基于图像识别的煤岩界面识别方法研究.pdf

第3 9 卷第2 期 2 0 1 1年 2月 煤 炭 科 学 技 术 Co a l Sc i e n c e a n d Te c hn o l o g y Vo 1 ．3 9 No ． 2 Fe b． 2 01 1 基 于图像识别 的煤岩 界面识别方法研 究 孙 继 平 中国矿业 大学 北京 煤炭资源与安全开采 国家重点实验室 ，北京1 0 0 0 8 3 摘要 采掘工作面是煤矿事故多发地点。减少煤矿采掘工作面作 业人员既是煤矿安全生产的需 要 ，又是减轻作业人 员劳动强度和 改善作业环境 的需要。煤岩界面识别是实现无人采煤的关键技术 之一。研 究了用于无人采煤工作面等的煤岩界面识别方法，指 出了现有煤岩界面识别方法存在 的问 题。提出了基于可见光图像和红外图像识别 的煤岩界面识别方法提取色彩、灰度、纹理 、形状等 图像特征 ，进行煤岩界面识别。并提出了基于 图像识别的多参数信息融合煤岩界面识别方法。 关键词 煤岩界面识别 ；图像识别 ；信息融合；无人工作 面；信息化； 自动化 中图分类号T D 6 7 文献标志码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 1 1 0 2 - 0 0 7 7 - 0 3 S t u dy o n I de nt i fie d M e t h o d o f Co a l a nd Ro c k I nt e r f a c e Ba s e d o n I ma g e I d e nt i fic a t i o n S UN j i p i n g S t a t e K e y L a b ofC o a l R e s o u r c e s a n d S a f e t y Mi n i n g，C h i n a U n i v e r s i t y of Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e j i n g 1 0 0 0 8 3， C h i n a Abs t r ac tTh e mi ni n g a n d e x c a v a t i o n f a c e s a r e t he p l a c e s o f ma ny mi ne a c c i d e nt s o c c ur r e d o f t e n ．The o pe r a t i o n p e r s o nn e l nu mb e t o be r e d u c e d i n t h e mi n i n g a n d e x c a v a t i o n f a c e s o f t h e mi n e wo u l d b e t h e r e q u i r e me n t s o f t h e mi n e s a f e t y p r o d u c t i o n a n d wo u l d b e t h e r e q u i r e me n t s t o r ed u c e t he l a b or i n t e n s i t y o f t h e o pe r a t i o n pe r s o nn e l a nd t o i mpr o v e t h e o p e r a t i o n e n vi r o n men t ．Th e i de n t i fic a t i on o f t h e c o a l a n d r o c k i nt e rfa c e wo u l d b e o ne o f t h e ke y s t o h a v e a n un ma nn e d c o a l mi n i ng ．The p a pe r ha d a s t ud y o n t h e u mn a nn e d c o a l mi n i ng f a c e a n d t he c oa l a n d r o c k i n t e rfa c e i de n t i fie d me t h o d a nd p o i nt e d o u t t he pr o bl e ms e xi s t e d i n t h e p r e s e nt c o a l a n d r o c k i n t e rfa c e i d e n t i fie d me t h o d． The p a pe r p r o v i de d t h e c o a l a nd r o c k i nt e rfa c e i d e nt i fie d me t ho d ba s e d o n t h e v i s i b l e l i g h t i ma g e a nd i n f r a r e d i ma g e i de nt i fic a t i o n．The c o l o r ，g r e y s c a l e，g r a i n，s h a pe a nd o t he r i ma g e f e a t u r e s s ho ul d b e e x t r a c t e d f o r t he c o a l a n d r o c k i n t e rfa c e i d e n t i fic a t i o n．Th e p a p e r p r o v i d e d t h e c o a l a n d r o c k i n t e rfa c e i d e n t i fi e d me t h o d i n t e gra t e d w i t h mu l t i i n f o r ma t i o n b a s e d o n t h e i ma g e i d e n t i fi c a t i o n ． Ke y wo r d s i d e n t i fi c a t i o n o f c o a l a n d r o c k i n t e rfa c e；i ma g e i d e n t i fi c a t i o n；i n f o rm a t i o n i n t e g r a t i o n； u n ma n n e d c o a l mi n i n g f a c e ；i n f o r ma t i z a t i o n；a u t o ma t i o n 1 概 述 采掘工作面是煤矿事故 多发地点。2 0 0 9年全 国煤矿发生 6 8起一 次死亡 3人及 以上瓦斯事故 ， 其 中采掘工作面 发生 4 5起 ，占 6 6 ． 2 ％ ；2 0起 一 次死亡 3人及 以上水灾事故 中 ，采掘工作 面发生 1 4起 ，占 7 0 ％ ；1 6起 一次死 亡 3人 及 以上顶 板 事故 中，采掘工 作 面发 生 1 1起 ，占 6 8 ． 8 ％。因 此 ，有必要通 过 煤矿 机 械化 、 自动 化和 信息 化 ， 减少煤矿采掘工作面作业人员 J 。减少煤矿采 掘 基金项目国家 自然科学 基金资助项 目 5 1 0 7 4 1 6 9 ；教育 部博 士 点基金 资助项 目 2 0 0 8 0 2 9 0 0 0 0 8 ，2 0 0 9 0 0 2 3 1 1 0 0 0 8 工作 面作业人员既是煤矿安全 生产 的需 要 ，又是 减轻作业人 员 劳动强 度 和改善作 业环 境 的需要 ， 特别是薄煤层作业人员 。煤矿信 息化与 自动化 是 煤矿安全生产 的重 要保 障 J 。近年来 ，煤 矿 安 全监控 J 、煤 矿 井下 人 员 位置 监 测[ 4 - 5 , 8 - 9 ] 、煤 炭 产 量 远 程 监 测 ， m 、全 矿 井 移 动 通 信 川 、 无人值守远程监 控技术 及 系统取得 了突破和快 速发展 ，在 煤 矿 安全 生 产 工作 中发 挥 着 重要 作 用 。实现了煤矿井 下机 电硐 室 、压 风机房 、水泵 房 、输送带等岗位无人 值守远 程监控。实现 了采 煤工作面有人巡视条件 下的 回采巷道遥 控和记忆 割煤 ，但不能 自动识别煤 岩界 面 ，不能 实现工作 面无人控制 。因此笔者分析 了 目前煤岩界 面识别 77 2 0 1 1 年第2 期 煤 炭 科 学 技 术 第3 9 卷 技术研究现状 ，提 出了基于 图像识别 的多信 息融 合煤岩界面识别 方法 ，以提高煤岩界 面识别 的正 确率和适用范围。 2 煤 岩界面识 别技术研 究现状 煤岩界面识别是采煤工作 面无人开采 的关键 技术之一 。通过煤岩界面 自动识别 ，及时调整采 煤机滚筒截割高度等 ，这既能减 少丢煤 、提 高资 源采 出率 ，又 能减 少 截 割岩 石 、降低 煤 中含矸 量 、提高运输效率 ；同时可减少 由于截割岩石对 截齿等磨损 和破坏 ，也能避 免截割岩石所产生 的 危险温度引爆瓦斯 。因此 ，需要研究煤岩界 面识 别等技术 ，实现无人工作面地 面遥控 。世界各 主 要产煤 国都 十分重视煤 岩界 面识 别方法 的研 究 ， 提出了 射 线探 测 法 、雷 达探 测 法 、红 外探 测 法 、有功 功率 监 测 法 、震 动 检 测法 、声 音 检测 法 、粉尘检测法等。 1 - y 射线探测法 。岩石 中放射性元素含量一 般比煤炭高很多。岩层放射性辐射穿透煤层后 ， 其辐射强度 随煤层厚度 的增加 而减 小。因此 ，通 过检测经煤层衰减后 的 射线 强度 ，即可测算 出 顶底板煤层厚度 。该方法具有无放射源 、便于管 理 、非接触测量 、不易损坏等优点 ；但不适用于 放射性元素含量较低 的岩层 和煤层 中夹矸 较多等 情况 他 ] 。 2 雷达探测法 。由于煤炭与岩石介质 不 同， 当电磁波穿透煤层时 ，在煤 岩界 面上会发生 电磁 波反射 。反射波滞后时间除与煤 、岩层介质等可 测因素有关外 ，还与煤层厚度有关 。因此 ，通 过检测反射波滞后时间可测算 出煤层厚度 。该方 法具有不需要预先测取煤岩物理特性 、适用范 围 广等优点 ，但存在着当煤 层厚度增加 时，信号衰 减严重 ，难 以检测等 问题。 3 红外探测法 。由于煤炭与岩石普氏系数等 物理特性 不 同，采 煤机 截 割 时产 生 的温 度 也不 同。因此 ，采用红外探测法 检测采煤机滚筒截齿 温度 ，即可测算出煤岩界 面 。该方法 只有截割 到岩石时 ，才能测算出煤岩界面 。当煤炭与岩石 普氏系数相近时 ，即使截割到岩石 ，也很难测算 出煤 岩 界 面 。 4有功功率监 测法 。在单 位时 间 内截 割量 等不变的情况下 ，被截割物越硬 ，所 需要的有功 7 8 功率越大。因此 ，通 过检测有功功率 ，即可测算 出煤岩界面 。该方法要求煤炭与岩层普 氏系数 等差异大 ，并且只有截割到岩层时 ，才能测算 出 煤岩界面。 5 震动检测法 。由于煤炭 与岩层 普 氏系数 等不 同，采 煤机 截 割煤 炭 和岩 层 时震 动频 谱 不 同。因此 ，通过检测震 动频谱 ，可测算 出煤岩界 面 。该方法 同样要求煤炭与岩层普 氏系数等差 异大 ，并且只有截割 到岩层 时 ，才 能测算 出煤 岩 界 面 。 6 声音检测 法。 由于煤 炭 与岩石 密度等不 同，落在刮板输 送机 中部 槽 发 出的声音也 不 同。 因此 ，通过检测煤炭或岩石撞击 中部槽发 出的声 音 ，可测算出煤岩界面 。该方法要求煤炭与岩 石介质差异大 ，只有截割到岩层并且有岩石撞击 到 中部槽时 ，才能测算 出煤岩界面 。 7 粉尘检测 法。采 煤 机截割 煤炭 时会产生 煤尘 ，截割岩石 时会 产生岩尘。因此 ，通过检测 粉尘 ，可测算 出煤岩界面 。该方法只有截割到 岩石时 ，才能测算 出煤岩界面 ，并且受 已有粉尘 影 响 。 3 基 于图像识别 的 多信 息 融合煤 岩界 面识 别 方法 3 ． 1 基于可见光 图像 识别的煤岩界面识别方法 煤 的种类主要有褐煤 、烟煤 、无烟煤 ，烟煤 又分 为贫煤 、贫 瘦 煤 、瘦 煤 、焦 煤 、肥煤 、1 ／ 3 焦煤 、气肥 煤 、气 煤 、1 ／ 2中黏煤 、弱黏 煤 、不 黏煤 、长焰 煤 等 。煤层 的顶底 板 岩 石主 要 有 泥 岩 、页岩 和砂 岩。煤 的颜 色 、光泽 、纹理 、断 口 形状等 与顶底 板 岩 石 明显 不 同。并 且 同一 煤层 或岩层 的颜 色、光泽 、纹 理 、断 口形 状等特 征基本相 同。因此 ，笔者提 出通过实 时摄取煤 岩 图像 ，提取其 图像 特 征 ，识 别煤 岩界 面 的方法 。 基于可见光图像识别 的煤岩界面检测方法 又分 为 黑白图像和彩色图像 2种。黑白图像特征主要有 灰度 、纹 理 、形 状 等。彩 色 图像 特 征 主 要 有 色 彩 、灰度 、纹理 、形状等 。 3 ． 2基于红外图像识别的煤岩界面识别方法 煤炭与岩石 的红外 图像具有不 同的特征。因 此 ，笔者提出通过实 时摄取煤岩 红外 图像 ，提取 其图像特征 ，识别煤岩界 面的方 法。基 于红外 图 孙继平 基 于图像识 别的煤 岩界面识 别方法研究 2 0 1 1 年第 2期 像识别 的煤岩界面检测方法又分 为主动红外 图像 和被动红外图像 2种 。 3 ． 3 基于 图像 识别 的多参数 信息 融合 煤岩界 面 识 别方 法 为满足不同煤岩界 面识 别的需求 ，笔者 提 出 基于可 见光 图像 识 别 、红外 图像 识 别 、 射 线 、 雷达 、红外 、有功功率 、震 动 、声音 等多参数 信 息融合 煤 岩 界 面识 别 方 法。根 据 不 同 的煤 岩 介 质 ，采用 专 家 系 统 、神 经 网络 、模 糊 数 学 等 方 法 ，建立相应 的辨识模型。 4 结 论 采掘工作 面是 煤矿事故 多发地点 。因此 ，要 通过煤矿机械化 、 自动化和信息化 ，减 少煤矿采 掘工作面作业人员 。煤岩 界面识 别是采煤 工作 面 无人开采的关键技术之 一。通 过煤岩界 面 自动识 别 ，及时调整采煤机滚筒截 割高度 等 ，既能减少 丢煤 、提高资源采 出率 ，又能减少截 割岩石 、降 低煤中含矸量 、提高运输效 率 ；既能减少 由于截 割岩石对截齿等磨损 和破 坏 ，又能避免截 割岩石 所产生的危 险温度 引爆 瓦斯。 射线探 测法 、雷 达探 测法 、红外探测法 、有 功功率 监测法 、震 动 检测法 、声音检测法 、粉尘检测 法等煤岩界 面识 别方法 ，存在着适 用范 围小 、识别 正确率低 等问 题 。笔者提出的基 于 图像 色彩 、灰度 、纹 理 、形 状等特征的煤岩界 面识别方法和基 于图像识别 的 多参数信息融合煤 岩界面识别方 法 ，有助于提 高 煤岩界面识别 的正确率和适用范 围。 参 考文献 孙继平 ．屯兰矿“ 2 2 2 ”特 别重 大瓦斯 爆炸 事故 原 因及 教训[ J ] ．煤炭学报 ，2 0 1 0，3 5 1 7 2 7 5 ． 孙继平 ．煤矿 自动 化与信息 化技术 回顾 与展望 [ J ] ．工 矿 自动化 ，2 O 1 0 6 2 6 3 0 ． 孙 继平．煤 矿 物联 网特点 关键技 术 研 究[ J ] ．煤 炭学 报 ，2 0 1 1 ，3 6 1 1 6 7 1 7 1 ． 孙继平 ．煤矿安全生 产 监控 与通 信技 术[ J ] ．煤炭 学报 ， 2 0 1 0，3 5 1 1 1 9 2 5 1 9 2 9 ． 孙继平．煤 矿井下 安 全避 险 “ 六 大 系统 ” 的 作用 和 配置 方案 [ J ] ．工 矿 自动化 ，2 0 1 0 1 1 1 4 ． 孙 继平．煤矿 安全监 控技 术与 系统 [ J ] ．煤 炭科 学技 术 ， 2 0 1 0，3 8 1 0 1 - 4 ． 孙 继平煤 矿安 全 监控 系统 联 网技 术研 究[ J ] ． 煤炭 学 报 ，2 0 0 9，3 4 1 1 1 5 4 6 一 l 5 4 9 ． [ 8 ] 孙继 平．煤 矿井下人 员位置监测技术 与系统 [ J ] ．煤炭科 学技 术 ，2 0 1 0，3 8 1 1 1 - 4 ． [ 9] 孙继 平．煤 矿井下人员位 置监测 系统 联网 [ J ] ．煤 炭科 学 技术 ，2 0 0 9，3 7 1 1 7 7 7 9 ． [ 1 0 ] 孙继平 ．煤炭产量远 程 监测 与防作 弊技 术[ J ] ． 工矿 自 动化 ，2 O l 0 9 1 2 9 一 l 3 2 ． ． [ 1 1 ] 孙 继 平． 矿 井 通 信 技 术 与 系 统[ J ] ． 煤 炭 科 学技 术 ， 2 0 1 0．3 8 1 2 1 3 ． [ 1 2 ] 任芳 ，杨 兆建 ，熊诗 波． 国 内外 煤 岩界 面识别 技术 研 究 动态综述 [ J ] ．煤 ，2 0 0 1 ，1 0 4 5 4 5 5 ． [ 1 3 ] 任芳 ，熊 晓燕 ，杨兆 建．煤 岩界 面识 别 的关键 状态 参 数[ J ] ．煤矿机 电 ，2 0 0 6 5 3 7 3 9 ． [ 1 4] I J l X u， GU T a o ．N e w T e c h n i q u e o f D i s t i n g u i s h i n g R o c k fr o m C o a l B a s e d o n S t a t i s t i c a l A n a l y s i s o f Wa v e l e t T r a n s f o r m [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e S P I E Th e I nte r n a t io n a l S o c i e t y f o r Op t i c a l E n g i n e e r i n g ，v 7 3 4 3，p 7 3 4 3 0 A 1 0 ， 2 0 0 9 ． 作者 简介 孙 继 平 1 9 5 8 一 ，男 ，山西 翼 城人 ，教 授 ，博 士 生导师 ，博 士 ，现任 中国矿业大 学 北京 副校长 ，长 期从 事 煤 矿安全 生产 监控与通 信、安全 生产信 息化及 煤矿 电气安 全方面 的研 究 和 实 践 工 作。 T e l 0 1 06 2 3 3 1 9 2 9 ，Ema i l s i p c u mt h ． e d u． c n 收稿 日期 2 0 1 1 0 1 0 7 ；责任编 辑 赵瑞 上接第 7 2页 [ 9 ] I I Mo ，L I U Y u n h a o ． U n d e r g r o u n d C o a l Mi n e Mo n i t o fi n g w i t h W i r e l e s s S e n s o r N e t w o r k s 『 J ] ． A C M T r a n s a c t i o n s o n S e n s o r Ne t w o r k s ，2 0 0 9 2 1 9 ． [ 1 0] C HE N G u a n g z h u， S HE N C h u n - n g ，Z H OU L i j u a n ．D e s i g n a n d P e rf o r ma n c e An a l y s i s o f W i r e l e s s S e n s o r Ne t wo r k L o - c a t io n N o d e S y s t e m for Un d e r g r o u n d Mi n e[ J ] Mi n i n g S e i e n c e a n d T e c h n o l o g y C h i n a ，2 0 0 9，1 9 6 8 1 3 8 1 8 ． [ 1 1 ] 彭丽 ， 孙 彦景 ，钱建 生．UWB矿井 巷 道无线 信道 模型 [ J ] ．华 中科技 大学学报 ， 2 0 0 8， 3 6 S 5 8 2 5 8 3 ． [ 1 2] 李世银 ， 钱建生 ， 孙 彦景．煤矿工业 以太 网网络模 型研究 及应用 [ J ] ．华 中科 技 大学 学报 ，2 0 0 7 ，3 5 S 2 1 3 2 1 6． [ 1 3 ]D O U L i n n fi n g ，L U C a i p i n g ，MU Z o n g l o n g ． P r e v e n t i o n a n d F o r e c a s t i n g o f R o c k B u r s t Ha z a r d s i n C o a l Mi n e s [ J ] ． Mi n i n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y C h i n a ，2 0 0 9，1 9 5 5 8 55 9】 ． 作者简 介 孙 彦 景 1 9 7 7 一 ，男 ，山 东朦 州 人 ，副 教 授 ， 博士生导师，博士 ，研究方向为矿井无线通信与监控、矿山物联 网。T e l 1 3 6 8 5 1 9 8 6 9 9，E n mil y a n j i n g s u n c n 1 6 3 ． c o rn 收稿 日期 2 0 1 0 1 0 2 9 ；责 任编辑 赵瑞 7 9 j i 1 J 寸l