CN112345387A - 基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统 - Google Patents

基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，包括步骤：S1.采集煤样颗粒的图像信息，并对图像信息处理获取煤样颗粒的直径；S2.构建煤样粒度分布曲线；S3.对所述煤样粒度分布曲线进行回归线性处理，得到煤样粒度分布曲线的拟合参数；S4.采集煤样颗粒特征参数；S5.根据所述拟合参数以及所述煤样颗粒特征参数评定煤样的坚固性。一种基于图像分析的测量煤样坚固性的系统，包括锤击单元、进料单元、成像单元以及计算单元。本发明的基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统，能够准确地测得煤样破碎后的粒度粒形分布，进而有效地测量煤样的坚固性，测量误差小、精确度高。

Description

基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统
技术领域
本发明涉及煤领域，具体涉及一种基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统。
背景技术
煤炭行业通常用f值(煤的坚固性系数)表征煤的坚固性，其中，通用GB/T23561.12-2010《煤和岩石物理力学性质测定方法---第12部分：煤的坚固性系数测定方法》是煤炭行业测量煤(岩)坚固性系数的标准方法，该方法对煤的坚固性系数测定仅关注捣碎后小于0.5mm的煤样体积，并没有考虑煤样破碎后的粒形分布，因以上研究的缺失，导致利用煤的坚固性系数描述煤样坚固性有较大的偏差。
由于目前大部分的现有技术均是在上述标准方法的基础上，仅仅对上述标准方法中的实验参数进行修改，所以大部分的现有技术同样存在测量得到的煤样坚固性有较大偏差的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统，能够准确地测得煤样破碎后的粒度粒形分布，进而有效地测量煤样的坚固性，测量误差小、精确度高。
本发明的基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，包括如下步骤：
S1.采集煤样颗粒的图像信息，并对图像信息处理获取煤样颗粒的直径d；
S2.构建煤样粒度分布曲线F(d)：
Figure BDA0002704138040000011
其中，F(d)为直径小于d的煤样颗粒质量占煤样总质量的比例，d0以及m均为拟合参数；
S3.对所述煤样粒度分布曲线F(d)进行回归线性处理，并求取所述煤样粒度分布曲线F(d)的拟合参数d0；
S4.采集煤样颗粒特征参数，具体包括煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000026
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90；
S5.根据所述拟合参数d0以及所述煤样颗粒特征参数对煤样的坚固性进行评级，在坚固性评级中坚固性评定级别越高，坚固性越差。
进一步，步骤S1中，以锤击的方式获取每次测量所需的煤样颗粒，其中，每次锤击时均保持相同的锤击高度。
进一步，步骤S1中，将煤样颗粒的最大内切圆直径作为所述煤样颗粒的直径。
进一步，所述步骤S5具体包括：
构建煤样坚固性评级模型：
Figure BDA0002704138040000021
其中，
Figure BDA0002704138040000022
为拟合参数d0对应的煤样坚固性评级级别；
Figure BDA0002704138040000023
为煤样颗粒数量Nc对应的煤样坚固性评级级别；
Figure BDA0002704138040000024
为煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000025
对应的煤样坚固性评级级别；LD50为煤样颗粒粒径D50对应的煤样坚固性评级级别；LD90为煤样颗粒粒径D90对应的煤样坚固性评级级别；α1与α2均为拟合参数d0的设定阈值；β1与β2均为煤样颗粒数量Nc的设定阈值；γ1与γ2均为煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000031
的设定阈值；δ1与δ2均为煤样颗粒粒径D50的设定阈值；ε1与ε2均为煤样颗粒粒径D90的设定阈值；A、B、C为级别依次降低的三个煤样坚固性评级级别；
将获取的拟合参数d0、煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000032
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90带入所述煤样坚固性评级模型，分别得到煤样坚固性评级级别
Figure BDA0002704138040000033
LD50以及LD90，并将所述煤样坚固性评级级别
Figure BDA0002704138040000034
Figure BDA0002704138040000035
LD50以及LD90中的最高评级级别作为煤样的坚固性级别；
若煤样的坚固性级别越高，则煤样的坚固性越低；反之，煤样的坚固性越高。
一种基于图像分析的测量煤样坚固性的系统，包括锤击单元、进料单元、成像单元以及计算单元；
所述锤击单元，用于以相同的锤击高度锤击原始煤样得到煤样颗粒；
所述进料单元，用于抖动煤样颗粒，使得煤样颗粒分散下落；
所述成像单元，用于拍摄分散下落的煤样颗粒得到煤样颗粒图像；
所述计算单元，用于对煤样颗粒图像进行统计分析得到煤样颗粒的直径d、煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000036
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90，并计算得到煤样的坚固性。
进一步，所述进料单元包括进料漏斗以及沿轴线方向倾斜的进料槽；所述进料槽一端设置有控制进料槽振动的振动器。
进一步，所述成像单元包括相机以及设置于相机正上方的激光发射器；所述激光发射器为相机提供单色光源。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种基于图像分析的测量煤样坚固性的方法及系统，通过统计分析破碎煤样的图像，得到煤样破碎后的分布曲线、以及特征参数信息，基于分布曲线拟合参数以及特征参数对煤样的坚固性进行评级分析，进而实现有效地测量煤样的坚固性，测量误差小、精确度高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的系统结构示意图；
图3为本发明的煤样颗粒示意图；
图4为本发明的具有不同坚固性系数的煤样粒度分布曲线示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明，如图所示：
本发明的基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1.通过锤击的方式获取煤样颗粒，收集好煤样颗粒后，使煤样颗粒散落，并对散落的煤样颗粒进行拍摄，得到煤样颗粒的图像；
通过计算机调用基于非标准球形颗粒的图像算法对煤样颗粒的图像进行分析处理，进而得到煤样颗粒的直径d；通过图像算法能够识别宽度范围在20um-30mm的煤样颗粒；本实施例中，所述基于非标准球形颗粒的图像算法为现有技术，在此不再赘述；
S2.所述煤样颗粒的分布能够符合Rosin-Rammler分布模型，则可以构建煤样粒度分布曲线F(d)：
Figure BDA0002704138040000041
其中，F(d)为直径小于d的煤样颗粒质量占煤样总质量的比例，d0以及m均为拟合参数；
S3.对所述煤样粒度分布曲线F(d)进行回归线性处理，并求取所述煤样粒度分布曲线F(d)的拟合参数d0；
S4.通过计算机调用图像分析软件对煤样颗粒的图像进行特征统计，得到煤样颗粒特征参数；所述煤样颗粒特征参数包括煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000042
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90；所述图像分析软件为现有技术，在此不再赘述。
S5.根据所述拟合参数d0以及所述煤样颗粒特征参数对煤样的坚固性进行评级，在坚固性评级中坚固性评定级别越高，坚固性越差。
本实施例中，步骤S1中，选取若干煤样，对所述若干煤样分别进行锤击得到煤样颗粒；其中，每次锤击时保持相同的锤击高度，保证每次锤击都是相同的锤击力，从而消除了因锤击力不同而导致的误差。
本实施例中，步骤S1中，如图3所示，粉碎后的煤样而形成的煤样颗粒通常为非标准球形，则将煤样颗粒的最大内切圆直径作为所述煤样颗粒的直径，从而能够有效快速地计算煤样颗粒的直径。
本实施例中，步骤S3中，如图4所示，所述煤样颗粒的煤样粒度分布曲线
Figure BDA0002704138040000051
F(d)为直径小于d的煤样颗粒质量占煤样总质量的比例，d0以及m均为拟合参数；对所述煤样粒度分布曲线F(d)方程两边同时取双对数，得到如下式子：
ln{-ln[1-F(d)]}＝mlnd-mlnd0
将上述式子等号左边替换为y，以上述式子等号右边中的lnd替换为x，则有直线方程：y＝mx-mlnd0，且此直线方程为煤样粒度分布曲线F(d)的线性回归直线方程，将若干煤样颗粒设置于y以及x对应的直角坐标系中，可求得所述直线方程中的m(对应于直线斜率)以及-mlnd0(对应于直线的截距)，进而根据m，解得d0。
本实施例中，所述步骤S5具体包括：
构建煤样坚固性评级模型：
Figure BDA0002704138040000061
其中，
Figure BDA0002704138040000062
为拟合参数d0对应的煤样坚固性评级级别；
Figure BDA0002704138040000063
为煤样颗粒数量Nc对应的煤样坚固性评级级别；
Figure BDA0002704138040000064
为煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000065
对应的煤样坚固性评级级别；LD50为煤样颗粒粒径D50对应的煤样坚固性评级级别；LD90为煤样颗粒粒径D90对应的煤样坚固性评级级别；α1与α2均为拟合参数d0的设定阈值，本实施例中，α1取值为2350μm，α2取值为3000μm；β1与β2均为煤样颗粒数量Nc的设定阈值，本实施例中，β1取值为50万，β2取值为200万；γ1与γ2均为煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000066
的设定阈值，本实施例中，γ1取值为850μm，γ2取值为2800μm；δ1与δ2均为煤样颗粒粒径D50的设定阈值，本实施例中，δ1取值为635μm，δ2取值为1650μm；ε1与ε2均为煤样颗粒粒径D90的设定阈值，本实施例中，ε1取值为1850μm，ε2取值为7000μm；A、B、C为级别依次降低的三个煤样坚固性评级级别，所述级别A＞B＞C；
将获取的拟合参数d0、煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000067
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90带入所述煤样坚固性评级模型，分别得到煤样坚固性评级级别
Figure BDA0002704138040000068
LD50以及LD90，并将所述煤样坚固性评级级别
Figure BDA0002704138040000069
Figure BDA00027041380400000610
LD50以及LD90中的最高评级级别作为煤样的坚固性级别；
若煤样的坚固性级别越高，表明煤样越容易被粉碎，则煤样的坚固性越低；若煤样的坚固性级别越低，表明煤样越难被粉碎，则煤样的坚固性越高。
一种基于图像分析的测量煤样坚固性的系统，包括锤击单元、进料单元、成像单元以及计算单元；
所述锤击单元，用于以相同的锤击高度锤击原始煤样得到煤样颗粒；所述锤击单元包括自动化锤击装置，所述自动化锤击装置根据设定好的锤击高度对原始煤样进行锤击，从而形成煤样颗粒，消除了人为因素带来的误差。所述自动化锤击装置采用现有技术，在此不再赘述。
所述进料单元，用于抖动煤样颗粒，使得煤样颗粒分散下落；
所述成像单元，用于拍摄分散下落的煤样颗粒得到煤样颗粒图像；
所述计算单元，用于对煤样颗粒图像进行统计分析得到煤样颗粒的直径d、煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure BDA0002704138040000071
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90，并计算得到煤样的坚固性；所述计算单元包括计算机、图像统计与分析软件以及用于控制进料单元与成像单元工作的控制系统；所述图像统计与分析软件以及所述控制系统均采用现有技术，在此不再赘述。本实施例中，所述计算单元为电脑工作站。
需要说明的是，在测量试验后会有许多煤样粉末状颗粒残留于系统中，可以使用吸尘器清除这些煤样粉末状颗粒，以保证标准的测量试验环境。
本实施例中，如图2所示，所述进料单元包括进料漏斗以及沿轴线方向倾斜的进料槽；所述进料漏斗接收由锤击单元锤击完成的煤样颗粒，并将所述煤样颗粒漏到设置于进料漏斗下方的进料槽；所述进料槽一端的边缘设置有控制进料槽振动的振动器；所述振动器在保证不振碎煤样颗粒的情况下，设定一定的振动幅度进行机械振动，使得进料槽中的煤样颗粒得以分散，同时使得所述煤样颗粒沿着进料槽的轴线方向发生倾斜而滑落，实现了智能化操作，节省了人力成本。
本实施例中，如图2所示，所述成像单元包括相机以及设置于相机正上方的激光发射器；所述激光发射器为相机提供单色光源。所述相机为高分辨率的CCD工业相机，所述激光发射器能够为相机提供稳定的单色光源；所述单元光源波光窄，不易受干扰，保证了相机在单色光源的光线环境下能够拍摄出效果更好的图像。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1.采集煤样颗粒的图像信息，并对图像信息处理获取煤样颗粒的直径d；
S2.构建煤样粒度分布曲线F(d)：
Figure FDA0002704138030000011
其中，F(d)为直径小于d的煤样颗粒质量占煤样总质量的比例，d0以及m均为拟合参数；
S3.对所述煤样粒度分布曲线F(d)进行回归线性处理，并求取所述煤样粒度分布曲线F(d)的拟合参数d0；
S4.采集煤样颗粒特征参数，具体包括煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure FDA0002704138030000012
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90；
S5.根据所述拟合参数d0以及所述煤样颗粒特征参数对煤样的坚固性进行评级，在坚固性评级中坚固性评定级别越高，坚固性越差。
2.根据权利要求1所述的基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，其特征在于：步骤S1中，以锤击的方式获取每次测量所需的煤样颗粒，其中，每次锤击时均保持相同的锤击高度。
3.根据权利要求1所述的基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，其特征在于：步骤S1中，将煤样颗粒的最大内切圆直径作为所述煤样颗粒的直径。
4.根据权利要求1所述的基于图像分析的测量煤样坚固性的方法，其特征在于：所述步骤S5具体包括：
构建煤样坚固性评级模型：
Figure FDA0002704138030000021
其中，
Figure FDA0002704138030000022
为拟合参数d0对应的煤样坚固性评级级别；
Figure FDA0002704138030000023
为煤样颗粒数量Nc对应的煤样坚固性评级级别；
Figure FDA0002704138030000024
为煤样颗粒平均粒径
Figure FDA0002704138030000025
对应的煤样坚固性评级级别；LD50为煤样颗粒粒径D50对应的煤样坚固性评级级别；LD90为煤样颗粒粒径D90对应的煤样坚固性评级级别；α1与α2均为拟合参数d0的设定阈值；β1与β2均为煤样颗粒数量Nc的设定阈值；γ1与γ2均为煤样颗粒平均粒径
Figure FDA0002704138030000026
的设定阈值；δ1与δ2均为煤样颗粒粒径D50的设定阈值；ε1与ε2均为煤样颗粒粒径D90的设定阈值；A、B、C为级别依次降低的三个煤样坚固性评级级别；
将获取的拟合参数d0、煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure FDA0002704138030000027
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90带入所述煤样坚固性评级模型，分别得到煤样坚固性评级级别
Figure FDA0002704138030000028
LD50以及LD90，并将所述煤样坚固性评级级别
Figure FDA0002704138030000029
Figure FDA00027041380300000210
LD50以及LD90中的最高评级级别作为煤样的坚固性级别；
若煤样的坚固性级别越高，则煤样的坚固性越低；反之，煤样的坚固性越高。
5.一种基于图像分析的测量煤样坚固性的系统，其特征在于：包括锤击单元、进料单元、成像单元以及计算单元；
所述锤击单元，用于以相同的锤击高度锤击原始煤样得到煤样颗粒；
所述进料单元，用于抖动煤样颗粒，使得煤样颗粒分散下落；
所述成像单元，用于拍摄分散下落的煤样颗粒得到煤样颗粒图像；
所述计算单元，用于对煤样颗粒图像进行统计分析得到煤样颗粒的直径d、煤样颗粒数量Nc、煤样颗粒平均粒径
Figure FDA0002704138030000031
煤样颗粒粒径D50以及煤样颗粒粒径D90，并计算得到煤样的坚固性。
6.根据权利要求5所述的基于图像分析的测量煤样坚固性的系统，其特征在于：所述进料单元包括进料漏斗以及沿轴线方向倾斜的进料槽；所述进料槽一端设置有控制进料槽振动的振动器。
7.根据权利要求5所述的基于图像分析的测量煤样坚固性的系统，其特征在于：所述成像单元包括相机以及设置于相机正上方的激光发射器；所述激光发射器为相机提供单色光源。
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