基于圖像和水倉監(jiān)測的井下水災(zāi)報(bào)警方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于圖像和水倉監(jiān)測的井下水災(zāi)報(bào)警方法，該方法涉及圖像模式 識(shí)別、傳感器、通信等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是我國主要能源，約占一次能源70%。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、水災(zāi)、火 災(zāi)、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產(chǎn)。我國煤礦發(fā)生重特大事故中，礦井水災(zāi)時(shí)對礦 井危害性較大的自然災(zāi)害，以煤礦事故死亡的人數(shù)計(jì)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(fā)生水災(zāi)事故后，其危害包括：
[0003] 1、沖毀巷道，埋壓、淹沒和封堵人員。
[0004] 2、伴隨突水，會(huì)有大量的煤泥和巖石淤積巷道，給人員逃生造成困難。
[0005] 3、損壞設(shè)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(yùn)輸、通 風(fēng)、排水等造成困難，使未及時(shí)逃離人員的生還幾率降低。
[0006] 4、涌出大量的有毒有害氣體，使未及時(shí)逃離人員的生存條件環(huán)境更加惡化。
[0007] 綜上所述，礦井水災(zāi)是煤礦嚴(yán)重的災(zāi)害，在煤礦生產(chǎn)中對礦井水災(zāi)的報(bào)警必須做 到及時(shí)準(zhǔn)確。目前水災(zāi)預(yù)警以水文探測預(yù)防、井下探水、先兆現(xiàn)象觀測和為主，水文探測和 井下探水可預(yù)防井下水災(zāi)事故，但由于還可能存在水文情況復(fù)雜、設(shè)計(jì)不當(dāng)、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(fā)生，更不能 對突發(fā)的井下突水進(jìn)行報(bào)警;先兆現(xiàn)象觀測以人為經(jīng)驗(yàn)判斷為主，存在較大的主觀因素。目 前對于現(xiàn)場突水事故，主要依靠現(xiàn)場人員的人工報(bào)警，但當(dāng)突水發(fā)生在無人值守的時(shí)間或 區(qū)域，或者現(xiàn)場人員匆忙逃離而未能主動(dòng)報(bào)警，調(diào)度室就無法及時(shí)的獲得已發(fā)生突水的信 息，無法及時(shí)地通知井下相關(guān)工作人員，以致不能對突水事故及時(shí)采取應(yīng)急措施，易造成水 害失控和人員傷亡。為有效減少水災(zāi)引起的礦山財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，需要新的井下水災(zāi) 報(bào)警方法，可第一時(shí)間準(zhǔn)確地對井下突水進(jìn)行報(bào)警，為未在發(fā)生現(xiàn)場的其它區(qū)域井下人員 爭取寶貴的救災(zāi)和逃生時(shí)間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明根據(jù)井下發(fā)生突水事故時(shí)，會(huì)有大量的水向外噴射而出，并持續(xù)不斷，不斷 增大的特點(diǎn)提出了一種基于圖像和水倉監(jiān)測的井下水災(zāi)報(bào)警方法。在煤礦井下掘進(jìn)工作 面、采煤工作面或其它可能發(fā)生透水事故的作業(yè)面地點(diǎn)放置攝像機(jī)，同時(shí)采集攝像機(jī)所在 巷道的排水渠下游水倉的液位數(shù)據(jù)和排水量數(shù)據(jù);對視頻圖像數(shù)據(jù)和水倉的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到攝像機(jī)視頻圖像中設(shè)定區(qū)域出現(xiàn)異常水流，且水流持續(xù)時(shí)間超過設(shè)定 的時(shí)間閾值或水流增大速度超過設(shè)定閾值時(shí)，則判定為數(shù)據(jù)異常;且當(dāng)發(fā)現(xiàn)水倉的進(jìn)水量 增加超過設(shè)定的閾值則發(fā)出水災(zāi)報(bào)警信號(hào)。所述方法具體包括：
[0009] 1.攝像機(jī)安裝位置靠近巷道頂部或高度大于2米，在攝像機(jī)旁安裝輔助光源，光投 射方向與攝像機(jī)視頻采集方向一致;關(guān)閉攝像機(jī)的自動(dòng)對焦和自動(dòng)白平衡功能。
[0010] 2.對攝像機(jī)監(jiān)控范圍內(nèi)的部分區(qū)域A進(jìn)行設(shè)定，對每幀視頻圖像區(qū)域A內(nèi)各灰度值 i的像素?cái)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到序列H1;運(yùn)算K幀圖像區(qū)域A內(nèi)的各灰度值的像素?cái)?shù)的算術(shù)平均 值，
得到序列S1;求大于等于設(shè)定灰度值仏的像素總和D S，_
并將最后 一幀圖像作為背景圖像b (X，y)存儲(chǔ)，間隔時(shí)間Tm對Ds和b (X，y)進(jìn)行更新;每間隔P幀求最新 圖像幀中區(qū)域A內(nèi)大于等于設(shè)定灰度值跑的像素總和Dh，
當(dāng)Dh大于等于Ds設(shè)定 閾值M3時(shí)，即（Dh-Ds ) 2 M3時(shí)，觸發(fā)預(yù)警，并存儲(chǔ)b (X，y);如(Dh-Ds ) <M3，則更新Ds和b (X，y)，則 更新Ds和b(x，y) ;K、P、Mi、M2、M3、Tm通過測量設(shè)定或人為設(shè)定得到。
[0011] 3.進(jìn)入預(yù)警模式后，每間隔&幀對攝像機(jī)采集的實(shí)時(shí)視頻圖像f(x，y)與所存背景 圖像b(x，y)進(jìn)行累積差值處理，累積差值運(yùn)算公式為：
[0013] 式中pn(x，y)為處理了 η幀的累積差值圖像，初始值為0，A為設(shè)定區(qū)域，T1S設(shè)定灰 度閾值;通過累積差值運(yùn)算處理Q2幀后，求大于等于設(shè)定灰度值T 2的像素總和Dt，如滿足Dt 2 M4,則判定為圖像數(shù)據(jù)異常;式中M4為設(shè)定的閾值;QhQ^HM4通過測量設(shè)定或人為設(shè) 定得到。
[0014] 4.監(jiān)測到圖像數(shù)據(jù)異常后，間隔時(shí)間Tn監(jiān)測水倉的進(jìn)水量L變化，進(jìn)水量
式中hl為實(shí)時(shí)采集的水倉液位高度數(shù)據(jù)，hs為監(jiān)測到圖像數(shù)據(jù)異常時(shí)的 水倉液位數(shù)據(jù)，S為水倉橫截面積，T為監(jiān)測到圖像數(shù)據(jù)異常時(shí)刻到當(dāng)前的時(shí)間長度，P為時(shí) 間T內(nèi)的排水總量，如滿足
則發(fā)出水災(zāi)報(bào)警信號(hào)，式中Ls為平均進(jìn)水量，R為設(shè) 定的進(jìn)水量增長率閾值;Th、Ls、R通過測量設(shè)定或人為設(shè)定得到。
【附圖說明】
[0015] 圖1基于圖像和水倉監(jiān)測的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)示意圖。
[0016] 圖2排水量監(jiān)測設(shè)備工作原理圖。
[0017] 圖3基于圖像和水倉監(jiān)測水災(zāi)報(bào)警工作流程示意圖。
[0018] 圖4水災(zāi)監(jiān)測服務(wù)器監(jiān)測流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 所述水災(zāi)報(bào)警方法通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)組成主要包括：
[0020] 1.存儲(chǔ)服務(wù)器（101)，負(fù)責(zé)接收視頻數(shù)據(jù)、水倉水位數(shù)據(jù)和水倉排水量數(shù)據(jù)并存 儲(chǔ)，為監(jiān)控主機(jī)和水災(zāi)監(jiān)測服務(wù)器提供查詢調(diào)取服務(wù)。
[0021] 2.水災(zāi)監(jiān)測服務(wù)器(102)，接收攝像機(jī)采集的數(shù)字視頻流，對攝像機(jī)的視頻圖像進(jìn) 行處理，監(jiān)測攝像機(jī)視頻圖像中設(shè)定區(qū)域出現(xiàn)的異常持續(xù)變化，并參考存儲(chǔ)服務(wù)器存儲(chǔ)的 相應(yīng)巷道水倉水位和排水量數(shù)據(jù)，如滿足報(bào)警條件則向監(jiān)控主機(jī)輸出突水報(bào)警信號(hào)。當(dāng)監(jiān) 測視頻路數(shù)過多服務(wù)器處理能力不足時(shí)，可放置多臺(tái)服務(wù)器分別對視頻進(jìn)行監(jiān)測。
[0022] 3.地理信息服務(wù)器（103)，負(fù)責(zé)為監(jiān)控主機(jī)提供地理信息服務(wù)，使用ArcGIS平臺(tái)， 并存儲(chǔ)礦井的相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)、攝像機(jī)（107)位置數(shù)據(jù);服務(wù)器具有水災(zāi)模擬分析功能， 可根據(jù)突水位置分析水災(zāi)發(fā)展情況，根據(jù)分析結(jié)果為井下各工作區(qū)域提供逃生路線信息， 并發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)。
[0023] 4.監(jiān)控主機(jī)（104)，具有聲光報(bào)警功能，接收水災(zāi)監(jiān)測服務(wù)器（102)的報(bào)警信號(hào)則 聲光報(bào)警;具有語音合成及數(shù)字語音壓縮編碼功能，當(dāng)從地理信息服務(wù)器(103)獲得井下各 工作區(qū)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(fā)至各廣播設(shè)備進(jìn)行廣播;具有實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和歷史視頻調(diào)取功能，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān) 控主機(jī)查看現(xiàn)場視頻圖像并可從存儲(chǔ)服務(wù)器(101)調(diào)取歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。
[0024] 5.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(105)，負(fù)責(zé)所有接入礦用以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。
[0025] 6.井下交換機(jī)(106)，負(fù)責(zé)分站和其它通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)交換，具有 隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。
[0026] 7.攝像機(jī)（107);采用符合煤礦隔爆要求的礦用攝像機(jī)，帶有輔助光源，安裝在煤 礦井下掘進(jìn)工作面、采煤工作面或其它可能發(fā)生透水事故的作業(yè)面等地點(diǎn)上，通過同軸電 纜與視頻服務(wù)器(108)連接。
[0027] 8.視頻服務(wù)器(108 )，也稱視頻編碼器，將攝像機(jī)采集的模擬視頻圖像數(shù)字化并壓 縮編碼，通過礦用以太網(wǎng)向井上存儲(chǔ)服務(wù)器、水災(zāi)監(jiān)測服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)傳輸視頻數(shù)據(jù)。 [0028] 9.分站（109)，也稱數(shù)據(jù)采集站，負(fù)責(zé)接收水位監(jiān)測設(shè)備（110)和排水量監(jiān)測設(shè)備 (111)上傳的水倉水位和排水量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至水災(zāi)監(jiān)控服務(wù)器。分站與各監(jiān)測設(shè)備 采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線通信，可連接多個(gè)監(jiān)測設(shè)備;分站通過雙絞線或光纜與最近的 井下交換機(jī)連接，采用TCP方式與井上的存儲(chǔ)服務(wù)器通信，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔 爆要求。
[0029] 10.水位監(jiān)測設(shè)備（110)，用于水倉水位采集，可使用各類礦用水位測量儀，包括感 應(yīng)式或超聲波式測量儀，應(yīng)符合煤礦井下相關(guān)本安或隔爆標(biāo)準(zhǔn)，具有RS-485通信接口。本實(shí) 施方案采用投入式壓力感應(yīng)液位傳感器，傳感頭根據(jù)水中的壓力與空氣中的壓力差，把水 位的高度變換成壓力差，再把壓力差轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換和處理器處理后得到水倉 液位高度。
[0030] 11.排水量監(jiān)測設(shè)備（111)，用于檢測水栗的實(shí)際排水量數(shù)據(jù)，本實(shí)施方案采用電 磁感應(yīng)式流量計(jì)，流量計(jì)安裝于水栗出口的總管路上；電磁感應(yīng)式流量計(jì)應(yīng)符合煤礦井下 相關(guān)本安或隔爆標(biāo)準(zhǔn)，具有RS-485通信接口。
[0031] 12.報(bào)警開關(guān)（112)，用于現(xiàn)場手動(dòng)報(bào)警，采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)符合煤礦井下設(shè) 備安全要求。
[0032] 13.廣播設(shè)備（113)，用于井下語音廣播，具有數(shù)字語音解碼功能，將通過數(shù)字語音 壓縮編碼的數(shù)據(jù)還原成語音，并放大播放;廣播設(shè)備與分站采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)通過雙絞線連 接通信。
[0033]排水量監(jiān)測設(shè)備工作原理如圖2所示：
[0034]排水量監(jiān)測設(shè)備使用電磁流量計(jì)，電磁流量計(jì)由電磁流量轉(zhuǎn)換器和電磁流量傳感 器組成。電磁流量轉(zhuǎn)換器是為電磁流量傳感器提供電源，并將其測量回的