CN105484801B - 基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法 - Google Patents
基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法，本报警方法通过煤矿井下掘进工作面、采煤工作面或其它可能发生透水事故的作业面等地点放置摄像机，并在摄像机所监测巷道的排水渠下游位置放置流量监测设备；当监测到摄像机视频图像中设定区域出现异常水流，且水流持续时间超过设定的时间阈值或水流增大速度超过设定阈值，同时排水渠流量异常则发出水灾报警信号。本报警方法充分考虑了煤矿井下水灾的特征特点，实施简单，自动及时采取相应措施，可第一时间准确地对矿井突水进行报警，为未在突水发生现场的其它区域井下人员争取宝贵的救灾和逃生时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法，该方法涉及图像模式识别、传感器、通信等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。我国煤矿发生重特大事故中，矿井水灾时对矿井危害性较大的自然灾害，以煤矿事故死亡的人数计算，水害事故占15.72％，仅次于瓦斯和顶板事故，位居第三，矿井发生水灾事故后，其危害包括：
1、冲毁巷道，埋压、淹没和封堵人员。
2、伴随突水，会有大量的煤泥和岩石淤积巷道，给人员逃生造成困难。
3、损坏设备。井下电器，电缆被水浸泡后，其绝缘能力迅速下降，给井下的运输、通风、排水等造成困难，使未及时逃离人员的生还几率降低。
4、涌出大量的有毒有害气体，使未及时逃离人员的生存条件环境更加恶化。
综上所述，矿井水灾是煤矿严重的灾害，在煤矿生产中对矿井水灾的报警必须做到及时准确。目前水灾预警以水文探测预防、井下探水、先兆现象观测和为主，水文探测和井下探水可预防井下水灾事故，但由于还可能存在水文情况复杂、设计不当、措施不力、管理不善和人的思想麻痹等原因，水文探测和井下探水并不能完全防止突水的发生，更不能对突发的井下突水进行报警；先兆现象观测以人为经验判断为主，存在较大的主观因素。
目前对于现场突水事故，主要依靠现场人员的人工报警，但当突水发生在无人值守的时间或区域，或者现场人员匆忙逃离而未能主动报警，调度室就无法及时的获得已发生突水的信息，无法及时地通知井下相关工作人员，以致不能对突水事故及时采取应急措施，易造成水害失控和人员伤亡。为有效减少水灾引起的矿山财产损失和人员伤亡，需要新的井下水灾报警方法，可第一时间准确地对井下突水进行报警，为未在发生现场的其它区域井下人员争取宝贵的救灾和逃生时间。
发明内容
本发明根据井下发生突水事故时，会有大量的水向外喷射而出，并持续不断，不断增大的特点提出了一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法。在煤矿井下掘进工作面、采煤工作面或其它可能发生透水事故的作业面等地点放置摄像机，在摄像机所监测巷道的排水渠下游位置放置流量监测设备；对视频图像数据和涌水流量数据进行实时监测，当监测到摄像机视频图像中设定区域出现异常水流，且水流持续时间超过设定的时间阈值或水流增大速度超过设定阈值时，则判定为数据异常；且当监测发现涌水量增加超过设定的阈值则发出水灾报警信号。具体方法包括：
1.摄像机安装位置靠近巷道顶部或高度大于2米，在摄像机旁安装辅助光源，光投射方向与摄像机视频采集方向一致。
2.涌水量通过安装在摄像机所在巷道的排水渠内的流量监测设备监测；流量监测设备安装在摄像机所在位置的排水渠下游；流量监测设备安装位置不在摄像机监控区域内；在满足以上条件的情况下流量监测设备应尽量靠近摄像机。
3.对摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，对每帧视频图像中，设定区域A内各灰度值i的像素数进行统计，得到序列Hi；运算k帧图像的各灰度值的像素数的算术平均值，得到序列Si；求大于等于设定灰度值M1的像素总和DS，并将最后一帧图像作为背景图像b(x，y)存储，间隔时间TM对DS和b(x，y)进行更新；每间隔P帧求最新图像帧中设定区域A内大于等于设定灰度值M2的像素总和DH，当DH大于等于DS设定阈值M3时，即(DH-DS)≥M3时，触发预警，并存储b(x，y)；如(DH-DS)＜M3，则更新DS和b(x，y)，则更新DS和b(x，y)；K、P、M1、M2、M3、TM通过测量设定或人为设定得到。
4.进入预警模式后，每间隔Q1帧对摄像机采集的实时视频图像f(x，y)与所存背景图像b(x，y)进行累积差值处理，累积差值运算公式为：
式中
Pn(x，y)为处理了n帧的累积差值图像初始值为0，A为设定区域，T1为设定灰度阈值；通过累积差值运算处理Q2帧后，求大于等于设定灰度值T2的像素总和DT，如满足DT≥M4，则判定为图像数据异常；式中M4为设定的阈值；Q1、Q2、T1、T2、M4通过测量设定或人为设定得到。
5.当监测到图像数据异常后，计算并监测排水渠流量数据变化，当在时间TJ内，满足则发出水灾报警信号，式中Li为实时采集的排水渠流量数据，LS为图像数据异常前的排水渠流量数据平均值，R为设定的排水渠流量增长率阈值；TJ、R通过测量设定或人为设定得到。
附图说明
图1基于图像和涌水量监测的井下水灾报警***示意图。
图2排水渠流量监测原理示意图。
图3流量监测设备的硬件结构示意图。
图4水灾报警工作流程示意图。
图5水灾监测服务器监测流程示意图。
具体实施方式
所述水灾报警方法通过监控***实现，***组成主要包括：
1.存储服务器(101)，负责接收视频数据、排水渠流量数据并存储，为监控主机和水灾监测服务器提供查询调取服务。
2.水灾监测服务器(102)，接收摄像机采集的数字视频流，对摄像机的视频图像进行处理，监测摄像机视频图像中设定区域出现的异常持续变化，并参考存储服务器存储的相应巷道排水渠流量数据，如满足报警条件则向监控主机输出突水报警信号。当监测视频路数过多服务器处理能力不足时，可放置多台服务器分别对视频进行监测。
3.地理信息服务器(103)，负责为监控主机提供地理信息服务，使用ArcGIS平台，并存储矿井的相关地理信息数据、摄像机(107)及流量监测设备(110)的位置数据；服务器具有水灾模拟分析功能，可根据突水位置分析水灾发展情况，根据分析结果为井下各工作区域提供逃生路线信息，并发送给监控主机。
4.监控主机(104)，具有声光报警功能，接收水灾监测服务器(102)的报警信号则声光报警；具有语音合成及数字语音压缩编码功能，当从地理信息服务器(103)获得井下各工作区域的逃生路线信息后，将突水位置和逃生路线的文本信息合成语音并压缩编码，下发至各广播设备进行广播；具有实时视频监控和历史视频调取功能，生产管理人员通过监控主机查看现场视频图像并可从存储服务器(101)调取历史监控数据。
5.网络交换机(105)，负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。
6.井下交换机(106)，负责分站和其它通过网络通信设备的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。
7.摄像机(107)；采用符合煤矿隔爆要求的矿用摄像机，带有辅助光源，安装在煤矿井下掘进工作面、采煤工作面或其它可能发生透水事故的作业面等地点上，通过同轴电缆与视频服务器(108)连接。
8.视频服务器(108)，也称视频编码器，将摄像机采集的模拟视频图像数字化并压缩编码，通过矿用以太网向井上存储服务器、水灾监测服务器、监控主机传输视频数据。
9.分站(109)，也称数据采集站，负责接收流量监测设备(110)上传的排水渠流量数据，并将数据上传至水灾监控服务器。分站与流量监测设备(110)采用RS-485标准通过双绞线通信，可连接多个流量监测设备；分站通过双绞线或光缆与最近的井下交换机连接，采用TCP方式与井上的存储服务器通信，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。
10.流量监测设备(110)，用于排水渠流量采集，可使用各类矿用明渠流量测量仪，应符合煤矿井下相关隔爆标准，具有RS-485通信接口。本实施方案采用超声流量测量仪。
11.报警开关(111)，用于现场手动报警，采用RS-485标准接口，应符合煤矿井下设备安全要求。
12.广播设备(112)，用于井下语音广播，具有数字语音解码功能，将通过数字语音压缩编码的数据还原成语音，并放大播放；广播设备与分站采用RS-485标准通过双绞线连接通信。
排水渠流量监测设备工作原理如图2所示：
明渠内的流量越大，液位越高；流量越小，液位越低。对于一般的渠道，液位与流量没有确定的对应关系。在渠道内安装量水堰槽，由于堰的缺口或槽的缩口比渠道的横截面积小，因此，渠道上游水位与流量的对应关系主要取决于堰槽的几何尺寸。量水堰槽把流量转成了液位。通过测量流经量水堰槽内水流的液位，可以根据相应量水堰槽的水位-流量关系，求出流量。常用的量水堰槽根据堰口形状的不同可分为全宽堰、矩形堰、三角堰、梯形堰、巴歇尔槽式等，图2所示的装置为矩形堰，本实施方案中上游液位h通过非接触式的超声测距方式实现；设堰口宽度为b，流量计算公式为式中Ce为流量系数，与h值有关，量水堰槽的水位-流量关系可从国家计量检定规程《明渠堰槽流量计》JJG711-90中查询获得。
流量监测设备的电路硬件组成如图3所示：
1.处理器(301)选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有32k Flash，1kRAM；并有5种低功耗模式，丰富的片内***模块，灵活的时钟***等诸多优点。MSP430可在1.8～3.6V低电压下工作，***采用3.3V工作电压。
2.超声测距(302)，采用超声测距模块，信号输出部分连接MSP430F147具有中断功能的I/O端口，处理器采集超声测距模块输出的脉冲，根据脉冲长度计算得到目标距离
3.存储芯片(303)采用1片24C128，用于存储槽宽、流量系数等参数，由于只使用了一个存储芯片，所以不需设置片选地址，将片选管脚全部接地。24C512使用IIC-BUS总线通信，使用两个标准I/O接口加上拉电阻连接SCL和SDA管脚，实现处理器与存储芯片通信控制。
4.调试接口(304)，标准JTAG接口，用于单片机程序调试、烧写、升级。
5.通信接口(305)，采用RS-485标准通信方式，通信芯片使用MAX485与MSP430F147连接。
6.电源(306)，包括AC/DC模块和DC电源转换两部分，DC电源转换芯片采用MAX1724EZK33、MAX1724EZK50，转换得到3.3V和5V稳定的工作电压，分别为处理器和通信接口供电。
7.隔爆壳(307)，用于将内部电路与井下环境隔离，应符合煤矿井下相关隔爆标准。
水灾报警的工作过程如图4所示：
1.(401)摄像机采集视频图像，将模拟视频信号通过同轴电缆传输给视频服务器。
2.(402)视频服务器数字化模拟视频信号并进行压缩编码，通过网线将压缩编码后的视频数据以组播方式传输给存储服务器，监控主机和水灾监测服务器。
3.(403)水灾监测服务器实时分析由视频服务器发送的视频图像数据，监测视频中的异常水流。
4.(404)流量监测设备采集排水渠流量数据，通过RS-485通信接口模块发送至分站。
5.(405)分站通过RS-485接口接收排水渠流量数据，将数据根据设定的通信协议进行打包，将数据包通过网络接口以TCP客户端方式传送到存储服务器。
6.(406)存储服务器以TCP服务器方式接收由分站上传的排水渠流量数据，并存入数据库。
7.(407)水灾监测服务器通过访问存储服务器获得排水渠流量数据，对视频图像监测(403)结果和排水渠流量数据进行综合监测，当满足报警条件时向监控主机发出水灾报警信号，同时将所监测摄像机编号发送给监控主机。
8.(408)当现场工作人员发现水灾，按下报警按钮时，分站采集报警按钮的报警信号，将数据根据设定的通信协议进行打包，将数据包通过网络接口以TCP客户端方式传送到存储服务器。
9.(409)存储服务器存储报警数据，并转发报警信号给监控主机。
10.(410)当监控主机接到水灾监测服务器或存储服务器的报警信号时，将摄像机的或报警开关的编号发送给地理信息服务器。
11.(411)地理信息服务器根据报警摄像机或报警开关的编号确定突水位置，根据突水位置分析水灾发展情况，再根据分析结果为井下各工作区域提供逃生路线信息，并发送给监控主机。
12.(412)监控主机实时显示现场视频并自动声光报警，将突水位置和逃生路线的文本信息合成语音并压缩编码，下发至各广播设备进行广播。生产管理人员可查看现场实时视频、报警情况和设备情况，当视频和数据采集的硬件被损坏时，则调取历史现场视频数据。
13.(413)井下广播设备接收包含突水位置和逃生路线信息的语音数据，解码还原为语音信号放大播报。
水灾监测服务器的监测流程如图5所示：
1.(501)每次水灾监测服务器启动时调取监控区域A和所有监测运算相关的参数进行进行调取，如尚未设置则需手动进行设置。
2.(502)统计每帧图像区域A内各灰度值的像素数，得到序列Hi；运算K帧图像区域A内的各灰度值的像素数的算术平均值，得到序列Si。
3.(503)统计设定灰度区间内的像素数DS，
4.(504)将最后采集到一帧图像作为背景图像b(x，y)存储。
6.(506)如(DH-DS)≥M3，则执行(508)，否则执行(507)；M3为设定阈值。
7.(507)判定是否到背景图像更新时间TS，如到了更新时间则返回(502)，否则返回(505)。
8.(508)触发预警，置预警标志。
9.(509)更新存储背景图像b(x，y)。
10.(510)持续设定时间对实时视频图像与所存背景图像进行累积差值图像运算。
11.(511)对处理得到的累积差值图像进行灰度像素统计
式中f(x，y)为实时视频图像，Pn(x，y)为处理了n帧的累积差值图像初始值为0，A为设定区域，T1为设定灰度阈值；通过累积差值运算处理Q2帧后，求高于设定灰度值T2的像素总和DT。
12.(512)如DT≥M4，则执行(514)，否则执行(513)后返回(502)，M4为设定的增长率阈值。
13.(514)访问存储服务器获取排水渠流量数据，计算并监测排水渠流量数据变化，当在时间TJ内，满足则执行(515)，，否则执行(513)后返回(502)；式中Li为实时采集的排水渠流量数据，LS为图像数据异常前的排水渠流量数据平均值，R为设定的排水渠流量增长率阈值；
14.(515)发出水灾报警信号。
15.(513)清除预警标志，取消预警状态。
Claims (6)
1.一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法，其特征在于：在煤矿井下掘进工作面、采煤工作面或其它可能发生透水事故的作业面地点放置摄像机，并在摄像机所监测巷道的排水渠下游位置放置流量监测设备；对视频图像数据和涌水流量数据进行实时监测，当监测到摄像机视频图像中设定区域出现异常水流，且水流持续时间超过设定的时间阈值或水流增大速度超过设定阈值时，则判定为数据异常；且当监测发现涌水量增加超过设定的阈值则发出水灾报警信号。
2.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：摄像机安装位置靠近巷道顶部或高度大于2米，在摄像机旁安装辅助光源，光投射方向与摄像机视频采集方向一致。
3.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：涌水量通过安装在摄像机所在巷道的排水渠内的流量监测设备监测；流量监测设备安装在摄像机所在位置的排水渠下游；流量监测设备安装位置不在摄像机监控区域内；在满足以上条件的情况下流量监测设备应尽量靠近摄像机。
4.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：对摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，对每帧视频图像中，设定区域A内各灰度值i的像素数进行统计，得到序列HijHi，式中j为帧编号；运算K帧图像的各灰度值的像素数的算术平均值，得到序列Si；求大于等于设定灰度值M1的像素总和DS，并将最后一帧图像作为背景图像b(x，y)存储，间隔时间TM对DS和b(x，y)进行更新；每间隔P帧求最新图像帧中设定区域A内大于等于设定灰度值M2的像素总和DH，当DH大于等于DS设定阈值M3时，即(DH-DS)≥M3时，触发预警，并存储b(x，y)；如(DH-DS)＜M3，则更新DS和b(x，y)，DSb(x，y)；K、P、M1、M2、M3、TM通过测量设定或人为设定得到。
5.如权利要求4所述的报警方法，其特征在于：进入预警模式后，每间隔Q1帧对摄像机采集的实时视频图像f(x，y)与所存背景图像b(x，y)进行累积差值处理，累积差值运算公式为：
式中Pn(x，y)为处理了n帧的累积差值图像，初始值为0，A为设定区域，T1为设定灰度阈值；通过累积差值运算处理Q2帧后，求大于等于设定灰度值T2的像素总和DT，如满足DT≥M4，则判定为图像数据异常；式中M4为设定的阈值；Q1、Q2、T1、T2、M4通过测量设定或人为设定得到。
6.如权利要求5所述的报警方法，其特征在于：当监测到图像数据异常后，计算并监测排水渠流量数据变化，当在时间TJ内，满足则发出水灾报警信号，式中Li为实时采集的排水渠流量数据，LS为图像数据异常前的排水渠流量数据平均值，R为设定的排水渠流量增长率阈值；TJ、R通过测量设定或人为设定得到。
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