一种基于视频的打钻系统及辅助验钻方法与流程

本发明涉及一种基于视频的打钻系统及辅助验钻方法，属于矿下开采管理技术领域。

背景技术：

瓦斯气体是危害矿井安全生产的重要因素之一。通常用钻机设备在矿下进行打钻时，会利用专用管道将煤层中存在或释放出的瓦斯抽出来，输送到地面或其它安全地点，以减少瓦斯气体的危害。瓦斯治理的好坏已成为煤矿企业兴衰存亡的关键因素之一。近年来，随着煤炭开采在规模和产量上逐年矿大，煤矿安全生产成为国内外面临的重大课题。

打钻管理系统是瓦斯治理的关键环节之一，如何确保实际打钻结果与设计参数一致是困扰钻场管理的工作之一，下杆计数的精确性就起到了决定性作用。在矿下打钻的过程中，只有规范好施工行为，切实强化对其的监督管理，有效地降低日常打钻过程中安全事故发生的概率，才能有效地提高煤矿企业的综合效益。

未找到与本发明极为相似的技术方案。

技术实现要素：

目前，市场上有两种计数模式，一种是人工计数，每向前钻进一根钻杆或向后回拖一根钻杆，需要有一个人员专门负责计数，人工计数结束以后，还需要安排专人去审核钻杆数量，这样耗费的人工时间成本较多。下杆数量有几十根，甚至一百多根，若遇到复杂的地层，有时会多次向前钻进或向后回拖钻杆，人工计数很容易出错，也给钻杆数量的审核带来额外的负担，工作效率较低，审核方式主要是采取人工抽检的方式对钻杆的数量进行验证,对于异常的捕捉会有遗漏的风险，存在极大的安全隐患。

市场上另一种计数模式，是通过在钻机上涂荧光剂、刷特殊颜色涂料、绘制特殊图案或者在钻杆上安装感应线圈，软件后台根据摄像机捕捉到的信息，标记钻机的移动进行自动计数，但是由于矿下环境的复杂度的各不相同、钻机上的标记容易损坏，自动计数准确性在一定程度上会受到影响。

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于视频的打钻系统及辅助验钻方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于视频的打钻系统，其特征在于，包括打钻管理模块、井上设备、井下设备，所述井上设备通过矿用本安型交换机与所述井下设备通讯连接，所述打钻管理模块分别与所述井上设备、所述井下设备通讯连接；所述井上设备包括井上服务器、nvr、井上浏览端电脑、井上矿用电源，所述井上服务器、所述nvr、所述井上浏览端电脑、所述井上矿用电源分别与所述矿用本安型交换机相连接；所述井下设备包括井下浏览端电脑、井下矿用电源、矿用本安型摄像仪、矿用本安型监控主机、矿用高低浓度甲烷传感器、矿用隔爆兼本安型远程断电器，所述井下浏览端电脑、所述矿用本安型摄像仪分别与所述矿用本安型交换机通讯连接，所述矿用本安型监控主机分别与所述矿用高低浓度甲烷传感器、所述矿用隔爆兼本安型远程断电器通讯连接，所述井下矿用电源分别与所述井下浏览端电脑、矿用本安型摄像仪、矿用本安型监控主机、矿用高低浓度甲烷传感器、矿用隔爆兼本安型远程断电器电联接。

作为一种较佳的实施例，所述井下设备还包括矿用接线盒，所述矿用接线盒的一端通讯连接所述矿用本安型监控主机，所述矿用接线盒的另一端分别通讯连接所述矿用高低浓度甲烷传感器、所述矿用隔爆兼本安型远程断电器。

作为一种较佳的实施例，所述井上服务器通过所述矿用本安型交换机连接所述矿用本安型摄像仪，通过接口和回调的方式获取所述矿用本安型摄像仪的打钻数据，通过websocket协议的方式发送给所述井上服务器的websocket客户端或者直接将打钻数据送入所述打钻管理模块的数据库中。

作为一种较佳的实施例，所述矿用本安型摄像仪用于监控矿下的环境，在打钻管理模块上选择辅助验钻的功能时，所述矿用本安型摄像仪会监控钻杆的打钻和下杆并进行计数。

作为一种较佳的实施例，所述矿用本安型钻场监控主机用于实现钻杆计数的手动计数，实现语音的对讲、喊话、监听的操作。

作为一种较佳的实施例，所述矿用高低浓度甲烷传感器用于监控井下的甲烷是否超标，超标后会在打钻管理模块的界面进行告警显示；所述矿用隔爆兼本安型远程断电器用于当矿下甲烷的浓度达到设定的危险数值，此时会有较高的危险，断电器会远程直接对井下矿用电源进行断电处理，当浓度下降到正常数值后，再进行复电操作。

作为一种较佳的实施例，所述打钻管理模块分别设置于所述井上浏览端电脑、所述井下浏览端电脑中。

本发明还提出一种基于视频的辅助验钻方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤ss1：在浏览器电脑中输入打钻管理模块的地址，输入用户名和密码，登录打钻管理模块的前端页面；

步骤ss2：在打钻管理模块上选择计数模式为“辅助验钻”模式，框选钻杆的位置，并由浏览器电脑通过矿用本安型摄像仪监控钻杆的移动和操作；

步骤ss3：当钻杆进行一次下杆操作以后，通过矿用本安型监控主机记录每一次下杆数量；

步骤ss4：矿用本安型监控主机记录的下杆数量以及辅助验钻监控的下杆数量，通过通讯服务保存到数据库；

步骤ss5：打钻管理模块后端通过数据库获取下杆数量显示到打钻管理模块的前端界面，下杆结束以后，会立即生成验钻分析报表，对于每根钻杆的下杆时间和视频都有详细的记录，当辅助验钻生成的数据和手动计数的数据出现异常时，审核人员及时查看具体的现场监控视频分析原因。

作为一种较佳的实施例，所述辅助验钻采用ncc算法，具体包括：ncc算法是一种基于统计学计算两组样本数据相关性的算法，其取值范围为[-1,1]之间，而对图像来说，每个像素点都看成是rgb数值，这样整副图像就可以看成是一个样本数据的集合，如果它有一个子集与另外一个样本数据相互匹配则它的ncc值为1，表示相关性很高，如果是-1则表示完全不相关，基于这个原理，实现图像基于模板匹配识别算法，其中第一步就要归一化数据，数学公式如下：

；

其中f表示像素点p的灰度值、μ表示窗口所有像素平均值、σ表示标准方差假设t表示模板像素值，则完整的ncc计算公式表示如下：

；

其中n表示模板的像素总数，n-1是自由度。

作为一种较佳的实施例，所述ncc算法的实现步骤包括：

步骤1：获取模板像素并计算均值与标准方差、像素与均值diff数据样本；

步骤2：根据模板大小，在目标图像上从左到右，从上到下移动窗口，计算每移动一个像素之后窗口内像素与模板像素的ncc值，与阈值比较，若大于阈值则记录位置；

步骤3：根据步骤2得到的位置信息，使用矩形标记处模板匹配识别结果；

步骤4：打钻管理模块的前端界面显示结果。

本发明所达到的有益效果：第一，本发明的辅助验钻功能在下杆打钻结束以后，生成验钻分析图表，通过验钻分析图表，审核者可及时查看手动数杆的数量和验钻的数量之间的异常；第二，本发明用辅助验钻代替了人工审核数钻，降低了人工复核的成本，防止计错，提高了工作效率，而且以前审核数钻只是抽检，通过验钻分析图表可以查看任何一个有异常的下杆，可实现对计数过程的全程校验，准确率达到100％；第三，本发明极大地提高了打钻记录的实时性、准确性和可靠性，减轻了钻场管理人员的工作强度，为钻场管理提供有效的监控手段，为煤矿安全生产提供有力保障。

附图说明

图1是本发明的打钻管理系统的优选实施例的拓扑图。

图2是本发明的打钻管理模块的手动计数的流程图。

图3是本发明的辅助验钻方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种基于视频的打钻系统，其特征在于，包括打钻管理模块、井上设备、井下设备，所述井上设备通过矿用本安型交换机与所述井下设备通讯连接，所述打钻管理模块分别与所述井上设备、所述井下设备通讯连接；所述井上设备包括井上服务器、nvr、井上浏览端电脑、井上矿用电源，所述井上服务器、所述nvr、所述井上浏览端电脑、所述井上矿用电源分别与所述矿用本安型交换机相连接；所述井下设备包括井下浏览端电脑、井下矿用电源、矿用本安型摄像仪、矿用本安型监控主机、矿用高低浓度甲烷传感器、矿用隔爆兼本安型远程断电器，所述井下浏览端电脑、所述矿用本安型摄像仪分别与所述矿用本安型交换机通讯连接，所述矿用本安型监控主机分别与所述矿用高低浓度甲烷传感器、所述矿用隔爆兼本安型远程断电器通讯连接，所述井下矿用电源分别与所述井下浏览端电脑、矿用本安型摄像仪、矿用本安型监控主机、矿用高低浓度甲烷传感器、矿用隔爆兼本安型远程断电器电联接。

作为一种较佳的实施例，所述井下设备还包括矿用接线盒，所述矿用接线盒的一端通讯连接所述矿用本安型监控主机，所述矿用接线盒的另一端分别通讯连接所述矿用高低浓度甲烷传感器、所述矿用隔爆兼本安型远程断电器。

井上设备详解：井上服务器：通信服务通过485通讯连接矿用本安型摄像仪，通过接口和回调的方式获取相关数据，通过websocket的方式发送给websocket客户端或者直接送给数据库。websocket客户端获取数据——与矿用本安型摄像仪485通信链接一直保持打开，获取数据时可直接获取数据返回。推送数据到websocket客户端——不需要频繁的发送请求，减少web服务器的压力，链接不需等待数据返回，增加通信效率；制定发送和返回的协议格式——需要定义发送和返回的协议格式，错误的格式不处理。

nvr：全称networkvideorecorder，即网络视频录像机，是网络视频监控系统的存储转发部分，nvr与视频编码器或网络摄像机协同工作，完成视频的录像、存储及转发功能。

井上浏览端电脑和井下浏览端电脑：websocket客户端根据登录用户的token推送权限内的信息，打钻管理模块的前端界面通过nvr可实时查看现场视频。

矿本安型交换机：用于和井下的设备进行的网络连接。井上矿用电源：井上设备的专业矿用电源。

井下设备详解：矿用本安型摄像仪：用于监控矿下的环境，在打钻管理软件上选择辅助验钻的功能时，摄像机会监控钻杆的打钻和下杆并进行计数。矿用本安型钻场监控主机：可实现钻杆计数的手动计数，实现语音的对讲、喊话、监听的操作。矿用高低浓度甲烷传感器：用于监控井下的甲烷是否超标，超标后会在打钻管理模块的前端界面进行告警显示。矿用隔爆兼本安型远程断电器：当矿下甲烷的浓度达到设定的危险数值，此时会有较高的危险，断电器会远程直接对井下的电源进行断电处理，当浓度下降到正常数值后，再进行复电操作。井下矿用电源：井下设备的专业矿用电源。

打钻管理系统主要由打钻管理模块、服务器、矿用本安型摄像仪、矿用本安型监控主机、矿用本安型交换机、矿用高低浓度甲烷传感器、井上矿用电源、矿用隔爆兼本安型远程断电器、井下矿用电源等组成。

本发明的打钻管理系统集计算机信息管理、通信控制、计数器、视频监测等技术于一体。实现打钻过程参数记录、现场打钻钻杆数量实时显示、地面软件实时进行辅助验钻、钻场与地面调度可视通话、视频记录存档、实际参数与设计参数比对等功能。

websocket协议是基于tcp的一种新的网络协议。它实现了浏览器与服务器全双工(full-duplex)通信——允许服务器主动发送信息给客户端。通信方式：服务器与客户端直接的通信基于对象的传递。客户端请求信息发送requestpacket（请求包），服务器推送数据发送responsepacket（返回包）。通过c++提供的操作库获取包括视频数据获取和下杆的辅助验钻读数，通过通信模块发送给指定的客户端。

如图2所示的是本发明的打钻管理模块的手动计数的流程图，具体包括：在浏览器电脑中输入打钻管理模块的地址，输入用户名和密码，登录打钻管理模块的前端页面；在打钻管理模块上选择计数模式为“手动计数”模式；井下操作人员根据实际下杆的数量，在矿用本安型监控主机上进行计数的增加；矿用本安型监控主机实时将下杆数量通过通信服务存储到数据库；打钻管理模块的后端从数据库获取下杆的数量，通过打钻管理模块的前端实时显示出来。

如图3所示，本发明还提出一种基于视频的辅助验钻方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤ss1：在浏览器电脑中输入打钻管理模块的地址，输入用户名和密码，登录打钻管理模块的前端页面；

步骤ss2：在打钻管理模块上选择计数模式为“辅助验钻”模式，框选钻杆的位置，并由浏览器电脑通过矿用本安型摄像仪监控钻杆的移动和操作；

步骤ss3：当钻杆进行一次下杆操作以后，通过矿用本安型监控主机记录每一次下杆数量；

步骤ss4：矿用本安型监控主机记录的下杆数量以及辅助验钻监控的下杆数量，通过通讯服务保存到数据库；

步骤ss5：打钻管理模块后端通过数据库获取下杆数量显示到打钻管理模块的前端界面，下杆结束以后，会立即生成验钻分析报表，对于每根钻杆的下杆时间和视频都有详细的记录，当辅助验钻生成的数据和手动计数的数据出现异常时，审核人员及时查看具体的现场监控视频分析原因。

作为一种较佳的实施例，所述辅助验钻采用ncc（normalizedcrosscorrelation）算法，归一化互相关匹配法，是基于图像灰度信息的匹配方法。具体包括：ncc算法是一种基于统计学计算两组样本数据相关性的算法，其取值范围为[-1,1]之间，而对图像来说，每个像素点都看成是rgb数值，这样整副图像就可以看成是一个样本数据的集合，如果它有一个子集与另外一个样本数据相互匹配则它的ncc值为1，表示相关性很高，如果是-1则表示完全不相关，基于这个原理，实现图像基于模板匹配识别算法，其中第一步就要归一化数据，数学公式如下：

；

其中f表示像素点p的灰度值、μ表示窗口所有像素平均值、σ表示标准方差假设t表示模板像素值，则完整的ncc计算公式表示如下：

；

其中n表示模板的像素总数，n-1是自由度。

作为一种较佳的实施例，所述ncc算法的实现步骤包括：

步骤1：获取模板像素并计算均值与标准方差、像素与均值diff数据样本；

步骤2：根据模板大小，在目标图像上从左到右，从上到下移动窗口，计算每移动一个像素之后窗口内像素与模板像素的ncc值，与阈值比较，若大于阈值则记录位置；

步骤3：根据步骤2得到的位置信息，使用矩形标记处模板匹配识别结果；

步骤4：打钻管理模块的前端界面显示结果。

本发明的关键点为一种基于视频的辅助验钻方法及打钻管理系统，是一种图像处理技术，具体是利用高清摄像机拍摄的画面，通过nnc算法，对视频里的钻头运动进行跟踪，在目标图像上从左到右，从上到下移动窗口，计算每移动一个像素之后窗口内像素与模板像素的ncc值，与阈值比较，大于阈值则记录位置，测试分析根据轨迹并计算出钻杆数量，根据钻杆数量，可以计算出钻孔深度，避免了人为因素造成的数据错误，可以实时或事后处理数据。对井下复杂环境中低质量视频的目标进行自动跟踪识别，该方法不仅能够解决井下运动目标复杂，井下工人对钻孔视频产生的遮挡问题，而且还能应对井下矿灯以及工人头顶灯中产生的复杂光照环境，自动生成跟踪结果，自动定量分析及计数判断结果，下杆结束以后，会立即生成验钻分析报表，对于每根钻杆的下杆时间和视频都有详细的记录，当辅助验钻生成的数据和手动计数的数据出现异常时，审核人员可以及时查看具体的现场监控视频分析原因，一种基于视频的辅助验钻方法准确率达百分百，打钻管理系统的实时性很强。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。