引言

軌道運輸系統是礦井運輸的主要工具之一，在礦井運輸中扮演著重要的角色。如何安全、可靠地實現對礦井軌道運輸系統的監測，對于保障礦井安全生產具有重要意義。目前的礦井軌道運輸監測大多采用軌道電路和壓力傳感器等。因此，現有礦井軌道運輸監測系統有以下不足之處：

(1) 使用接觸式傳感器，存在機械磨損和磨擦產生電火花的可能性，影響安全生產；
(2) 監測不具可視化，監控者只能看到一些數字化的指標，監測效果差；
(3) 傳感器設置在軌道下面，井下巷道積水、環境惡劣，嚴重影響傳感器性能；
(4) 系統成本高、維護量大、可靠性差。
為了有效地解決以上幾個方面問題，本文提出采用非接觸式的視頻圖象處理方法來實現礦井軌道運輸監測¬¬¬¬。由于紅外波段具有空間分辨率高、穿透性好和散射光小等優點[1]，因此，礦井軌道運輸監測系統使用了紅外CCD。

1 紅外CCD礦井軌道運輸監測系統
采用基于ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非對稱數字用戶環路）雙絞線寬帶傳輸技術[2]的紅外CCD礦井軌道運輸監測系統如圖1所示。來自紅外CCD攝像機的視頻信號，經模式識別、最優閾值等視頻圖象算法處理后，分別提取視頻圖象中有關列車圖象、有效載荷（是指列車所運輸的貨物，如：礦石、煤炭等）圖象的各種特征量，將監測得到的計算結果通過ADSL MODEM傳輸給監控中心的計算機，監控中心的PC機會將有關列車運輸狀態的分析結果顯示出來，從而實現非接觸的、可視化的遠程監控與測量。為最大限度地減少傳送的數據量，在滿足實際監測需要的前提下，本系統采用256級灰度圖象，圖象尺寸為320×240象素。

圖1 紅外CCD礦井軌道運輸監測系統

紅外CCD礦井軌道運輸監測系統具有列車運動速度計算、列車移動方向識別、列車節數計數、列車有效載荷計算、列車運行異常情況報警處理（包括列車停運告警、列車超速告警）、系統初始化與常用參數的設置保存六個主要功能[3]。

2 礦井軌道運輸監測

2.1 列車運動速度計算
用圖象處理的方法來測量、計算列車的運動速度是一個復雜的問題。為此，本系統根據視頻圖象采集系統采集到的連續圖象[4]，按照模式識別的原理對列車的基本特征進行了分析。首先確定列車是否已經到達監測點，如果列車已經到達監測點，則比較相鄰運動幀圖象中列車狀態與位置的變化量，然后根據這個位置變化量、產生變化量所需的時間、紅外CCD視場（角度）、CCD采樣策略以及采樣策略對應的采樣區域大小和紅外CCD鏡頭距列車的垂直距離這六個量的相互關系計算出列車的運行速度。具體算法與相應計算步驟如下。

2.1.1 檢測列車的時間戳及其位置
首先根據列車圖象的俯視特征和模式識別的基本原理，檢測出列車進入監測畫面的時間戳和它在圖象中的具體位置。
井下運動物體種類少，為井下移動物體的快速識別提供了便利。另外，井下列車圖象的俯視特征為較規則的矩形，所以，快速識別是完全可以實現的。
在人工智能領域中，計算機視覺主要關注圖象處理算法，圖象處理方法很多，效果千差萬別。本文選擇了統計模式識別方法作為算法的理論依據，這不僅僅因為它是應用最廣的方法，更重要的是因為本系統的設計目標及要識別的物體特征非常適合使用統計模式識別進行處理。