的到下接头的 平均长度平均长度/mm 219.79219.890. 06 到上接头的到上接头的 平均长度平均长度/mm 219.79219.810.02 接头的接头的 平均长度平均长度/mm 219.79219.830.04 细微变化。这些值和用其他图像处理软件通过人工 辅助测量的方式获得的结果一致。但由于这些变化 都比较小， 从钢丝绳芯输送带的外表面观察， 无法看 出这些细微的变化。 在 3 2b it操作系统、 主频为2. 50 G H z的双核 InterR Core i5- s2450M 处理器、 内存为 4 GB 的 计 算 机 上 用 所 提 方 法 进 行 测 量 ， 测量时间为 470 ms,与人工测量方式相比， 大大缩短了获取钢 丝绳芯输送带接头伸长量的时间。 5结语结语 对基于X光图像的钢丝绳芯输送带接头伸长 量计算方法进行了研究。采用直方图均衡化方法提 高图像对比度； 采 用Sobel边缘算子进行边缘检测 并提取接头边缘信息， 通过区域连通分割提取接头 上下边缘端点信息； 通过计算和比较待检图与参考 图边缘拟合直线斜率、 接头左右端最外侧长度及接 头平均长度来综合判断接头是否伸长。用该方法得 出的钢丝绳芯输送带接头伸长量计算结果和人工辅 助测量结果一致 ， 运行时间为470 ms,验证了该方 法可以方便、 准确地计算出接头伸长长度并综合判 断接头是否出现抽动故障。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References [ 1 ]马 宏 伟 ， 毛 清 华 ， 张 旭 辉马 宏 伟 ， 毛 清 华 ， 张 旭 辉.矿 用 强 力 带 式 输 送 机 智 能矿 用 强 力 带 式 输 送 机 智 能 监 控 技 术 研 究 进 展监 控 技 术 研 究 进 展[ J ] .振 动 、 测 试 与 诊 断 ，振 动 、 测 试 与 诊 断 ，2016, 362213-219. 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