基于图像的采煤工作面顶板报警系统的制作方法

本发明涉及一种基于图像的采煤工作面顶板报警系统，该方法涉及自动控制、图像模式识别和通信等领域。

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，矿井顶板事故属危害性较大的自然灾害，会有大量的岩石堵塞巷道，给人员逃生造成困难，因此在煤矿生产中对矿井顶板事故必须做到提前预警及时报警。目前顶板事故预警以顶板形变测量为主，采用测量设备包括：压力传感器、位移传感器、行程开关等，这些传感器均为接触式传感器，必须在顶板固定安装。易发生顶板事故的采煤工作面，由于采煤面的不断变化，需要频繁的移动和安装传感器，使用非常不便。目前对于顶板事易发区域，仍主要依靠现场人员的人工报警，但当事故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顶板事故的信息，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，易造成灾害失控和人员伤亡。为有效减少顶板引起的矿山财产损失和人员伤亡，需要新的井下顶板事故预警和报警系统，可在无人值守期间对采煤工作面的顶板事故进行预警，并可在第一时间准确地对顶板事故进行报警，为争取宝贵的救灾和逃生时间。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于图像的采煤工作面顶板报警系统，所述报警系统采用图像识别的方式对采煤工作面液压支架姿态进行监测，从而实现对采煤工作面顶板事故的预警和报警。所述系统主要包括摄像机和液压支架监测设备；摄像机安装于采煤工作面巷道侧壁位置，用于采集至少一个液压支架的视频图像，所述视频图像包括液压支架的至少一个固定标志；所述液压支架控制设备负责对液压支架进行控制，并采集液压支架状态；所述液压支架监测设备通过摄像机采集液压支架的视频图像，通过对图像中液压支架的固定标志识别获得包括液压支架角度的数据，并将数据与已存储的支架工作角度数据进行比对，当监测到液压支架角度异常，则进入预警状态、并发出预警信息；所述液压支架监测设备在预警状态下，当监测到无视频图像或在设定时间内无法识别液压支架固定标志，则发出顶板报警信息。

所述采煤工作面顶板报警系统进一步包括：所述液压支架监测设备存储数据包括摄像机采集图像区域内的至少一个液压支架固定标志的模板图像数据，还包括液压支架的工作角度数据；所述工作角度数据是在摄像机和液压支架均处于工作位置的状态下测量得到的。

所述采煤工作面顶板报警系统进一步包括：所述激光器和摄像机安装位置包括垂直于采煤面安装的固定轨道装置；所述固定轨道装置包括可控移动轨道装置；所述可控移动轨道装置主要包括轨道和电机；所述电机用于控制摄像机在轨道上移动；所述电机由液压支架控制设备控制。

所述采煤工作面顶板报警系统进一步包括：所述固定标志的材料包括荧光材料；所述固定标志包括“十”字形标记。

所述液压支架监控报警系统进一步包括：液压支架监测设备对摄像机采集的视频图像与液压支架固定标志模板进行比对的过程包括：

a)提取数字图像中的特定颜色特征；

b)运用滤波算法对图像进行滤波处理；

c)用已调取的各液压支架标记模板与经过边缘检测的数字图像进行模式匹配处理。

附图说明

图1实施方案1系统示意图。

图2实施方案2系统示意图。

图3采煤工作面摄像机安装示意图。

图4液压支架监测服务器工作流程图。

图5液压支架模式识别及处理流程图。

具体实施方式

所述基于图像的采煤工面液压支架监控报警系统的实施方案1如图1所示，系统组成主要包括：

1.液压支架监测服务器(101)，即液压支架监测设备，接收视频服务器(103)上传的采煤工作面现场的数字化视频数据，并通过对视频图像中液压支架的固定标志识别获得包括液压支架角度数据；当监测到液压支架姿态异常，则向监控终端发出报警数据。

2.存储服务器(102)，负责接收视频服务器(103)上传的采煤工作面现场的数字化视频数据并进行存储，并为监控终端(103)提供查询调取服务。

3.监控终端(103)，负责显示采煤工作面现场视频图像，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终端查看现场视频图像并可从存储服务器(102)调取历史监控数据；可根据接收到的液压支架监测服务器(101)发送的报警数据进行报警提示，并发出声光报警。

4.网络交换机(104)，负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。

5.井下交换机(105)，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。

6.液压支架控制器(106)，为液压支架控制设备，采集与液压支架监测服务器(101)进行通信，为其提供液压支架(107)状态信息采用可编程控制器(plc)，如西门子s700系列可编程控制器；。

7.液压支架(107)，用于支撑工作面顶，由液压支架控制器(106)控制，带有传感器，包括压力传感器、行程开关、红外传感器等，为液压支架控制器(106)提供状态信号。

8.摄像机(108)，采用符合煤矿隔爆要求的矿用数字式摄像机，带有辅助光源，连接井下交换机(105)，以组播方式发送视频数据，安装在摄像机轨道上(114)。

9.摄像机轨道(109)，垂直于巷道且平行于巷道安装于工作面侧壁，采用步进电机带动轨道滑动，步进电机连接液压支架控制器(106)，根据其发送的脉冲信号控制转动，带动摄像机(108)向工作面移动到指定位置。

10.采煤机控制器(110)，用于采煤机控制，采用可编程控制器，通过网络通信端口连接井下交换机。

所述基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统的实施方案2如图2所示，与实施方案1的区别在于：

1.液压支架监测服务器(101)安装于井下，采用工控机或用于多路图像处理识别的专用设备，直接采集工作面现场视频信号并进行处理，与液压支架控制器(106)通过网络通信，也可通过工业现场总线进行通信。

2.摄像机连接设备视频分路器(111)，用于将一路模拟视频信号分成两路输出，一路连接视频编码器(112)，将视频信号数字化并压缩，通过udp单播方式传输至存储服

务器(102)；第二路模拟视频输出连接液压支架监测服务器(101)。

3.视频编码器(112)，将摄像机采集的模拟视频图像数字化并压缩编码，并向井上液压支架监测服务器(101)、存储服务器(102)、监控终端(103)传输视频数据；可采用海康ds-6701hw，以组播方式发送视频数据。

图3为采煤工作面摄像机安装示意图。如图所示，在采煤工作面进风巷和回风巷的巷道壁上，平行于巷道均安装摄像机轨道(109)，摄像机(108)安装于摄像机轨道，摄像机(108)应能采集到液压支架的固定标志，固定标志由具有特定颜色的荧光材料绘制，特定颜色包括红色、绿色、黄色、白色等。

液压支架监测服务器工作流程如图4所示：

1.(401通过液压支架控制器(106)和采煤机控制器(110)采集液压支架和采煤机工作状态数据。

2.(402)分析液压支架和采煤机工作状态数据，当监测到液压支架开始一组移架，则通过液压支架控制器(106)控制摄像机轨道电机转动带动摄像机向工作面方向移动采煤机此次进刀的距离。

3.(403)采集支架的视频图像

4.(404)对图像中的固定标记进行模式匹配识别。

5.(405)确定模式匹配得到的液压支架的角度，并与存储的液压支架工作角度进行比对检测，判定液压支架姿态是否正常。

6.(406)如液压支架姿态异常则进行相应的预警处理，向监控终端发送顶板预警信息，并进行后续报警监测，如满足报警条件则向监控终端发送顶板报警信息。

液压支架模式识别及处理流程如图5所示：

1.(501)调取当前摄像机所监测范围内的液压支架固定标记的模板图像数据和液压支架的工作角度；本示例的固定标记为采用红色荧光材料人为做的“十”字形标记，特定特征点为“十”字形标记的中心点。

2.(502)根据荧光材料的颜色提取数字图像中的颜色特征，本示例采用红色荧光材料，即对红色部分进行提取。

3.(503)运用滤波算法对图像进行滤波处理，去除电磁干扰、粉尘等干扰因素造成的图像噪声，增强图像信息，可采用多种滤波算法对图像进行滤波处理。

4.(504)用已调取的液压支架固定标记的模板图像数据与经过处理的数字图像进行模式匹配处理，在本示例中，可针对“十”字形固定标记的顶点位置关系进行模式匹配。

5.(505)对模式匹配结果进行判定，如果模式匹配成功则则执行(506)，否则执行(511)。

6.(506)计算固定标记的方向角度，在本示例中，计算顶点连线与图像边框的夹角。

7.(507)比较(508)得到的固定标记的方向角度与液压支架的工作角度的差，如果角度差大于设定阈值，则说明液压支架倾斜执行(508)；如未倾斜则返回(502)。

8.(508)向监控终端发送顶板报警信息，并进入预警状态。

9.(509)在预警状态下实时监测视频信号，如监测到无视频信号输入，则执行(510)，否则返回(502)。

10.(510)向监控终端发送报警信息。

11.(511)如处于预警状态则执行(510)进行报警处理，否则返回(502)。