智能运矿计量系统的设计与实现

郭 毅，杨文龙，马保亮，吴富姬，欧阳健强，2

（1.赣州有色冶金研究所有限公司，江西 赣州 341000；2.赣州有色冶金研究所有色金属矿冶装备技术创新中心，江西 赣州 341000）

矿产资源的逐步枯竭、生产条件的逐步恶化、开采成本逐年增加、加之较为粗放的管理模式，对矿山企业的发展产生了不利影响。因此，精细化管理成为了现代企业管理体系的一种重要模式，且在精细化管理模式下，合理节约生产成本是其中关键一环，在保证企业安全合格的生产条件下，通过当代智能化技术[1]来代替人工进行生产是节约人力成本的优选方案。面对复杂矿山井下的恶劣的工作环境，如何能够实现对出矿量的精确稳定计算一直是矿山企业的一个难题，传统的解决办法是采用人工用眼睛去看的方式来计算矿石出矿量，通常是计量员记录运矿列车的矿斗数，再结合矿斗的核载量一起计算出出矿量，这种方式虽然能大致计算出出矿量，但是人工计算精度太低，且工作时间太长对人眼容易产生疲劳感，会造成多数、漏数等不利状况，对矿石的计量结果造成较大的偏差。

本文设计了一套适应矿山井下环境的智能运矿计量系统,该系统结合了机器视觉与图像处理技术，对矿斗车进行图像建模，识别并区分不同矿车车次，实现各班组矿斗智能计数。同时依靠无线传感器采集二维信息，对矿斗内矿石堆不规则表面进行三维重建，形成每个矿斗体积模型，计算出每个矿斗实际矿石重量，以改变现在落后的人工估算的粗放管理模式。

1 非接触式智能运矿计量系统的设计

1.1 系统硬件设计

由于拍摄需要相机，并且因现场施工环境比较复杂，且潮湿度较高，需设计一套保护装置，最后集成为一套相机集成装置，现场还需要临时安装一套静态的轨道衡称重设备。

1.1.1 相机集成装置设计

该集成装置如图1所示，安装在巷道顶部，相机是垂直向下拍摄的，图1为相机装置图。

图1 相机集成装置

1.1.2 静态轨道衡介绍及安装设计

静态轨道衡具有准确度高、性能实用等优点，由于所选工作地点出矿频率并不是跟高，因此选择静态轨道衡较为合理。本文的静态轨道衡装置是用于验真本文设计的非接触式智能运矿系统的准确度。

1.2 系统软件设计

1.2.1 数据采集子系统设计

数据采集系统由一台摄像机和一组传感器组成，摄像机架设在面向机车行驶方向，当机车经过时，摄像机拍摄机车图片并将图片传送至处理器，为车次区分和矿斗计数提供基础数据。

1.2.2 智能车次区别和矿斗计数子系统设计

利用采集到的矿车及矿斗图像信息，对矿斗车进行图像建模，从连续的图像序列中通过车牌识别分割出运动的矿车，再通过深度学习识别出矿斗，并以此为依据实现矿斗计数。

1.2.3 矿石堆不规则表面三维重建子系统设计

根据采集的50条矿石堆表面曲线信息，将矿石堆分割成50个切面，运用黎曼积分原理分别计算出50个切面面积S1～S50。

由于矿斗为长方体，根据50矿石堆表面曲线将矿石堆分成厚度均匀的50个曲面体，每个曲面厚度l为矿斗宽度的1/50，既l=1/50L(l为曲面厚度，L为矿斗宽)。矿石堆体积为50个切面体体积之和，即V=l1S1+l2S2+l3S3+……+l49S49+l50S50。

1.2.4 载矿量实时监测子系统设计

将研制好的矿石堆体积计算系统安装到矿山计矿点，试运行检测系统能否正常运行，根据每斗矿石复合称重数据并结合矿石堆体积计算每斗矿石堆密度ρ，将矿斗矿石堆与矿石堆图片对应，选取合适的矿石堆特征，形成经验数据密度库，当矿车经过时，系统将根据矿斗矿石堆特征自动匹配矿石密度值，计算该矿斗内矿石质量M=ρV，并将每次测得的矿石质量与经验密度数据库对比，不断完善密度数据库，最后将矿石量信息显示至系统界面中，作为考核依据和指导生产的决策依据。

2 非接触式智能运矿计量系统的工作流程

首先数据采集阶段是以深度相机为图像采集工具，可以同时获取目标矿斗的深度图像和RGB彩色图像。先是对图像序列中的RGB彩色图像进行分析，识别其中的矿斗图像和带有车牌的机车头图像进行矿斗计数和车次区分。

其次对该车次图像序列中矿斗的深度图像进行三维重建工作构建其三维模型，并计算矿斗体积，结合轨道衡复核称重生成密度模型库；与此同时，对该矿斗的RGB彩色图像进行分析提取相应的特征向量，可以与密度模型生成一个“图像特征-密度”库[2]，用于矿石重量计算。

3 现场实验

3.1 实验过程

试验分为两步：第一，对矿斗进行拍照取图，进行非接触式测量；第二，经静态轨道衡进行复核称重，确认实际载重。

3.2 数据测量分析

非接触式的测量的部分结果与轨道衡称重测量的结果对比如表1所示。其中的数值结果均是去除空矿斗重量后的数值。

表1 非接触式测量结果与轨道衡测量结果对比

经过计算得到整个的平均误差在8.44%左右，而人工识别的误差一般在10%以上，成功提高了计量的精度。

4 结语

本文针对在复杂的矿山井下出矿计量问题，设计了一套适应矿山井下环境的非接触式智能运矿计量系统，实现了对矿斗的非接触式称重计量模式，其中矿车的识别准确率达到99%，矿斗载重的称重误差在10%以内。

极大的改善了矿山的计量准确度和出矿效率，本文设计的非接触式智能运矿计量系统即将投入矿山使用，预期能够减少企业每年80-150万元人力成本，也期望能够减少矿山事故。