基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统，该系统涉及红外测温技术、数字图像处理技术和传感器技术等领域。

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，我国煤矿重特大事故中瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的66.5％。瓦斯爆炸和煤尘爆炸等事故，由于创伤和烧伤造成人员死亡人数不足20％，一氧化碳中毒窒息死亡人数达80％多。因此，能够第一时间对井下爆炸灾害进行报警，是及时进行应急救援，挽救井下遇险人员生命的重要保障。目前，矿井安全监测监控系统主要监测瓦斯浓度、风速、风向等，无爆炸灾害自动报警功能；矿井爆炸事故靠人工发现，发现和处置不及时，耽误了宝贵的逃生和救援时间，造成大量人员伤亡。因此，急需矿井爆炸自动报警方法，快速、准确自动发现爆炸事故并报警，为及时进行灾害处置和应急救援提供技术保障。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统，系统主要包括：爆炸报警服务器、监控终端、矿用通信网络、通信分站、红外图像采集设备和环境数据监测设备；在煤矿井下安装至少一个红外图像采集设备和至少一个环境数据监测设备；所述环境数据监测设备包括风速传感器、气压传感器、爆炸音传感器、振动传感器、氧气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、紫外线传感器；红外图像采集设备通过网络接口直接接入矿用通信网络；环境数据监测设备连接井下的通信分站，通过通信分站接入矿用通信网络；爆炸报警服务器和监控终端连接矿用通信网络；爆炸报警服务器通过矿用通信网络系统接收红外图像采集设备、环境数据监测设备上传的井下红外视频图像数据、环境数据，并根据通信情况监测红外图像采集设备、环境数据监测设备的工作状态，爆炸报警服务器通过监测红外视频图像中高温区域特征、环境数据变化、红外图像采集设备及环境数据监测设备工作状态发出预警或爆炸报警信号，预警或爆炸报警信号通过矿用通信网络传输至监控终端；监控终端负责输出报警信息，通过矿用通信网络访问爆炸报警服务器获得实时和历史数据。

1.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述爆炸报警服务器所监测的环境数据包括：风速传感器、气压传感器、振动传感器的设定时间内的超限波动信号；氧气浓度传感器低限信号；一氧化碳浓度传感器和二氧化碳浓度传感器的超限信号；爆炸音传感器和紫外线传感器的报警信号。

2.所述爆炸报警服务器监测内容进一步包括：红外视频图像中高温区域面积、高温区域面积增长速度、高温区域最高温度、高温区域温度分布特征、高温区域最高温度变化速度、环境数据变化异常、红外图像采集设备工作异常、环境数据监测设备工作异常。

3.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述红外图像采集设备安装位置包括井下巷道顶部，镜头沿巷道朝向工作面方向。

4.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述通信分站具有有线和无线通信功能，通过无线通信或有线通信接口与通信分站通信。

5.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述爆炸报警服务器接收并监测多个红外图像采集设备的红外视频图像数据，分别根据红外视频图像数据监测结果对各红外图像采集设备监测区域进行预警，根据最早发出预警信号的红外图像采集设备所在安装位置确定爆源位置。

6.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述红外图像采集设备包括输出的红外视频图像包括灰度视频图像和伪彩视频图像的红外摄像机，爆炸报警服务器所监测的数据包括红外视频图像亮度和颜色值。

附图说明

图1基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统实施方案示意图。

图2基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统报警流程示例图。

图3红外图像监测流程示例图。

图4环境数据监测流程示意图。

具体实施方式

图1为基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统的实施示例，主要组成包括：

1.爆炸报警服务器(101)，负责监测由红外摄像机(107)采集的红外视频图像及所有环境数据监测设备采集的数据，并对数据进行存储转发，当数据值或数据变化满足报警条件，则向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出爆炸报警数据。连接矿用通信网络。爆炸报警服务器可采用计算机、服务器、智能图像处理设备、FPGA或嵌入式设备。

2.监控终端(102)，负责提供井下环境监控数据显示服务，由爆炸报警服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对爆炸报警服务器(101)存储的历史数据调取查询。连接核心交换机(105)接入矿用通信网络。

3.远程监控终端(103)，负责提供井下环境监控数据显示服务，通过互联网接入矿用通信网络访问爆炸报警服务器(101)，由爆炸报警服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据，具有声光报警功能；远程安全生产监督人员可通过远程监控终端对爆炸报警服务器(101)存储的历史数据调取查询。

4.用户移动设备(104)，指安装了专用监控应用程序的移动智能设备，包括智能手机、平板电脑等，通过互联网接入矿用通信网络访问爆炸报警服务器(101)，由爆炸报警服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据。

5.核心交换机(105)，矿用通信网络的核心管理和交换设备，负责所有接入矿用通信网络的设备的管理和数据交换，具有路由功能，连接互联网。

6.环网交换机(106)，矿用通信网络的井下交换设备，安装在井下，多个环网交换机以环网方式连接。

7.红外摄像机(107)，即红外图像采集设备，安装于巷道内，负责采集井下巷道及工作面等易发生爆炸的区域的红外视频图像，红外视频图像可为灰度图像，也可为伪彩图像，温度与亮度及色彩对应；红外摄像机采用具有网络输出功能的红外热成像摄像机。

8.通信分站(108)负责接收环境数据监测设备采集的数据，并将数据通过矿用以太环网上传至爆炸报警服务器(101)，具有有线与无线通信功能。

9.风速传感器(109)，可采用机械式风速传感器，也可采用一体化超声波风速风向传感器，通过交叉超声波的时间差得到风速及风向。可采用HS-FSSB01一体化超声波风速风向传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

10.气压传感器(110)，用于监测巷道差压采集空气压力数据，可采用煤矿用负压传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

11.爆炸音传感器(111)，用于采集监测声音数据，可采用主要由LM393和驻极体话筒组成的声音传感器，可调节触发灵敏度以监测爆炸音，当监测到爆炸音时，发出爆炸音报警信号。爆炸音传感器通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

12.振动传感器(112)，负责采集振动信号，并将信号数字化，再将数字化得到的数据传输至通信分站(108)，可采用BOSCH数字式三轴加速度传感器BMA250，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

13.氧气浓度传感器(113)，负责采集空气中氧气浓度数据，采用数字式矿用氧气传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

14.一氧化碳浓度传感器(114)，负责采集空气中一氧化碳浓度数据，采用数字式矿用一氧化碳传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

15.二氧化碳浓度传感器(115)，负责采集空气中二氧化碳浓度数据，采用数字式矿用二氧化碳传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

16.紫外线传感器(116)，负责监测紫外线，当监测到紫外线超过设定阈值发出报警信号，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

基于红外图像的矿井爆炸监测报警系统数据传输及报警流程如图2所示。

1.(201)红外摄像机(107)采集红外视频图像并数字化和视频压缩通过网络接口传送至环网交换机(106)。

2.(202)环境数据监测设备即风速传感器、气压传感器、爆炸音传感器、振动传感器、氧气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、紫外线传感器通过无线通信方式将环境数据传输给通信分站(108)；

3.(203)通信分站(108)将环境数据通过网络接口传送至矿用通信网的环网交换机(106)；

4.(204)环网交换机(106)将红外视频图像数据和环境数据通过网络接口传送至矿用通信网的核心交换机(105)；

5.(205)核心交换机(105)将红外视频图像数据和环境数据通过网络接口传送至爆炸报警服务器(101)；

6.(206)爆炸报警服务器(101)对红外视频图像数据和环境数据进行监测处理，根据监测结果通过网络接口分别向监控终端(102)通过互联网向远程监控终端(103)、用户移动设备(104)发出预警或报警信号。

7.(207)监控终端(102)、远程监控终端(103)、用户移动设备(104)根据预警或报警信号进行声光报警。

红外图像监测流程示例如图3所示，包括：

1.(301)爆炸报警服务器统计红外图像中超过设定温度阈值C1的连通像素点的数目M1，如M1＞MA(MA为设定像素数目阈值)，则进入一级预警并发送一级预警信号；

2.(302)爆炸报警服务器统计红外图像中超过设定温度阈值C2(C2＞C1)的连通像素点的数目M2，如M2＞MB(MB为设定像素数目阈值)，则进入一级预警并发送一级预警信号；

3.(303)爆炸报警服务器统计红外图像中超过设定温度阈值C1的连通像素点的数目M1，如M1＞MC(MC为设定像素数目阈值，MC＜MA)，则记录当前最高温度CM，记录M1当前值为MT，并进入二级预警且发送二级预警信号；否则，爆炸报警服务器统计红外图像中超过设定温度阈值C3(C3＜C1)的连通像素点的数目M3，和超过设定温度阈值CH(CH＞C3)的连通像素点的数目MH，如满足查找M3的所有像素点中x和y坐标值最小和最大值xmax、xmin、ymax、ymin，查找MH的所有像素点中x和y坐标值最小和最大值xHmax、xHmin、yHmax、yHmin，如满足xmax＞xHmax且xmin＜xHmin、且ymax＞yHmax且ymin＜yHmin，则记录当前最高温度CM，并记录M3当前值为MT，并进入二级预警且发送二级预警信号；进入二级预警状态后的时间T1内，最高温度CMax的增长率超过设定阈值N1，则进入一级预警并发送一级预警信号；否则，监测进入二级预警状态后的时间T2内，超过设定温度阈值C1的连通像素点的数目M1的增长率是否超过设定阈值,N2，如超过则进入一级预警并发送一级预警信号；

4.(304)监测红外图像采集设备工作状态，当监测到红外图像采集设备无法通信，则向发出监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出红外图像采集设备故障报警信号，同时监测环境数据变化，当监测到环境数据变化异常，则发出爆炸报警；

5.(305)爆炸报警服务器同时监测环境数据变化和环境数据监测设备工作状态，当监测到环境数据变化异常或环境数据监测设备工作异常，且一级预警，则发出爆炸报警。

在以上示例中，所述爆炸报警服务器(101)对红外摄像机(107)上传的红外图像进行处理，红外图像可为灰度图像，也可为伪彩图像，由于热成像图像的亮度和色彩与温度存在对应关系，所以以上监测流程中的所有温度值可由对应的亮度和色彩值进行替代进行处理。以上监测过程可采用FPGA或嵌入式设备实现。

图4为环境数据监测流程示意图，此监测过程与红外图像监测同时运行。

1.(401)爆炸报警服务器通过通信分站采集风速传感器(109)上传的风速数据，监测风速值是否超过设定阈值，并定时监测风速值变化，当监测到风速值超过设定阈值，或风速值增长率超过设定阈值，则记录当前风速值用于轮询监测风速值变化率，当在轮询中监测到在设定时间TF内风速值下降率超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；

2.(402)爆炸报警服务器通过通信分站采集气压传感器(110)上传的气压数据，监测气压值是否超过设定阈值，并定时监测气压值变化，当监测到气压值超过设定阈值，或气压值增长率超过设定阈值，则记录当前气压值用于轮询监测气压值变化率，当在轮询中监测到在设定时间TY内气压值下降率超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；

3.(403)爆炸报警服务器通过通信分站采集爆炸音传感器(111)的数据，当接收到爆炸音报警信号，则判定环境数据变化异常；

4.(404)爆炸报警服务器通过通信分站采集振动传感器(112)上传的振动数据，监测振动幅度是否超过设定阈值，并定时监测振动幅度变化，当监测到振动幅度超过设定阈值，或振动幅度增长率超过设定阈值，则记录当前振动幅度值用于轮询监测振动幅度值变化率，当在轮询中监测到在设定时间TZ内振动幅度值下降率超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；

5.(405)爆炸报警服务器通过通信分站采集氧气浓度传感器(113)上传的氧气浓度数据，当监测到氧气浓度低于设定阈值或氧气浓度降低速度超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；

6.(406)爆炸报警服务器通过通信分站采集一氧化碳浓度传感器(114)上传的一氧化碳浓度数据，当监测到一氧化碳浓度高于设定阈值或一氧化碳浓度升高速度超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；

7.(407)爆炸报警服务器通过通信分站采集二氧化碳浓度传感器(115)上传的二氧化碳浓度数据，当监测到二氧化碳浓度高于设定阈值或二氧化碳浓度升高速度超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；

8.(408)爆炸报警服务器通过通信分站采集紫外线传感器(116)上传的数据，当接收到紫外线传感器报警信号，则判定环境数据变化异常。

以上监测过程可采用FPGA或嵌入式设备实现。