專利名稱：一種煤礦井下工作面粉塵濃度的監(jiān)測及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦監(jiān)測及測量粉塵濃度的方法。特別是特大型礦井綜采、綜掘工作面、巷道粉塵分布監(jiān)測及運動規(guī)律監(jiān)測的方法。
背景技術(shù)：
伴隨著高效綜采裝備不斷升級，開采技術(shù)和工藝不斷完善。特大型礦井作業(yè)點隨著機(jī)械化程度的提高，工作面粉塵的生成量也大大增大。煤塵的時域及空域分布規(guī)律相當(dāng)復(fù)雜。雖然己有多種降除塵技術(shù)和措施，對粉塵的防治起到一定作用，但由于對特大型礦井綜采、綜掘工作面、巷道風(fēng)流分布和粉塵分布情況認(rèn)識模糊缺乏定量分析，各種除塵技術(shù)和設(shè)備都未能達(dá)到預(yù)期的降塵效果，不能適應(yīng)日益復(fù)雜的工作點防塵需要，成為高效安全生產(chǎn)的瓶頸。研究采煤工作面的粉塵分布規(guī)律，對于采取相應(yīng)的防塵措施具有重要的指導(dǎo)意義。掌握采煤工作面粉塵的分布、運動規(guī)律，就能夠針對不同的環(huán)境采用合適的除塵方法， 降低工作面的粉塵濃度，完善綜合防塵措施。從上述國內(nèi)的發(fā)展情況來看，我國目前現(xiàn)有的各類粉塵監(jiān)測儀器和手段中，各煤礦日前普遍使用的都是粉塵采樣器，并被列入我國粉塵排放測試方法國家標(biāo)準(zhǔn)，其余各種方法的儀器目前在這方面還停留在比較落后的水平上。粉塵采樣器的優(yōu)點是測量精度較高，理論上能達(dá)到士 10%，但其缺點也較多，如影響測量精度的因素較多、占用房間和設(shè)備較多、采樣時間較長、操作程序繁雜、儀器維修量大、花費成本較高等等。國內(nèi)各煤礦井下粉塵檢測點很多，一般都在100個左右，而按照有關(guān)規(guī)定，每個測塵點每月要測塵兩次，測塵采樣、稱重、計算等一系列工作相當(dāng)繁瑣。粉塵采樣器測塵方法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了測塵工作的需要。難以滿足日益增長的環(huán)境保護(hù)和安全生產(chǎn)在線監(jiān)測的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明利用煤礦井下現(xiàn)有的井下視頻監(jiān)視系統(tǒng)、粉塵分散度測量系統(tǒng)，提出基于暗原色先驗原理對特大型礦井粉塵分布及運動規(guī)律監(jiān)測方法。依據(jù)暗原色先驗原理，對現(xiàn)有視頻監(jiān)視系統(tǒng)的圖像進(jìn)行處理得到透射率，基于構(gòu)建的粉塵環(huán)境下的圖像退化模型，計算粉塵質(zhì)量濃度，其動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合初始數(shù)據(jù)形成原位測量，獲得粉塵的分布及運動規(guī)律。暗原色先驗理論是由何愷明(He Kaiming)等人于2009年基于對大量室外無霧圖像的統(tǒng)計分析而得到的一種物理規(guī)律，即在無霧圖像的絕大部分局部圖像塊內(nèi)存在這樣的一些像素，它們至少在一個顏色通道內(nèi)的灰度值非常小，被稱為暗原色。暗元色源于陰影、 彩色物體和黑暗的物體表面。本發(fā)明基于上述暗原色先驗原理對視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面粉塵環(huán)境下的退化圖進(jìn)行處理，在井下粉塵環(huán)境中，粉塵能以固體微粒形式在空氣中懸浮一段時間，是一種氣溶膠(即粉塵的表面附著水分子)。對入射光線產(chǎn)生散射與吸收作用，那些平時暗的像素會變亮，從而弱化了圖像的色彩及對比度，引起圖像退化，通過這些暗像素的變化情況即可直接得到粉塵環(huán)境下的光傳輸量，構(gòu)建的粉塵環(huán)境下的圖像退化依據(jù)一級多次散射近似法和輻射傳輸理論建立的透射率、消光系數(shù)、輻射長度、粉塵相函數(shù)構(gòu)成的計算方程，獲得到圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率，得不同區(qū)域的粉塵濃度。最終實現(xiàn)煤礦井下工作面粉塵濃度的監(jiān)測及測量。本發(fā)明實現(xiàn)發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是，實現(xiàn)該方法包括煤礦井下視頻監(jiān)視系統(tǒng)、測量工作面與視頻監(jiān)視系統(tǒng)中攝像頭距離測量系統(tǒng)和粉塵分散度測量系統(tǒng)，該方法由以下步驟實現(xiàn)
⑴、對視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面粉塵環(huán)境下的退化圖像劃分為一組面積相同的方塊區(qū)域，設(shè)置每個方塊區(qū)域具有相同的深度，透射率在每個方塊區(qū)域內(nèi)為一常量，每個方塊區(qū)域的相函數(shù)取近似常量，對每個方塊區(qū)域的像素塊R G B三通道同時取最小化操作，得具有塊效應(yīng)的粗略傳輸⑵、對步驟⑴獲取的粗糙傳輸圖進(jìn)行精細(xì)化處理。所述的精細(xì)化處理是采用對由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數(shù)構(gòu)成的方程進(jìn)行能量最小化處理，實現(xiàn)對粗糙傳輸圖進(jìn)行細(xì)化，其中拉普拉斯修補矩陣由克羅內(nèi)克函數(shù)及待修復(fù)傳輸圖窗口的均值、協(xié)方差矩陣構(gòu)成，經(jīng)過修補之后的粗糙傳輸圖，可精確反應(yīng)粉塵環(huán)境中空氣光的傳輸過程，得到圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率；
(3)、按Vander Hulst近似計算出吸收因子和散射因子，通過粉塵分散度測量系統(tǒng)測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar )分布的微粒分布函數(shù)和吸收因子，利用吸收系數(shù)積分方程計算出吸收系數(shù)，通過粉塵分散度測量系統(tǒng)測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar) 分布的微粒分布函數(shù)和散射因子，利用散射系數(shù)積分方程計算出散射系數(shù)，吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和得粉塵的質(zhì)量消光系數(shù)或利用吸收因子和散射因子之和得消光因子，通過粉塵分散度測量系統(tǒng)測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar)分布的微粒分布函數(shù)和消光因子，利用消光系數(shù)積分方程計算出消光系數(shù)；
⑷、距離測量系統(tǒng)測得視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面粉塵環(huán)境下的退化圖像的深度，得輻射通道長度；
(5)、根據(jù)步驟⑵得到的圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率、步驟⑶得到的消光系數(shù)和步驟⑷得到的輻射長度即可計算出就可以得出粉塵質(zhì)量濃度，獲得的視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面監(jiān)測區(qū)域的粉塵濃度變化過程，各個時刻信息其動態(tài)變化數(shù)據(jù)與初始靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合起來形成原位測量，從而獲得粉塵分布及運動規(guī)律，所述的粉塵質(zhì)量濃度計算方法為依據(jù)一級多次散射近似法和輻射傳輸理論建立的透射率、消光系數(shù)、輻射長度、粉塵相函數(shù)構(gòu)成的計算方程獲得。本發(fā)明的有益效果是，測量迅速，滿足實時動態(tài)測量要求。本發(fā)明的粉塵濃度測量過程只是對視頻監(jiān)控設(shè)施采集的待測量區(qū)域圖像進(jìn)行相應(yīng)的計算依據(jù)構(gòu)建粉塵環(huán)境下的圖像退化模型確定透射率、質(zhì)量消光系數(shù)、輻射通道長度(可用普通長度測量工具獲得或三維掃描設(shè)備獲取)都確定后，得出粉塵質(zhì)量濃度。整個計算過程在視頻監(jiān)控服務(wù)器上每秒可完成數(shù)次。監(jiān)測數(shù)據(jù)完備、監(jiān)測區(qū)域廣，能夠獲得監(jiān)測區(qū)域粉塵的分布及運動變化規(guī)律?？沼虮O(jiān)測方面，能夠完全獲得視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠監(jiān)測的區(qū)域的粉塵濃度信息產(chǎn)生監(jiān)測區(qū)域完整的粉塵濃度分布數(shù)據(jù)。時域監(jiān)測方面，本發(fā)明能夠獲得監(jiān)測區(qū)域的粉塵濃度變化過程各個時刻信息，其動態(tài)變化數(shù)據(jù)與初始靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合起來形成原位測量。從而獲得分布及運動規(guī)律，以便采用合適的除塵方法，降低工作面的粉塵濃度，完善綜合防塵措施，克服現(xiàn)有傳感器試驗測試的空域抽樣缺陷。監(jiān)測實施方便，自動化程度高，成本低。由于基于視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)故實施本項目監(jiān)測方法，不需添加設(shè)備，實施便捷，只需在視頻服務(wù)器或監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器上安裝相應(yīng)的測量軟件，成本較低。實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)字化、可視化，獲得人性化、直觀的人機(jī)交互方式。能夠?qū)崿F(xiàn)自動、連續(xù)操作以及數(shù)據(jù)的自動記錄和傳輸?shù)男枰?，克服現(xiàn)有傳感器體積龐大，不便實施，價格昂貴的弊端。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。


附圖為粉塵環(huán)境下的退化圖像，基于暗原色先驗原理，由透射率、消光系數(shù)、輻射長度和粉塵相函數(shù)獲得粉塵質(zhì)量濃度、粉塵分布及運動規(guī)律流程圖。
具體實施方式
參看附圖
實現(xiàn)該方法包括煤礦井下視頻監(jiān)視系統(tǒng)、測量工作面與視頻監(jiān)視系統(tǒng)中攝像頭距離測量系統(tǒng)和粉塵分散度測量系統(tǒng)，該方法由以下步驟實現(xiàn)
(1)、對視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面粉塵環(huán)境下的退化圖像劃分為一組面積相同的方塊區(qū)域，設(shè)置每個方塊區(qū)域具有相同的深度，透射率在每個方塊區(qū)域內(nèi)為一常量，每個方塊區(qū)域的相函數(shù)取近似常量，對每個方塊區(qū)域的像素塊R G B三通道同時取最小化操作，得具有塊效應(yīng)的粗略傳輸⑵、對步驟⑴獲取的粗糙傳輸圖進(jìn)行精細(xì)化處理。所述的精細(xì)化處理是采用對由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數(shù)構(gòu)成的方程進(jìn)行能量最小化處理，實現(xiàn)對粗糙傳輸圖進(jìn)行細(xì)化，其中拉普拉斯修補矩陣由克羅內(nèi)克函數(shù)及待修復(fù)傳輸圖窗口的均值、協(xié)方差矩陣構(gòu)成，經(jīng)過修補之后的粗糙傳輸圖，可精確反應(yīng)粉塵環(huán)境中空氣光的傳輸過程，得到圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率。該步驟的實現(xiàn)，完全基于暗原色先驗理論獲得。首先假設(shè)粉塵環(huán)境下的退化圖像局部方塊區(qū)域，具有相同的深度，透射率在一個方塊區(qū)域內(nèi)為常量，相函數(shù)也近似為常數(shù)， 即對每個方塊區(qū)域退化模型是一致的，對每個像素塊(每個方塊區(qū)域)RGB三通道同時取最小化操作，得到具有明顯的塊效應(yīng)的粗略傳輸圖。其次，為了有效細(xì)化透射率，通過最小化由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數(shù)構(gòu)成的能量方程對粗糙的傳輸圖進(jìn)行細(xì)化。經(jīng)過細(xì)化之后的傳輸圖，能夠精確反應(yīng)粉塵環(huán)境中空氣光的傳輸過程，進(jìn)而得到圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率。通過統(tǒng)計表明，暗元色源于陰影、彩色物體、黑暗的物體表面.在粉塵環(huán)境中由于空氣光的存在，那些平時暗的像素會變亮，通過這些暗像素可直接得到粉塵環(huán)境下的光傳輸量，這就是暗元色先驗的圖像恢復(fù)原理，暗元色可用下式描述
1S χ)= rn in (m inC^〔>，))) -^0(8)
式中指原圖像中暗元色光強(qiáng)；K指原圖像中色彩通道光強(qiáng)；指以像素坐標(biāo)X 為中心的一個小區(qū)域。假設(shè)傳輸量在一個小區(qū)域內(nèi)為常量，相函數(shù)ρ也近似為常數(shù)，將監(jiān)控系統(tǒng)圖像在區(qū)域與色彩通道中求最小值得
權(quán)利要求
1. 一種煤礦井下工作面粉塵濃度的監(jiān)測及測量方法，實現(xiàn)該方法包括煤礦井下視頻監(jiān)視系統(tǒng)、測量工作面與視頻監(jiān)視系統(tǒng)中攝像頭距離測量系統(tǒng)和粉塵分散度測量系統(tǒng)，其特征在于該方法由以下步驟實現(xiàn)(1)、對視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面粉塵環(huán)境下的退化圖像劃分為一組面積相同的方塊區(qū)域，設(shè)置每個方塊區(qū)域具有相同的深度，透射率在每個方塊區(qū)域內(nèi)為一常量，每個方塊區(qū)域的相函數(shù)取近似常量，對每個方塊區(qū)域的像素塊R G B三通道同時取最小化操作，得具有塊效應(yīng)的粗略傳輸圖；⑵、對步驟⑴獲取的粗糙傳輸圖進(jìn)行精細(xì)化處理，所述的精細(xì)化處理是采用對由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數(shù)構(gòu)成的方程進(jìn)行能量最小化處理，實現(xiàn)對粗糙傳輸圖進(jìn)行細(xì)化，其中拉普拉斯修補矩陣由克羅內(nèi)克函數(shù)及待修復(fù)傳輸圖窗口的均值、協(xié)方差矩陣構(gòu)成，經(jīng)過修補之后的粗糙傳輸圖，可精確反應(yīng)粉塵環(huán)境中空氣光的傳輸過程，得到圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率；(3)、按Vander Hulst近似計算出吸收因子和散射因子，通過粉塵分散度測量系統(tǒng)測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar)分布的微粒分布函數(shù)和吸收因子，利用吸收系數(shù)積分方程計算出吸收系數(shù)，通過粉塵分散度測量系統(tǒng)測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar) 分布的微粒分布函數(shù)和散射因子，利用散射系數(shù)積分方程計算出散射系數(shù)，吸收系數(shù)與散射系數(shù)之和得粉塵的質(zhì)量消光系數(shù)或利用吸收因子和散射因子之和得消光因子，通過粉塵分散度測量系統(tǒng)測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar)分布的微粒分布函數(shù)和消光因子，利用消光系數(shù)積分方程計算出消光系數(shù)；⑷、距離測量系統(tǒng)測得視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面粉塵環(huán)境下的退化圖像的深度，得輻射通道長度；(5)、根據(jù)步驟⑵得到的圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率、步驟⑶得到的消光系數(shù)和步驟⑷得到的輻射長度即可計算出就可以得出粉塵質(zhì)量濃度，獲得的視頻監(jiān)視系統(tǒng)實時采集獲取的工作面監(jiān)測區(qū)域的粉塵濃度變化過程，各個時刻信息其動態(tài)變化數(shù)據(jù)與初始靜態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)合起來形成原位測量，從而獲得粉塵分布及運動規(guī)律，所述的粉塵質(zhì)量濃度計算方法為依據(jù)一級多次散射近似法和輻射傳輸理論建立的透射率、消光系數(shù)、輻射長度、粉塵相函數(shù)構(gòu)成的計算方程獲得。
全文摘要
一種煤礦井下工作面粉塵濃度的監(jiān)測及測量方法，解決現(xiàn)有粉塵采樣速度慢，而且采用復(fù)雜，不能滿足安全生產(chǎn)在線監(jiān)測的要求。采用的監(jiān)測及測量方法是⑴依據(jù)工作面粉塵環(huán)境下的退化圖像，得具有塊效應(yīng)的粗略傳輸圖。⑵對粗糙傳輸圖進(jìn)行精細(xì)化處理，得圖像中各個像素點處對應(yīng)的透射率。⑶計算出吸收因子和散射因子，計算出吸收系數(shù)和散射系數(shù)，計算出消光系數(shù)。⑷測得輻射通道長度。⑸根據(jù)透射率、消光系數(shù)和輻射長度得出粉塵質(zhì)量濃度及粉塵濃度變化過程。本發(fā)明的有益效果是，測量迅速，滿足實時動態(tài)測量要求，為煤礦井下采取相應(yīng)的防塵措施具有重要意義。掌握采煤工作面粉塵的分布、運動規(guī)律，就能夠針對不同的環(huán)境采用合適的除塵方法。
文檔編號G01N15/06GK102353622SQ201110182879
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者劉丹丹, 湯春瑞, 趙燦 申請人:黑龍江科技學(xué)院