引言

轨道运输系统是矿井运输的主要工具之一，在矿井运输中扮演着重要的角色。如何安全、可靠地实现对矿井轨道运输系统的监测，对于保障矿井安全生产具有重要意义。目前的矿井轨道运输监测大多采用轨道电路和压力传感器等。因此，现有矿井轨道运输监测系统有以下不足之处：

(1) 使用接触式传感器，存在机械磨损和磨擦产生电火花的可能性，影响安全生产；
(2) 监测不具可视化，监控者只能看到一些数字化的指标，监测效果差；
(3) 传感器设置在轨道下面，井下巷道积水、环境恶劣，严重影响传感器性能；
(4) 系统成本高、维护量大、可靠性差。
为了有效地解决以上几个方面问题，本文提出采用非接触式的视频图象处理方法来实现矿井轨道运输监测¬¬¬¬。由于红外波段具有空间分辨率高、穿透性好和散射光小等优点[1]，因此，矿井轨道运输监测系统使用了红外CCD。

1 红外CCD矿井轨道运输监测系统
采用基于ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户环路）双绞线宽带传输技术[2]的红外CCD矿井轨道运输监测系统如图1所示。来自红外CCD摄像机的视频信号，经模式识别、最优阈值等视频图象算法处理后，分别提取视频图象中有关列车图象、有效载荷（是指列车所运输的货物，如：矿石、煤炭等）图象的各种特征量，将监测得到的计算结果通过ADSL MODEM传输给监控中心的计算机，监控中心的PC机会将有关列车运输状态的分析结果显示出来，从而实现非接触的、可视化的远程监控与测量。为最大限度地减少传送的数据量，在满足实际监测需要的前提下，本系统采用256级灰度图象，图象尺寸为320×240象素。

图1  红外CCD矿井轨道运输监测系统

红外CCD矿井轨道运输监测系统具有列车运动速度计算、列车移动方向识别、列车节数计数、列车有效载荷计算、列车运行异常情况报警处理（包括列车停运告警、列车超速告警）、系统初始化与常用参数的设置保存六个主要功能[3]。

2 矿井轨道运输监测

2.1 列车运动速度计算
用图象处理的方法来测量、计算列车的运动速度是一个复杂的问题。为此，本系统根据视频图象采集系统采集到的连续图象[4]，按照模式识别的原理对列车的基本特征进行了分析。首先确定列车是否已经到达监测点，如果列车已经到达监测点，则比较相邻运动帧图象中列车状态与位置的变化量，然后根据这个位置变化量、产生变化量所需的时间、红外CCD视场（角度）、CCD采样策略以及采样策略对应的采样区域大小和红外CCD镜头距列车的垂直距离这六个量的相互关系计算出列车的运行速度。具体算法与相应计算步骤如下。

2.1.1 检测列车的时间戳及其位置
首先根据列车图象的俯视特征和模式识别的基本原理，检测出列车进入监测画面的时间戳和它在图象中的具体位置。
井下运动物体种类少，为井下移动物体的快速识别提供了便利。另外，井下列车图象的俯视特征为较规则的矩形，所以，快速识别是完全可以实现的。
在人工智能领域中，计算机视觉主要关注图象处理算法，图象处理方法很多，效果千差万别。本文选择了统计模式识别方法作为算法的理论依据，这不仅仅因为它是应用最广的方法，更重要的是因为本系统的设计目标及要识别的物体特征非常适合使用统计模式识别进行处理。