隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统及方法，系统包括分析模块和设置于皮带机上方的摄像机，所述摄像机捕捉皮带机上岩渣的图像，并传输给分析模块，所述分析模块提取其中的每一帧，将其转换为灰度图，并将灰度图转换为二值图，应用图像形态学的膨胀处理方法，以把二值图像中过于破碎的区域连通起来，确定每个独立连通区域为岩渣，根据独立连通区域计算有向包围盒，确定岩渣形状。本发明专利技术能定量的给出岩渣的形状统计数据，使隧道掘进机驾驶员可以实时掌握高速皮带机岩渣情况数据。

【技术实现步骤摘要】
隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统及方法
本专利技术涉及一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统及方法。
技术介绍
进入21世纪后，一大批水利水电工程、铁路公路交通工程、市政地铁工程等重大基础工程陆续提上建设日程，极大的促进了隧道等地下工程的发展，其中在市政管道方面，我国在“十三五”规划中将建设地下管廊作为国家的100个大项目之一，当前世界各国日益重视地下空间的开发利用。对于地下空间的开发，因隧道掘进机施工具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，国际上已普遍采用。然而，隧道掘进机施工过程中，刀具磨损的情况严重，刀具更换的费用占到施工费用三分之一。隧道掘进机施工过程中过早换刀会造成资源浪费，过晚换刀会导致刀具偏磨或脱落，造成工期推迟，严重的还会发生事故。如何实时检测刀具磨损情况并及时更换刀具，关系到隧道掘进机施工效率，也是隧道掘进机掘进过程中亟待解决的问题。目前用于隧道掘进机刀具磨损检测的方法主要有油压检测、异味检测、掘进参数分析和开仓检查等。其中，油压检测法受油路数量的限制，由于油路有限，只能安装于一部分刀具上，不能检测所有刀具的磨损情况，也无法得知刀具的具体磨损量。异味检测能灵敏地报告刀具磨损信息，但这种方法对盾构机无效，只适用于TBM。掘进参数分析方法预测过程繁琐，实际应用困难，预测的准确度还有待考证。开仓检查工作效率低，而且危险系数高，有可能导致开挖面坍塌，严重的会造成人员的伤亡。所以掘进机施工过程中的实时滚刀磨损检测，是隧道掘进机的一大技术难点，也是各大科研机构和厂商争相研究的课题之一。在当前技术水平下，隧道掘进机滚刀磨损检测尚存在如下难题：(1)由于滚刀直接与掌子面接触，造成无法对滚刀进行直接观测，现有的检测方式多需要对刀盘或滚刀进行机械和结构上的改造，工程实现难度大，且成本较高；(2)现有技术多只能定性的检测刀具磨损情况，给出刀具是否已经磨损，但难以得知滚刀的具体磨损量；(3)为了达到定量检测的目的，一些新技术使用较复杂的方法，有的需要无线传输模块，造成整个检测系统的复杂度高，维护困难。针对以上难题，研究并提出了一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，为实现隧道掘进机施工过程中滚刀磨损程度的实时定量检测提供一条可行的途径。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统及方法，本专利技术实现对隧道掘进机施工过程中滚刀磨损程度的实时定量检测。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，包括分析模块和设置于皮带机上方的摄像机，所述摄像机捕捉皮带机上岩渣的图像，并传输给分析模块，所述分析模块提取其中的每一帧，将其转换为灰度图，并将灰度图转换为二值图，应用图像形态学的膨胀处理方法，以把二值图像中过于破碎的区域连通起来，确定每个独立连通区域为岩渣，根据独立连通区域计算有向包围盒，确定岩渣形状。优选的，所述摄像机外设置有保护机构。对高速摄像机敏感电子和光学器件进行防水防尘保护，以解决隧道掘进机施工环境常有隧道洞壁滴水，施工粉尘，掉落岩渣。所述保护机构优选为保护壳体，且壳体外侧设置有防水涂层。所述保护机构前端设置有一圈突出的防尘挡板，以遮挡来自洞壁及皮带机的滴水、粉尘等对摄像机镜头的干扰。所述摄像机利用螺栓固定在高速皮带机上方的金属壁上，同时，保护装置也将摄像机机体整个盖住，以保护摄像机内的精密电子元器件免受破坏。当然，所述保护机构也可替换为其他形式，如添加防腐蚀涂层、设置有防尘罩等，这些简单替换均属于本领域技术人员在本专利技术的构思基础上能够想到的简单替换，应属于本专利技术的保护范围。优选的，还包括照明装置。以克服隧道完全封闭、无自然光照，光照条件较暗的条件。将LED照明装置置于单独的保护装置内，以防水防尘。基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：(1)对于采集到的岩渣视频，提取其中的每一帧，将彩色图像转换为灰度图，将得到的灰度图转换为二值图；(2)对得到的二值图像，应用图像形态学的膨胀处理方法，以把二值图像中破碎的区域连通起来，使同一岩渣对应的图像区域是连通的，不同岩渣所对应的图像区域是不连通的；(3)使用图像连通区域检测算法，确定二值图像中所有的独立连通区域，每个连通区域即为岩渣，并按每个区域所包含的像素数进行排序；(4)对得到的每个连通区域，计算有向包围盒，以反映岩渣的形状信息，并记录统计。所述步骤(1)中，彩色图像，转换为灰度图的具体方法为：Gray＝R×0.299+G×0.587+B×0.114,(1)式中，R、G、B分别为彩色图像某个像素的红、绿、蓝三种颜色值，Gray为转换成的灰度值。所述步骤(1)中，灰度图大于阈值的二值图对应像素值为1，否则为0。所述步骤(3)中，每个独立连通区域所包含的像素数多少代表岩渣拍摄面积大小。所述步骤(4)中，有向包围盒是一个二维矩形，它的宽对应物体的最窄处，它的长对应物体的最宽处，最宽处和最窄处的比值，以反映岩渣的形状信息。通常的，比值大于1.5，则岩渣为细长条状；比值接近于1，则岩渣为圆块状。所述步骤(4)中，通过岩渣形状以判断滚刀是否工作正常。若岩渣多为细长条状，则滚刀工作正常，磨损较小，若岩渣多成圆块状，则滚刀没有正常工作，有磨损情况。所述步骤(4)中，统计最大岩渣的直径和岩渣直径直方图，把从0到最大岩渣直径的长度范围分为多个区间，统计直径落在各个区间的岩渣个数，对拍摄面积大于某个设定阈值的岩渣分为两类，细长条状和圆块状，并绘制直方图。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术提出的适用于隧道掘进机环境下的高速皮带机岩渣视频分析方法，实现了岩渣视频的自动化分析，并且能定量的给出岩渣的形状统计数据，使隧道掘进机驾驶员可以实时掌握高速皮带机岩渣情况数据。本专利技术提出的隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，有效的解决了现有滚刀磨损检测装置设计实现复杂和难以定量检测滚刀磨损情况的不足。通过对高速皮带机岩渣形状的分析统计，给出滚刀的磨损程度估计，克服了现有技术的难点，且简单方便。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1是本专利技术的示意图侧视图。图2是本专利技术的示意图俯视图。图3本专利技术设计流程图。其中：1、8表示高速摄像机，2表示LED照明装置，3表示高速皮带机，4、6表示高速皮带，5、7表示岩渣。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。如图1所示，在隧道掘进机施工过程中，高速皮带机3运转并带动皮带4一起高速运动，把岩渣5从刀盘处运送到隧道外。使用螺栓把高速摄像机1及其防水防尘保护装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，其特征是：包括分析模块和设置于皮带机上方的摄像机，所述摄像机捕捉皮带机上岩渣的图像，并传输给分析模块，所述分析模块提取其中的每一帧，将其转换为灰度图，并将灰度图转换为二值图，应用图像形态学的膨胀处理方法，以把二值图像中过于破碎的区域连通起来，确定每个独立连通区域为岩渣，根据独立连通区域计算有向包围盒，确定岩渣形状。

【技术特征摘要】
1.一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，其特征是：包括分析模块和设置于皮带机上方的摄像机，所述摄像机捕捉皮带机上岩渣的图像，并传输给分析模块，所述分析模块提取其中的每一帧，将其转换为灰度图，并将灰度图转换为二值图，应用图像形态学的膨胀处理方法，以把二值图像中过于破碎的区域连通起来，确定每个独立连通区域为岩渣，根据独立连通区域计算有向包围盒，确定岩渣形状。2.如权利要求1所述的一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，其特征是：所述摄像机外设置有保护机构。3.如权利要求1所述的一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，其特征是：所述保护机构前端设置有一圈突出的防尘挡板。4.如权利要求1所述的一种隧道掘进机搭载的高速皮带机岩渣视频分析系统，其特征是：还包括照明装置。5.基于如权利要求1-4中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：(1)对于采集到的岩渣视频，提取其中的每一帧，将彩色图像转换为灰度图，将得到的灰度图转换为二值图；(2)对得到的二值图像，应用图像形态学的膨胀处理方法，以把二值图像中破碎的区域连通起来，使同一岩渣对应的图像区域是连通的，不同岩渣所对应的图像区域是不连通的；(3)使用图像连通区域检测算法，确定二值图像中所有的独...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，冉令强，徐辉，聂利超，刘征宇，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37