基于圖像的煤礦井下采煤工作面水災報警方法技術

本發明專利技術公開了一種基于圖像的煤礦井下采煤工作面水災報警方法，本報警方法通過在采煤工作面區域安裝攝像機，對視頻圖像數據和所采集的采煤機工作狀態進行實時監測，當監測到攝像機視頻圖像中設定區域出現異常水流，而采煤機未新開啟噴霧，則判定為數據異常；當監測到水流持續時間超過設定的時間閾值或水流增大速度超過設定閾值，則發出水災報警信號。本報警方法充分考慮了煤礦采煤工作面水災的特征特點，實施簡單，自動及時采取相應措施，可第一時間準確地對礦井采煤工作面突水進行報警，為未在發生現場的其它區域井下人員爭取寶貴的救災和逃生時間。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種，該方法涉及圖像 模式識別和通信等領域。
技術介紹
煤炭是我國主要能源，約占一次能源70%。煤炭行業是高危行業，瓦斯、水災、火 災、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產。我國煤礦發生重特大事故中，礦井水災時對礦 井危害性較大的自然災害，以煤礦事故死亡的人數計算，水害事故占15.72%，僅次于瓦斯 和頂板事故，位居第三，礦井發生水災事故后，其危害包括： 1、沖毀巷道，埋壓、淹沒和封堵人員。 2、伴隨突水，會有大量的煤泥和巖石淤積巷道，給人員逃生造成困難。 3、損壞設備。井下電器，電纜被水浸泡后，其絕緣能力迅速下降，給井下的運輸、通 風、排水等造成困難，使未及時逃離人員的生還幾率降低。 4、涌出大量的有毒有害氣體，使未及時逃離人員的生存條件環境更加惡化。 綜上所述，礦井水災是煤礦嚴重的災害，在煤礦生產中對礦井水災的報警必須做 到及時準確。目前水災預警以水文探測預防、井下探水、先兆現象觀測和為主，水文探測和 井下探水可預防井下水災事故，但由于還可能存在水文情況復雜、設計不當、措施不力、管 理不善和人的思想麻痹等原因，水文探測和井下探水并不能完全防止突水的發生，更不能 對突發的井下突水進行報警;先兆現象觀測以人為經驗判斷為主，存在較大的主觀因素。目 前對于現場突水事故，主要依靠現場人員的人工報警，但當突水發生在無人值守的時間或 區域，或者現場人員匆忙逃離而未能主動報警，調度室就無法及時的獲得已發生突水的信 息，無法及時地通知井下相關工作人員，以致不能對突水事故及時采取應急措施，易造成水 害失控和人員傷亡。采煤工作面是井下易發生突水事故的區域，為有效減少水災引起的礦 山財產損失和人員傷亡，需要新的采煤工作面井下水災報警方法，可第一時間準確地對采 煤工作面突水進行報警，為未在發生現場的其它區域井下人員爭取寶貴的救災和逃生時 間。
技術實現思路
本專利技術根據井下采煤工作面發生突水事故時，會有大量的水向外噴射而出，并持 續不斷，不斷增大的特點提出了一種。在煤 礦井下采煤工作面放置攝像機，同時采集采煤機及其噴霧裝置工作狀態信號;對視頻圖像 數據和所采集的采煤機及其噴霧裝置工作狀態進行實時監測，當監測到攝像機視頻圖像中 設定區域出現異常水流，而采煤機未新開啟噴霧，則判定為數據異常；當監測到水流持續時 間超過設定的時間閾值或水流增大速度超過設定閾值，則發出水災報警信號。具體方法包 括： 1.攝像機安裝位置在采煤工作面液壓支架上，靠近巷道頂部或高度大于2米。 2.在攝像機旁安裝輔助光源，光投射方向與攝像機視頻采集方向一致。 3.對攝像機監控范圍內的部分區域A進行設定，對每幀視頻圖像區域A內各灰度值 i的像素數進行統計，得到序列H1;運算K幀圖像區域A內的各灰度值的像素數的算術平均 值，得到序列S1;求大于等于設定灰度值此的像素總和D S，1并將最后 一幀圖像作為背景圖像b(x，y)存儲，間隔時間Ts對Ds和b(x，y)進行更新;Ds用于預警監測； 每間隔P幀求最新圖像幀中區域A內大于等于設定灰度值此的像素總和DH，當Dh 超出Ds設定閾值M3以上時，即（Dh-Ds) 2 M3時，觸發預警，并存儲b(X，y);如(Dh-Ds) <M3，則更 新Ds和13(^7);1(、？、1'5、11、12、1 3通過測量設定或人為設定得到。 4.監測采煤機及其噴霧裝置工作狀態，如觸發預警監測前T秒內采煤機存在從未 開啟到開啟噴霧的狀態改變，則取消預警，并更新Ds和b(x，y)。 5.進入預警模式后，每間隔&幀對攝像機采集的實時視頻圖像f(x，y)與所存背景 圖像b(x，y)進行累積差值處理，累積差值運算公式為： 式中pn(x，y)為處理了 n幀的累積差值圖像初始值為〇，A為設定區域，T1為設定灰度 閾值;通過累積差值運算處理Q 2幀后，求大于等于設定灰度值T2的像素總和Dt，如滿足Dt2 R，則發出水災報警信號;式中R為設定的增長率閾值;QhQhThI^R通過測量設定或人為設 定得到。 6.水災報警信號由井下廣播系統自動發出，報警信號使用語音播報形式，播報內 容包括突水位置和逃生路線。【附圖說明】 圖1實施方案1系統示意圖。圖2報警的工作流程示意圖。 圖3實施方案2系統示意圖。 圖4水災監測服務器監測流程示意圖。【具體實施方式】 所述水災報警方法通過監控系統實現，圖1所示為實施方案1，系統組成主要包括： 1.存儲服務器（101 )，負責接收視頻數據、采煤機及其噴霧等數據進行存儲，為監 控主機和水災監測服務器提供查詢調取服務。 2.水災監測服務器(102)，接收攝像機采集的數字視頻流，對攝像機的視頻圖像進 行處理，監測攝像機視頻圖像中設定區域出現的異常持續變化，并參考存儲服務器存儲的 采煤機的最新數據，如滿足報警條件則向監控主機輸出突水報警信號。當監測視頻路數過 多服務器處理能力不足時，可放置多臺服務器分別對視頻進行監測。 3.地理信息服務器（103)，負責為監控主機提供地理信息服務，使用ArcGIS平臺， 并存儲礦井的相關地理信息數據、攝像機(107)及采煤機的位置數據;服務器具有水災模擬 分析功能，可根據突水位置分析水災發展情況，根據分析結果為井下各工作區域提供逃生 路線信息，并發送給監控主機。 4.監控主機（104)，具有聲光報警功能，接收水災監測服務器（102)的報警信號則 聲光報警;具有語音合成及數字語音壓縮編碼功能，當從地理信息服務器(103)獲得井下各 工作區域的逃生路線信息后，將突水位置和逃生路線的文本信息合成語音并壓縮編碼，下 發至各廣播設備進行廣播;具有實時視頻監控和歷史視頻調取功能，生產管理人員通過監 控主機查看現場視頻圖像并可從存儲服務器(101)調取歷史監控數據。 5.網絡交換機(105)，負責所有接入礦用以太網的設備的管理和數據交換。 6.井下交換機(106)，負責分站和其它通過網絡通信設備的接入和數據交換，具有 隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。 7.攝像機（107);采用符合煤礦隔爆要求的礦用攝像機，帶有輔助光源，安裝在采 煤工作面的液壓支架上，通過同軸電纜與視頻服務器(108)連接。 8.視頻服務器(108 )，也稱視頻編碼器，將攝像機采集的模擬視頻圖像數字化并壓 縮編碼，通過礦用以太網向井上存儲服務器、水災監測服務器、監控主機傳輸視頻數據。 9.分站（109)，也稱數據采集站，負責接收采煤機控制器（110)發出的采煤機傳感 器數據及控制狀態數據，并將數據上傳至水災監控服務器，與采煤機控制器(109)及報警開 關（I 11)采用RS485標準通過雙絞線通信，可連接多個采煤機控制器和報警開關;分站通過 雙絞線或光纜與最近的井下交換機連接，采用TCP方式與井上的存儲服務器通信，具有隔爆 外殼，符合煤礦井下防爆要求。 10.采煤機控制器（110)，負責采集包括采煤機噴霧裝置狀態的采煤機數據，采用 可編程控制器(PLC)，可編程控制器具有通信接口或通信模塊。在本實施方案中選用采用西 門子SIMATIC S7-300,配置CP341模塊通過RS-485標準與分站（108)通信。 11.報警開關（111 )，用于現場手動報警，采用RS-485標準接口，應符合煤礦井下設本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于圖像的煤礦井下采煤工作面水災報警方法，其特征在于：煤礦井下，在采煤工作面放置攝像機，同時采集采煤機及其噴霧裝置工作狀態信號；對視頻圖像數據和所采集的采煤機及其噴霧裝置工作狀態進行實時監測，當監測到攝像機視頻圖像中設定區域出現異常水流，而采煤機未新開啟噴霧，則判定為數據異常；當監測到水流持續時間超過設定的時間閾值或水流增大速度超過設定閾值，則發出水災報警信號。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫繼平，劉毅，
申請(專利權)人：中國礦業大學北京，
類型：發明
國別省市：北京;11