專利名稱：一種基于圖像的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于圖像的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，用于識(shí)別煤礦井下采煤工作面煤層和頂?shù)装鍘r層的分界位置，屬于圖像識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
采煤機(jī)滾筒高度的調(diào)節(jié)主要依靠人工操作，即采煤機(jī)司機(jī)通過目視和聽噪音的方 式來判斷采煤機(jī)滾筒是在割煤還是在割巖，然后調(diào)節(jié)滾筒的垂直位置。然而采煤工作面能見度低、噪聲大，采煤機(jī)司機(jī)很難準(zhǔn)確判斷采煤機(jī)的截割狀態(tài)，采煤機(jī)滾筒難免會(huì)截割到頂、底板巖石，由此造成一系列問題①大量崩落的巖石混入原煤中，造成煤質(zhì)下降和運(yùn)輸量增大；②增大了采煤機(jī)司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性加劇截齒磨損,縮短截齒壽命；④截割堅(jiān)硬頂?shù)装蹇赡軙?huì)產(chǎn)生火花，對(duì)于高瓦斯礦極易引起瓦斯爆炸，形成惡性事故滾筒位置調(diào)節(jié)不當(dāng)還可能造成頂?shù)装迕菏Ａ舨痪鶆颍档突夭陕?，同時(shí)頂?shù)装灞砻娌黄秸麜?huì)使液壓支架和刮板運(yùn)輸機(jī)推移困難，降低生產(chǎn)效率。煤巖界面識(shí)別是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的關(guān)鍵技術(shù)，即采用一種方法自動(dòng)識(shí)別出采煤機(jī)在工作過程中截齒是否切入頂?shù)装?，或者識(shí)別出剩留頂?shù)酌旱暮穸?。煤巖界面識(shí)別對(duì)于減少采掘工作面作業(yè)人員直至實(shí)現(xiàn)工作面無人開采具有重要意義，既是煤礦安全高效生產(chǎn)的需要，又是減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和改善作業(yè)環(huán)境的需要。世界各主要產(chǎn)煤國都十分重視煤巖界面識(shí)別方法的研究，提出了自然Y射線探測(cè)法、雷達(dá)探測(cè)法、應(yīng)力截齒法、紅外探測(cè)法、有功功率監(jiān)測(cè)法、震動(dòng)檢測(cè)法、聲音檢測(cè)法、粉塵檢測(cè)法、記憶截割法等20多種識(shí)別傳感機(jī)理。目前，較為成熟的技術(shù)有自然Y射線探測(cè)法和記憶截割法，已經(jīng)應(yīng)用到采煤機(jī)上。自然Y射線探測(cè)法對(duì)頁巖頂板有較好的適應(yīng)性，而對(duì)于砂巖頂板則適應(yīng)性極差，在中國僅有20%左右的礦井適宜采用自然Y射線探測(cè)法。記憶截割法適合于地質(zhì)條件好、煤層比較平整的礦井，而且必須通過采煤機(jī)司機(jī)的手動(dòng)操作來調(diào)整工作參數(shù)，應(yīng)用效果存在一定的局限性。中國專利申請(qǐng)?zhí)?01010160335. 1，
公開日2010. 9. 22，公開了一種掘進(jìn)機(jī)煤巖識(shí)別自動(dòng)截割控制方法與系統(tǒng)，該方法根據(jù)掘進(jìn)機(jī)截割頭的受力狀況、截割電機(jī)和回轉(zhuǎn)油缸的參數(shù)來計(jì)算當(dāng)前截割位置處礦巖的普氏系數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)普氏系數(shù)比較后判斷礦巖類型為煤或者巖。中國專利申請(qǐng)?zhí)?01010251520. 1，
公開日2010. 12. 22，公開了一種煤巖界面識(shí)別方法、識(shí)別系統(tǒng)及識(shí)別探頭，通過將能夠穿透煤層而不能穿透巖層的特定能級(jí)的高壓水射流向巷道上方的煤層噴射，并實(shí)時(shí)感知被煤層或巖層反射的反射流對(duì)噴嘴形成的不同作用力，據(jù)此判斷采煤機(jī)滾筒截齒上端與煤巖界面的距離。目前的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)存在以下問題①信號(hào)獲取裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。在應(yīng)力截齒法中，需要對(duì)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行機(jī)械改造，加裝測(cè)力截齒和測(cè)力傳感器，在振動(dòng)測(cè)試法中，需要在采煤機(jī)上加裝加速度、扭振和扭矩等傳感器，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造成本高。②不易部署，可靠性差。采煤機(jī)滾筒在截割過程中受力復(fù)雜、滾筒振動(dòng)劇烈、磨損嚴(yán)重、粉塵大，傳感器部署比較困難，容易導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件、傳感器和電氣線路受到損壞，裝置可靠性差。③適應(yīng)性差。對(duì)于不同類型的滾筒、截齒，傳感器的最佳類型和信號(hào)拾取點(diǎn)的選擇存在較大區(qū)另IJ，需要進(jìn)行個(gè)性化定制，系統(tǒng)的適應(yīng)性差。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)存在的不足，本實(shí)用新型公開了一種基于圖像的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)地識(shí)別出滾筒截割處的煤巖類型是煤還是巖，為采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高提供可靠的煤巖界面信息。本實(shí)用新型所述的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)包括光源模塊、成像模塊、處理模塊和防爆外殼；所述光源模塊用于輔助照射滾筒截割過的煤巖；所述成像模塊用于采集煤巖的圖像；處理模塊由控制單元、成像單元、存儲(chǔ)單元、圖像處理與識(shí)別單元和通信接口組成；處理模塊通過通信接口與采煤機(jī)控制器通信；所述防爆外殼用來滿足井下防爆要求。所述光源模塊是由多組LED陣列組成的高亮度環(huán)形白光照明燈，LED陣列點(diǎn)亮的數(shù)量由處理模塊控制，為采集煤巖圖像提供合適的照明。所述成像模塊是一個(gè)電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，具有自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光功能，其采集動(dòng)作由處理模塊觸發(fā)。所述防爆外殼中鑲嵌的視窗是高透光的。煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的工作過程分為兩個(gè)階段分類器模型建立階段和自動(dòng)識(shí)別階段；在分類器模型建立階段，識(shí)別系統(tǒng)在采煤機(jī)控制器的監(jiān)視與控制下分別采集多幅煤和巖的彩色圖像，提取出基于圖像特征的樣本特征向量，得到煤和巖的已知樣本集，然后以已知樣本集作為訓(xùn)練樣本集建立煤巖分類器模型；在自動(dòng)識(shí)別階段，識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集滾筒截割過的煤巖的彩色圖像，提取出樣本特征向量，輸入到煤巖分類器模型識(shí)別其類型?；诨叶裙采仃嚨奶卣鲄?shù)有20種，以大量煤、巖圖像樣本數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)分離出了四種對(duì)于區(qū)分煤巖貢獻(xiàn)最大的特征值顯著聚類、對(duì)比度、能量和熵構(gòu)成樣本特征向量，有效地降低了數(shù)據(jù)維數(shù)。 所述樣本特征向量的提取過程包括以下步驟(I)將采集的彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像；(2)對(duì)灰度圖像的灰度級(jí)進(jìn)行粗量化處理；(3)提取灰度圖像在0° ,45° ,90° ,135°四個(gè)方向的灰度共生矩陣；(4)計(jì)算四個(gè)灰度共生矩陣的均值矩陣；(5)對(duì)步驟⑷得到的均值矩陣進(jìn)行歸一化處理；(6)計(jì)算灰度共生矩陣的顯著聚類、對(duì)比度、能量和熵，組成一個(gè)四維向量作為樣本的特征向量。所述煤巖分類器模型的建立采用Fisher線性判別法，具體過程包括以下步驟(I)分別計(jì)算煤、巖已知樣本集的均值向量；(2)分別計(jì)算煤、巖已知樣本集的類內(nèi)離散度矩陣；(3)計(jì)算煤、巖兩類樣本集的總類內(nèi)離散度矩陣；(4)計(jì)算準(zhǔn)則函數(shù)的極大值解w* ；(5)計(jì)算分界閾值y0。本實(shí)用新型的有益效果是，結(jié)構(gòu)簡單、易于布置、適應(yīng)性強(qiáng)、識(shí)別率高，能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)地識(shí)別出滾筒截割處的煤巖類型，為采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高提供可靠的煤巖界面信息。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖I是本實(shí)用新型所述煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的工作原理框圖；圖2是煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖；圖3是圖像樣本特征向量提取流程圖；圖4是煤巖分類器模型建立流程圖；圖5是煤巖分類器模型識(shí)別決策流程圖。圖中，1.巖層,2.煤層,3.米煤機(jī)滾筒,4.煤巖截割面，5.成像模塊,6.光源模塊，7.處理模塊，8.防爆外殼，9.視窗，10.采煤機(jī)控制器，21.控制單元，22.圖像處理與識(shí)別單元，23.采集單元，24.存儲(chǔ)單元，25.通信接口。
具體實(shí)施方式
首先對(duì)基于圖像的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行描述。參照

圖1，在采煤工作面，采煤機(jī)滾筒3截割由巖層I與煤層2構(gòu)成的煤壁，煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集滾筒截割過的煤巖割截面4的圖像，根據(jù)圖像紋理特征的不同來識(shí)別當(dāng)前截割的對(duì)象是煤層還是巖層。煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)由光源模塊6,成像模塊5,處理模塊7和防爆外殼8組成。所述光源模塊6是由多組LED陣列組成的高亮度環(huán)形白光照明燈，LED陣列點(diǎn)亮的數(shù)量由處理模塊7控制，為采集煤巖圖像提供合適照明。所述成像模塊5是一個(gè)電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，用于采集煤巖截割面4的圖像，具有自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光功能，其采集動(dòng)作由處理模塊7觸發(fā)；所述處理模塊7負(fù)責(zé)光源調(diào)節(jié)、圖像采集、圖像處理、分類器模型建立和分類識(shí)別任務(wù)。所述防爆外殼8是為了滿足煤礦井下的防爆要求，其中鑲嵌的視窗9是高透光的。處理模塊通過通信接口與采煤機(jī)控制器10通信，接收采煤機(jī)的控制指令。煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的工作過程分為兩個(gè)階段分類器模型建立階段和自動(dòng)識(shí)別階段。在分類器模型建立階段，識(shí)別系統(tǒng)在采煤機(jī)控制器的監(jiān)視與控制下分別采集多幅煤和巖的彩色圖像，提取出基于圖像特征的樣本特征向量，得到煤和巖的已知樣本集，然后以已知樣本集作為訓(xùn)練樣本集建立煤巖分類器模型；在自動(dòng)識(shí)別階段，識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集滾筒截割過的煤巖的彩色圖像，提取出樣本特征向量，輸入煤巖分類器模型識(shí)別其類型。圖2是處理模塊的結(jié)構(gòu)框圖，處理模塊由控制單元、成像單元、存儲(chǔ)單元、圖像處理與識(shí)別單元和通信接口組成?？刂茊卧?1是處理模塊的控制核心，通過通信接口 25與采煤機(jī)控制器10通信，根據(jù)采煤機(jī)控制器10的指令啟動(dòng)或關(guān)閉煤巖界面識(shí)別任務(wù)。圖像處理與識(shí)別單元22控制采集單元23采集相機(jī)5所采集的圖像數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到存儲(chǔ)單元24，圖像處理與識(shí)別單元22再從存儲(chǔ)單元24讀取圖像進(jìn)行圖像處理與識(shí)別。采集的圖像可由通訊接口 25傳至采煤機(jī)控制器10上進(jìn)行顯示。相機(jī)5的采集動(dòng)作由控制單元21觸發(fā)，光源6中LED點(diǎn)亮數(shù)量由控制單元21控制。在分類器模型建立階段，作業(yè)人員借助采煤機(jī)控制器10的監(jiān)視器查看識(shí)別系統(tǒng)傳回的工作面現(xiàn)場(chǎng)圖像，調(diào)整滾筒高度，分別采集多幅煤和巖的彩色圖像，然后建立煤巖分類器模型。在自動(dòng)識(shí)別階段，識(shí)別系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集滾筒截割過的煤巖的彩色圖像，輸入到煤巖分類器模型識(shí)別出煤巖類型，識(shí)別結(jié)果經(jīng)由通信接口傳至、采煤機(jī)控制器，采煤機(jī)控制器據(jù)此調(diào)節(jié)滾筒高度。圖3是圖像樣本特征向量的提取流程，具體步驟包括(I)將采集的彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像(301)。設(shè)所采集的彩色數(shù)字圖像為f，其R，G，B分量分別為fK，fG, fB，f的數(shù)據(jù)形式為三維數(shù)組，fE, fG, fB的數(shù)據(jù)形式為二維數(shù)組，數(shù)組元素的位置(x，y)對(duì)應(yīng)圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)，數(shù)組元素的值為圖像(x，y)處像素點(diǎn)的灰度值，灰度值取區(qū)間[0，255]內(nèi)的整數(shù)，其中0對(duì)應(yīng)黑色，255對(duì)應(yīng)白色。fK，&，fB與f 的關(guān)系為fE = f ( , , I) ；fG = f ( , ,2) ；fB = f ( , , 3)； 將彩色圖像f轉(zhuǎn)換為灰度圖像F的計(jì)算公式為F (x, y) = 0. 299fE(x, y)+0. 587fG(x, y)+0. 114fB(x, y)灰度圖像F的數(shù)據(jù)形式為二維數(shù)組，F(xiàn)(x, y)表示圖像F中(x, y)處的灰度值,灰度值取區(qū)間[0，255]內(nèi)的整數(shù)，其中0對(duì)應(yīng)黑色，255對(duì)應(yīng)白色。(2)對(duì)灰度圖像F的灰度級(jí)進(jìn)行粗量化處理(302)。如果一幅圖像的灰度級(jí)為256，灰度共生矩陣的大小為256X256，計(jì)算量大，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，一般將灰度級(jí)粗量化，如將256級(jí)灰度圖像變換成16級(jí)的灰度圖像。經(jīng)過粗量化處理后的圖像雖有失真,但對(duì)紋理特征的影響不大。設(shè)灰度圖像F的灰度級(jí)為N，粗量化處理后變?yōu)長級(jí)，灰度范圍為[0，L-1]。其中灰度級(jí)0對(duì)應(yīng)圖像F的實(shí)際最小灰度值，L-I對(duì)應(yīng)圖像F的實(shí)際最大灰度值，其它灰度級(jí)均勻劃分。(3)提取灰度圖像F在0° ,45° ,90° ,135°四個(gè)方向的灰度共生矩陣(303)。灰度共生矩陣P(s, 0)各個(gè)元素的計(jì)算公式為p(s, 0) (i, j) = #{[(x1； Y1), (x2, y2)] G F|F(x1； Y1) = i&F(x2, y2) = j}# 表示像素對(duì)的個(gè)數(shù)，i, j G, X2 = X1+ 6 cos 0 , y2 = y!+ 6 sin 0 , 5 取值為1，0取值分別為0° ,45° ,90° ,135°，得到的四個(gè)灰度共生矩陣分別為Pa^ )，P(1,
45。) J P(l,90° ) J P(l,135。)°(4)計(jì)算四個(gè)灰度共生矩陣的均值矩陣(304)。在采煤工作面，煤層和巖層圖像的紋理沒有明顯的方向性，因此求出四個(gè)矩陣的均值矩陣作為圖像的灰度共生矩陣，計(jì)算公式為
權(quán)利要求1.一種基于圖像的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括光源模塊、成像模塊、處理模塊和防爆外殼；所述光源模塊用于輔助照射滾筒截割過的煤巖；所述成像模塊用于采集煤巖的圖像；處理模塊由控制單元、成像單元、存儲(chǔ)單元、圖像處理與識(shí)別單元和通信接口組成；處理模塊通過通信接口與采煤機(jī)控制器通信；所述防爆外殼用來滿足井下防爆要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光源模塊是由多組LED陣列組成的高亮度環(huán)形白光照明燈，LED陣列點(diǎn)亮的數(shù)量由處理模塊控制，為采集煤巖圖像提供合適的照明。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述成像模塊是一個(gè)電荷耦合器件(CCD)相機(jī)，具有自動(dòng)調(diào)焦和自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光功能，其采集動(dòng)作由處理模塊觸發(fā)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述防爆外殼中鑲嵌的視窗是高透光的。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于圖像的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)包括光源模塊、成像模塊、處理模塊和防爆外殼。光源模塊用于輔助照射滾筒截割過的煤巖，成像模塊用于采集煤巖的圖像，處理模塊由控制單元、成像單元、存儲(chǔ)單元、圖像處理與識(shí)別單元和通信接口組成，處理模塊通過通信接口與采煤機(jī)控制器通信，防爆外殼用來滿足井下防爆要求。煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)的工作過程分為兩個(gè)階段分類器模型建立階段和自動(dòng)識(shí)別階段。本實(shí)用新型所提出的煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于布置、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)、自動(dòng)地識(shí)別出滾筒截割處的煤巖類型，為采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高提供可靠的煤巖界面信息。
文檔編號(hào)G06K9/00GK202383714SQ20112047199
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月24日
發(fā)明者孫繼平, 蘇波 申請(qǐng)人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)