9054005物联网机器视觉的煤矿采运智能联控关键技术的研究与应用

2019年度国家科技进步奖提名项目公示材料一、项目名称：物联网+机器视觉的煤矿采运智能联控关键技术的研究与应用二、提名者及提名意见：提名者：中国煤炭工业协会提名意见：煤炭是我国极其重要的能源，在我国一次能源中将长期占据主体地位。随着大型综采、皮带运输等机械化、自动化技术的应用，煤矿生产效率日益提高，但由于煤矿工况复杂、环境恶劣，煤矿井下开采和运输依然存在“效率低、能耗大、事故多”等问题，严重制约了煤炭生产和安全管控的智能化发展。宁夏广天夏电子科技有限公司、神华宁夏煤业集团有限责任公司、西安科技大学、西安煤矿机械有限公司等多家单位经过多年的联合科技攻关，取得以下创新成果：（1）研发了适用煤矿井下复杂环境工况的智能视频分析系统。（2）创新研发了物联网+机器视觉的煤矿采运智能联控技术。（3）首创了基于机器视觉的运输系统节能高效智能调速与联动安全防控技术。（4）攻克了基于机器视觉与数字煤层融合的采煤机智能控制、运输系统智能调速及安全智能防控等技术难题，创建了物联网+机器视觉的采运智能管控体系和联控平台。项目实现了煤矿井下采运生产过程的可视化、精细化、智能化，对推进智慧矿山和智慧企业建设具有重要意义。该项目获授权专利37项，其中发明专利13项，软件著作权14项，发表论文26篇。整体达到国际先进水平。项目获得中国煤炭工业协会科学技术一等奖1项，陕西省科学技术二等奖1项。该项成果在神华宁夏煤业集团、陕北矿业公司、华亭煤业集团、西安煤矿机械有限公司等单位推广应用，保证了煤矿安全、高效、可靠运行，降低了能耗和成本，减少了作业人员和劳动强度，取得显著经济效益和社会效益，为我国煤炭智能化开采，促进经济平稳增长提供了保障。提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。三、项目简介：本项目属于矿山工程技术领域。煤炭在相当长一段时间内仍将是我国的主体能源。煤矿的大型综采、皮带运输等自动化水平日益提高，但采煤、运输的智能联控尚未真正实现，“效率低、能耗大、事故多”等问题依然突出，严重制约了煤炭生产和安全管控的智能化发展。该项目研发了适用井下复杂环境和工况的智能视频分析系统，攻克了基于机器视觉与数字煤层融合的采煤机智能控制和运输系统智能调速及安全防控的世界性技术难题，创建了物联网+机器视觉的煤矿井下采运智能管控体系和联控平台，对推进智慧矿山和智慧企业建设具有重大战略意义。主要成果如下：1.研发了适用煤矿井下复杂环境工况的智能视频分析系统。提出了井下星光级低照度的同步曝光方法和粉尘、雾气、振动条件下的退化视频图像清晰化处理方法，实现了高清图像采集和图像最优表征；创建了复杂场景单、多目标精准检测与跟踪算法，攻克了可疑目标与异常行为分析识别的技术难题，研制了集视频采集、分析及联动控制功能的智能隔爆型成套设备。2.攻克了机器视觉与数字煤层融合的采煤机智能截割控制技术。提出并创立了基于多图像序列点-线特征分析、无迹卡尔曼滤波等技术的综采工作面关键设备位姿测量理论模型与精准定位算法，研发了融合视觉位姿测量定位与数字煤层的采煤机截割轨迹预测和自动调高技术，形成了“数字煤层-煤层修正-轨迹预测-煤流干预-采运联动”的闭环远程智能控制体系，实现了采煤机的精准控制和高效开采。3.首创了基于机器视觉的运输系统节能高效智能调速与联动安全防控技术。提出并构建了基于图像多帧统计分析、三维视觉等技术的煤流量检测模型和算法，研发了基于煤流量视觉检测的带式输送机群智能调速控制系统，运输系统综合节电率达43.79%；创新了带式输送机的综合保护方法，提出了煤矿复杂环境下异物、异常行为自适应跟踪与特征检测算法，自主研发了基于视频分析与激光结合的带式输送机纵撕和异物定点检测系统，实现了安全管控由“静态监视、事后追溯”向“预先报警与闭锁控制”的根本转变。4.创建了物联网+机器视觉的煤矿智能联控体系及应用平台。研究制定了煤矿采运系统视觉检测、节能控制、安全防控和高效运行标准和规范，形成了物联网+机器视觉的煤矿采运系统智能联动控制体系；建立了人与物、物与物紧密相关的智能联动控制机制，构建了基于物联网+机器视觉的煤矿多层级、多任务、多功能大数据管控平台，实现了煤矿采运系统智能联动控制和安全管控。项目授权专利37项，其中发明专利13项，软件著作权14项，发表论文26篇，科技奖励2项，查新报告1项。成果在神华宁夏煤业集团红柳煤矿等20家煤矿使用，经济、社会、环保、安全及管理效益显著，实现新增产值约15.2亿元。成果总体达到国际先进水平，智能、节能、安全和以人为本的理念得到了国家领导人高度肯定，为我国乃至世界煤炭开采技术进步做出了突出贡献。四、客观评价：（1）领导评价2018年6月4日，中共中央政治局常委、国务院总理李克强在自治区党委书记石泰峰、主席咸辉等领导的陪同下，来到宁夏广天夏电子科技有限公司智慧矿山工程实验室视察指导工作。李总理在询问了企业产品开发和技术创新情况之后，对自主研发的矿用机器视觉系统给予了高度评价，指出“智能开采技术就在国家2025智能制造规划中，没想到你们先走了一步，很有意义。”（2）鉴定结论2016年12月23日，中国煤炭工业协会在北京组织了有关专家，对“基于机器视觉的煤矿运输、节能与安全智能控制关键技术研究”项目进行了科技成果鉴定。专家一致认为：项目创建了机器视觉检测煤流量、异物、危险区域、异常行为等的模型和算法，研制了隔爆能分析用摄像机及相关产品，研发了煤流量自动检测的带式输送机智能控制系统，实现了带式输送机群的智能启停与调速，提高了皮带运行效率；构建了多层级、多业务、多应用的基于机器视觉的综合管理平台，实现了煤流运输、安全防范的综合管控。项目在宁煤集团红柳煤矿带式输送机运输系统等地点成功应用，运行稳定可靠，经鉴定综合节电率高达43.79%、年均节省电费895万元。研究成果对机器视觉在煤矿中的应用和发展具有重要的意义，研究成果整体上达到了国际先进水平。2017年12月18日，中国煤炭工业协会在北京组织了有关专家，对“煤矿虚拟工作面构建与综采设备操控技术研究及应用”项目进行了科技成果鉴定。专家一致认为：项目运用虚拟现实技术构建了人、机、环三者结合的虚拟工作面模型，建立了工作面设备及场景深度优化模型，研发了煤矿自动化工作面设备虚拟现实操控系统；提出了基于滑窗与灰色马尔科夫链的采煤机调高轨迹预测方法；提出了基于煤层地质数据和工作面设备传感器数据驱动的截割轨迹及工作面设备虚拟模型动态修正法方法。现场应用表明，系统运行稳定、性能可靠。项目技术先进，达到国际先进水平。（3）科技奖励①《基于机器视觉的煤矿运输节能与安全智能控制关键技术研究》获中国煤炭工业协会奖一等奖，2017-118-D02，2017。②《煤矿虚拟工作面构建与综采设备操控技术研究及应用》获陕西省科学技术奖二等奖，S2018JLJS0793，2018。（4）科技查新报告①科技查新报告-基于智能机器视觉的联动控制关键技术研究，2016.2016年12月煤炭信息研究院针对“基于智能机器视觉的联动控制关键技术研究”项目进行了国际联机检索、国内联机检索和网络数据库检索，利用13个有关数据库及物联网相关网站，检索到相关文献80篇，经比较、分析、鉴别，可以得出如下结论：经全面检索，在检索范围内，除本课题研究人员的研究成果外，国内外未见有与本课题查新点综合研究内容完全相同的有关基于智能机器视觉的联动控制关键技术研究的文献报道。②科技查新报告-煤矿虚拟工作面构建与综采设备操控技术研究及应用，2017.2017年11月陕西省科学技术情报研究院针对“煤矿虚拟工作面构建与综采设备操控技术研究及应用”项目进行了国际联机检索、国内联机检索和网络数据库检索，利用19个国内、13个国外有关数据库及物联网相关网站，检索到相关文献40篇，经比较、分析、鉴别，可以得出如下结论：经全面检索，在检索范围内，相关文献未见述及与本项目研究内容及技术完全相同的有关虚拟工作面构建与综采设备操控关键技术及应用方面的文献报道。（5）国内外技术比较序号关键点现有技术本研究项目优势1带式输送机流量监测皮带秤、红外线等检测煤流量装置可靠性差利用机器视觉检测物料流量，为皮带变频调速提供全新的、可靠的检测手段国内外首创2带式输送机启停逆煤流启动有煤流监视的智能起停与调速节能3带式输送机纵撕检测基于“事后处理”的思想，无法预防纵撕事故的发生根据纵撕发生的机理，先利用异物检测，预防事故发生；事故发生后，利用激光幕联动停机“预防+联动”填补了国内外技术空白4带式输送机监测系统人工巡检，能耗高，不能预防人身伤害基于机器视觉的智能启动调速+异物、纵撕检测+人员安全检测国内外首创：为皮带组无人值守奠定了基础5综采工作面截割技术记忆截割数字煤层与机器视觉融合的远程智能精准截割国内外首创6安全管控模式静态监视，事后追溯预先报警与闭锁控制创新了管控模式五、应用情况：1．应用情况本项目研究成果在宁夏煤业集团、陕西煤业化工集团、西安煤矿机械有限公司等多家企业得到应用，实现了物联网+机器视觉的煤矿采运智能联控，保证了系统安全、高效、可靠运行，节约了能耗，降低了成本，减少了作业人员和劳动强度，经济效益和社会效益显著。研究成果为实现煤炭开采的绿色化、智能化奠定了坚实的基础，具有广泛的适应性和良好的应用前景。主要应用单位情况表序号单位名称应用的技术应用对象及规模应用起止时间单位联系人/电话1神华宁夏煤业集团大武口洗煤厂胶带输送机防纵撕、人员章拒止实现了带式输送机的安全防护和远程控制，降低了生产成本；同时减少每生产班20人。2014.11-2015.12赵炜139954655412神华宁夏煤业集团红柳煤矿胶带机的智能调速与防纵撕、人员章拒止实现了带式输送机的节能降耗，降低了生产成本2015.2-2015.12杨长俊189952181113神华宁夏煤业集团石炭井焦煤公司胶带输送机防纵撕、人员章拒止实现了1100水平车场及井筒安装了斜井发觉他智能视频检测报警联动闭锁系统的应用。2014.07-2015.12李小四130995299394山西新景矿煤业有限责任公司胶带输送机防纵撕、人员章拒止实现了带式输送机节能与安全控制，两套输送机综合节电率分别为20.1%和22.4%2018.05李伟卫139342804495神华宁夏煤业集团红柳煤矿采煤机远程监控技术与神华宁夏煤业集团红柳煤矿合作，实现远程智能监控技术在煤矿井下的实用2014.10杨长俊189952181116西安煤矿机械有限公司极薄煤层电牵引采煤机远程监控西安科技大学与西安煤矿机械有限公司技术合作，实现采煤机远程监控系统研发2012.09-2014.12刘志明15897576167西安煤矿机械有限公司电牵引采煤机虚拟现实系统技术西安科技大学与西安煤矿机械有限公司技术合作，实现采煤机远程控制技术应用2012.08-2014.06刘志明18917576168西安煤矿机械有限公司电牵引采煤机故障诊断与维护西安科技大学与西安煤矿机械有限公司技术合作，实现采煤机状态监测系统研发2012.08-2014.12刘志明158917576169神华宁夏煤业集团金凤煤矿远程监控技术神华宁夏煤业集团有限责任公司与西安煤矿机械有限公司合作，实现远程监控技术在煤矿井下的实用2014.08董佳1770955020210神华宁夏煤业集团羊场湾煤矿远程监控技术神华宁夏煤业集团有限责任公司与西安煤矿机械有限公司合作，实现远程监控技术在煤矿井下的实用2015.04刘星珊1389512988611神华宁夏煤业集团设备管理中心远程监控技术神华宁夏煤业集团有限责任公司与西安煤矿机械有限公司合作，实现远程监控技术在煤矿井下的实用2018.05马光辉186951709092．经济效益和社会效益2.1经济效益（1）直接效益①综采工作面基于机器视觉的综采工作面关键设备位姿测量和精确定位方法成果部分应用到西安煤矿机械有限公司的多个采煤机机型，已成为产品在国内市场竞争的优势所在。2015年推广应用了6台，为公司新增销售额约5124万元，新增利润约900万元；2016年推广应用了5台，为公司新增销售额约5015万元，新增利