羅明華：讓煤井從“看得見”到“看得懂”

在《平凡的世界》中，孫少平的師傅因救人而死于煤礦事故，最終也讓孫少平找到了歸宿。這個結(jié)局讓很多人感概不已。

過去的這種煤炭場景如今正在得到根本的改變。近日，中國煤炭科工集團重慶研究院研發(fā)的KJ526(A)煤礦圖像監(jiān)視系統(tǒng)正式成為國內(nèi)首個取得安全標(biāo)志證書的具有圖像識別功能的煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

這意味著，深藏地下的煤井不再是一片漆黑，而是能看得清的;煤井的細(xì)微變化，都能被科技發(fā)現(xiàn)并提前做出判斷，實現(xiàn)煤礦圖像監(jiān)視視頻從看得見至看得清到看得懂的轉(zhuǎn)變。

該系統(tǒng)是國內(nèi)第一套取得安標(biāo)認(rèn)證的具有圖像識別功能的煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在煤炭行業(yè)處于技術(shù)領(lǐng)先水平，在國外煤礦未見有相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用。

做出這個取得安標(biāo)認(rèn)證的國內(nèi)甚至全球首個煤礦圖像監(jiān)視系統(tǒng)的，就是中國煤炭科工集團重慶研究院測控技術(shù)分院副總工程師、自動化研究所所長羅明華領(lǐng)導(dǎo)的團隊。

17年堅持

能源是實體經(jīng)濟發(fā)展的動力，這是世界共識。而在我國，能源很大程度上其實是煤炭的代稱，因為以煤為主是我國的基本國情。

“煤井環(huán)境很復(fù)雜，井下有災(zāi)害性的氣體，還有多種災(zāi)害都容易發(fā)生。”羅明華說，怎樣讓井下的工人能夠在安全的環(huán)境中工作，讓井下設(shè)備能夠正常運行，不會因為設(shè)備的原因或者人的原因來產(chǎn)生井下的事故或者其他災(zāi)害的發(fā)生，“這是我們行業(yè)內(nèi)一直在研究的重點方向。”

自2000年大學(xué)畢業(yè)后，羅明華一直從事煤炭自動化智能化方面的研究，從2005年開始做在煤礦視頻圖像監(jiān)控方面的研究，至今已有17年。

時間到了2017年，國家把“‘互聯(lián)網(wǎng)+’煤礦安全監(jiān)管監(jiān)察關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與示范”納入“十三五”重點研發(fā)計劃項目。“這從國家項目的層面來支持我們做圖像視頻的研究。”羅明華如是說。

正是這個研究，聚焦圖像識別共性技術(shù)，突破了煤礦井下隱患目標(biāo)快速檢測、軌跡跟蹤、三維測量、深度學(xué)習(xí)模型輕量化等技術(shù)難題。

2019年，羅明華團隊又依托重慶市煤礦安全監(jiān)察局工程項目“重慶市煤礦安全風(fēng)險預(yù)警與防控系統(tǒng)試點”，調(diào)研分析了圖像識別在煤礦的典型應(yīng)用，研究了井下圖像采集工藝及方法，采集了大量的安全隱患視頻樣本，測試驗證了圖像識別技術(shù)的可行性。

2021年，中國煤炭科工集團重慶研究院自立重點項目“煤礦安全隱患智能視頻監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)及裝備”持續(xù)深入研發(fā)圖像識別技術(shù)及產(chǎn)品，至2022年4月開發(fā)出了10款智能視頻圖像采集分析裝備以及算法軟件，建立了云邊端架構(gòu)的煤礦智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并取得系統(tǒng)安標(biāo)。

至此，17年的堅持，終于結(jié)出最燦爛的果實。

困難重重

羅明華介紹，煤礦智能視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)基于人工智能技術(shù)，自動識別人員違章行為、設(shè)備異常狀態(tài)、環(huán)境潛在危險等安全隱患，及時預(yù)警與聯(lián)動控制，實現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域全覆蓋、時間全天候、規(guī)則全統(tǒng)一、效能全提升，為安全賦能、為煤礦增智。

然而，這套系統(tǒng)在研發(fā)過程中，碰到了重重困難。

其中一個困難就是樣本采集難。井下的樣本采集，是做圖像識別最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。“樣本需要人工到井下去采集。”據(jù)羅明華介紹，團隊在全國多個煤礦，包括重慶、貴州、山西、內(nèi)蒙古、東北三省等，都采集了相關(guān)的樣本。

井下的風(fēng)光顯然跟地上的風(fēng)光是完全不一樣的。“井下的光照不是特別好，巷道也比較窄，還有粉塵，濕度也比較大。”在羅明華看來，這些都給采集帶了困難。“要采集到比較好的一幅圖像樣本，我們要去做很多工作，比如井下，我們要選擇一個點到工作面，在這個點，我們要架設(shè)相關(guān)圖像采集設(shè)備，有些地方比較高，還要爬上去。在這個過程中，有時候煤塊飛出來掉到我們身上。環(huán)境還是比較危險。”

項目在開發(fā)過程中又碰到疫情影響。“我們采樣圖像必須要到井下去，為了避免疫情影響礦上，就需要進行隔離，要在礦上待很長時間。”在羅明華印象中，最長的一次是在待了10天才到井下去。

除了這些，有的樣本，特別是跟災(zāi)害相關(guān)的樣本很少，甚至根本見不到。在這種情況下，為了采集樣本，就需要在井下等候，有時候可能是一天，甚至有的一天還等不著，那就持續(xù)待下去。

樣本采集回來了之后，得有大算力的設(shè)備來對它進行運算。“我們沒有大算力平臺。我們項目團隊就一方面自己掏錢，另一方面運用我們項目的經(jīng)費，去購買一些比較小型的算力服務(wù)器，針對小樣本逐漸訓(xùn)練。小樣本訓(xùn)練完了之后，再把樣本量再進一步增大，增大完了之后，這要求算力更大了，我們就在外面租用一些算力平臺，來進行應(yīng)用。”

在系統(tǒng)研發(fā)過程中，跟樣本采集難、實驗基礎(chǔ)條件缺乏相似的困難，羅明華團隊還碰到不少：AI芯片緊缺、測試環(huán)境惡劣、安標(biāo)檢驗標(biāo)準(zhǔn)提高……

困難永遠(yuǎn)是科技工作者前進的動力。最終，羅明華團隊克服了重重困難，突破了多項技術(shù)難題。10多項發(fā)明專利及多個軟件著作權(quán)的申請、10余篇科技論文的發(fā)表、成果在全國100余座煤礦智能化建設(shè)及“電子封條”工程中推廣應(yīng)用，就是對這個團隊最好的獎賞。

憧憬未來

誰能想到，歷時5年研發(fā)出來的KJ526(A)煤礦智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，僅僅是一個36人、平均年齡不到32歲的團隊開發(fā)出來的。

據(jù)羅明華介紹，中國煤炭科工集團重慶研究院測控分院自動化研究所，80%以上具有碩士研究生學(xué)歷，黨員占比達70%。研發(fā)團隊由模式識別與智能系統(tǒng)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、計算機、軟件、數(shù)字電路、自動化、機械等專業(yè)人才組成，按IPD思想設(shè)置有AI算法、嵌入式軟硬件、應(yīng)用軟件、結(jié)構(gòu)設(shè)計、測試檢驗、科研管理、生產(chǎn)、采購、財務(wù)、銷售等工程師崗位，是一支技術(shù)過硬、攻堅克難、充滿活力的專職研發(fā)隊伍。

作為這套系統(tǒng)開發(fā)者，羅明華信心滿滿。“系統(tǒng)運用人工智能技術(shù)，通過深度學(xué)習(xí)自動識別人員違章行為、設(shè)備異常狀態(tài)、環(huán)境潛在危險等安全隱患，及時預(yù)警、聯(lián)動控制，實現(xiàn)視頻從看得見至看得清到看得懂的轉(zhuǎn)變。”

這種信心來自于科技的力量。

系統(tǒng)采用云邊端架構(gòu)，協(xié)同算力構(gòu)建井下全域視覺感知，自動識別綜采、綜掘、主運、輔運、硐室、人員等多種種典型場景安全隱患圖像，識別準(zhǔn)確率達95%。

類似的創(chuàng)新還有不少。如針對煤礦井下高速運動目標(biāo)多、邊緣AI設(shè)備算力有限、目標(biāo)容易丟失的問題;煤礦井下圖像弱光照與強干擾引起目標(biāo)灰度變化、高動態(tài)引起姿態(tài)變化與尺度變化等問題;井下逆光、反光、塵霧引起目標(biāo)模糊、不可見等問題;煤礦新場景訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本少，模型容易出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，導(dǎo)致模型泛化能力弱等問題，系統(tǒng)都給出了解決方案，做到了準(zhǔn)確、快速。

對于未來，羅明華也有自己的憧憬和計劃：一方面，后續(xù)將建立并豐富樣本數(shù)據(jù)庫，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研究煤礦安全隱患多模態(tài)識別技術(shù)及視覺感知技術(shù)裝備，進一步提高系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確率、標(biāo)準(zhǔn)化及智能化水平;另一方面，通過煤礦智能化示范項目建設(shè)、視頻及安全監(jiān)控系統(tǒng)升級進行推廣應(yīng)用。

創(chuàng)新引領(lǐng)能源發(fā)展。今年，國家能源局、科學(xué)技術(shù)部聯(lián)合印發(fā)了《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》，提出“能源科技創(chuàng)新有力支撐引領(lǐng)能源產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”。我們相信，在科技人員的不懈努力下，我國能源將更加安全，也將更好地支撐我國經(jīng)濟發(fā)展。