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罗明华:让煤井从“看得见”到“看得懂”

2022-06-30 08:40:18 新华网   作者: 石海平  

在《平凡的世界》中,孙少平的师傅因救人而死于煤矿事故,最终也让孙少平找到了归宿。这个结局让很多人感概不已。

过去的这种煤炭场景如今正在得到根本的改变。近日,中国煤炭科工集团重庆研究院研发的KJ526(A)煤矿图像监视系统正式成为国内首个取得安全标志证书的具有图像识别功能的煤矿视频监控系统。

这意味着,深藏地下的煤井不再是一片漆黑,而是能看得清的;煤井的细微变化,都能被科技发现并提前做出判断,实现煤矿图像监视视频从看得见至看得清到看得懂的转变。

该系统是国内第一套取得安标认证的具有图像识别功能的煤矿视频监控系统,在煤炭行业处于技术领先水平,在国外煤矿未见有相关技术及应用。

做出这个取得安标认证的国内甚至全球首个煤矿图像监视系统的,就是中国煤炭科工集团重庆研究院测控技术分院副总工程师、自动化研究所所长罗明华领导的团队。

17年坚持

能源是实体经济发展的动力,这是世界共识。而在我国,能源很大程度上其实是煤炭的代称,因为以煤为主是我国的基本国情。

“煤井环境很复杂,井下有灾害性的气体,还有多种灾害都容易发生。”罗明华说,怎样让井下的工人能够在安全的环境中工作,让井下设备能够正常运行,不会因为设备的原因或者人的原因来产生井下的事故或者其他灾害的发生,“这是我们行业内一直在研究的重点方向。”

自2000年大学毕业后,罗明华一直从事煤炭自动化智能化方面的研究,从2005年开始做在煤矿视频图像监控方面的研究,至今已有17年。

时间到了2017年,国家把“‘互联网+’煤矿安全监管监察关键技术研发与示范”纳入“十三五”重点研发计划项目。“这从国家项目的层面来支持我们做图像视频的研究。”罗明华如是说。

正是这个研究,聚焦图像识别共性技术,突破了煤矿井下隐患目标快速检测、轨迹跟踪、三维测量、深度学习模型轻量化等技术难题。

2019年,罗明华团队又依托重庆市煤矿安全监察局工程项目“重庆市煤矿安全风险预警与防控系统试点”,调研分析了图像识别在煤矿的典型应用,研究了井下图像采集工艺及方法,采集了大量的安全隐患视频样本,测试验证了图像识别技术的可行性。

2021年,中国煤炭科工集团重庆研究院自立重点项目“煤矿安全隐患智能视频监控关键技术及装备”持续深入研发图像识别技术及产品,至2022年4月开发出了10款智能视频图像采集分析装备以及算法软件,建立了云边端架构的煤矿智能视频监控系统,并取得系统安标。

至此,17年的坚持,终于结出最灿烂的果实。

困难重重

罗明华介绍,煤矿智能视频图像监控系统基于人工智能技术,自动识别人员违章行为、设备异常状态、环境潜在危险等安全隐患,及时预警与联动控制,实现监控区域全覆盖、时间全天候、规则全统一、效能全提升,为安全赋能、为煤矿增智。

然而,这套系统在研发过程中,碰到了重重困难。

其中一个困难就是样本采集难。井下的样本采集,是做图像识别最基础的环节。“样本需要人工到井下去采集。”据罗明华介绍,团队在全国多个煤矿,包括重庆、贵州、山西、内蒙古、东北三省等,都采集了相关的样本。

井下的风光显然跟地上的风光是完全不一样的。“井下的光照不是特别好,巷道也比较窄,还有粉尘,湿度也比较大。”在罗明华看来,这些都给采集带了困难。“要采集到比较好的一幅图像样本,我们要去做很多工作,比如井下,我们要选择一个点到工作面,在这个点,我们要架设相关图像采集设备,有些地方比较高,还要爬上去。在这个过程中,有时候煤块飞出来掉到我们身上。环境还是比较危险。”

项目在开发过程中又碰到疫情影响。“我们采样图像必须要到井下去,为了避免疫情影响矿上,就需要进行隔离,要在矿上待很长时间。”在罗明华印象中,最长的一次是在待了10天才到井下去。

除了这些,有的样本,特别是跟灾害相关的样本很少,甚至根本见不到。在这种情况下,为了采集样本,就需要在井下等候,有时候可能是一天,甚至有的一天还等不着,那就持续待下去。

样本采集回来了之后,得有大算力的设备来对它进行运算。“我们没有大算力平台。我们项目团队就一方面自己掏钱,另一方面运用我们项目的经费,去购买一些比较小型的算力服务器,针对小样本逐渐训练。小样本训练完了之后,再把样本量再进一步增大,增大完了之后,这要求算力更大了,我们就在外面租用一些算力平台,来进行应用。”

在系统研发过程中,跟样本采集难、实验基础条件缺乏相似的困难,罗明华团队还碰到不少:AI芯片紧缺、测试环境恶劣、安标检验标准提高……

困难永远是科技工作者前进的动力。最终,罗明华团队克服了重重困难,突破了多项技术难题。10多项发明专利及多个软件著作权的申请、10余篇科技论文的发表、成果在全国100余座煤矿智能化建设及“电子封条”工程中推广应用,就是对这个团队最好的奖赏。

憧憬未来

谁能想到,历时5年研发出来的KJ526(A)煤矿智能视频监控系统,仅仅是一个36人、平均年龄不到32岁的团队开发出来的。

据罗明华介绍,中国煤炭科工集团重庆研究院测控分院自动化研究所,80%以上具有硕士研究生学历,党员占比达70%。研发团队由模式识别与智能系统、应用数学、计算机、软件、数字电路、自动化、机械等专业人才组成,按IPD思想设置有AI算法、嵌入式软硬件、应用软件、结构设计、测试检验、科研管理、生产、采购、财务、销售等工程师岗位,是一支技术过硬、攻坚克难、充满活力的专职研发队伍。

作为这套系统开发者,罗明华信心满满。“系统运用人工智能技术,通过深度学习自动识别人员违章行为、设备异常状态、环境潜在危险等安全隐患,及时预警、联动控制,实现视频从看得见至看得清到看得懂的转变。”

这种信心来自于科技的力量。

系统采用云边端架构,协同算力构建井下全域视觉感知,自动识别综采、综掘、主运、辅运、硐室、人员等多种种典型场景安全隐患图像,识别准确率达95%。

类似的创新还有不少。如针对煤矿井下高速运动目标多、边缘AI设备算力有限、目标容易丢失的问题;煤矿井下图像弱光照与强干扰引起目标灰度变化、高动态引起姿态变化与尺度变化等问题;井下逆光、反光、尘雾引起目标模糊、不可见等问题;煤矿新场景训练数据样本少,模型容易出现过拟合现象,导致模型泛化能力弱等问题,系统都给出了解决方案,做到了准确、快速。

对于未来,罗明华也有自己的憧憬和计划:一方面,后续将建立并丰富样本数据库,制定行业标准,研究煤矿安全隐患多模态识别技术及视觉感知技术装备,进一步提高系统识别的准确率、标准化及智能化水平;另一方面,通过煤矿智能化示范项目建设、视频及安全监控系统升级进行推广应用。

创新引领能源发展。今年,国家能源局、科学技术部联合印发了《“十四五”能源领域科技创新规划》,提出“能源科技创新有力支撑引领能源产业高质量发展”。我们相信,在科技人员的不懈努力下,我国能源将更加安全,也将更好地支撑我国经济发展。




责任编辑: 张磊

标签: 煤井

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