基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统，该系统设及图 像模式识别、传感器和通信等领域。
【背景技术】
[0002] 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，W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=，矿井发生水灾事故后，其危害包括：
[0003] 1、冲毁巷道，埋压、淹没和封堵人员。
[0004] 2、伴随突水，会有大量的煤泥和岩石渺积巷道，给人员逃生造成困难。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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W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搏等原因，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W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，W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，需要新的煤矿井下 水灾报警系统，可第一时间准确地对煤矿井下突水进行报警，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】
[000引本发明提出一种基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统，系统主要包括 摄像机、视频分路器、流量采集设备、图像和涌水量监测设备、视频服务器、矿用W太网、存 储服务器、监控终端;其中摄像机、视频分路器、流量采集设备、图像和涌水量监测设备、视 频服务器在井下安装，存储服务器和监控终端安装于井上;摄像机安装于煤矿井下掘进工 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，摄像机采集井下现场视频模 拟图像；图像和涌水量监测设备组成包括:核屯、处理器、存储模块、视频采集模块、串口通信 模块、网络通信模块、电源与时钟模块和隔爆壳；图像和涌水量监测设备采集并监测涌水量 数据，并监测煤矿井下现场视频中的突发且持续水流，根据监测结果发出水灾报警信号，报 警信号通过矿用W太网传输至井上监控终端;监控终端负责显示报警信息，通过视频服务 器获得现场视频，通过访问存储服务器获得历史现场视频。具体方法包括：
[0009] 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;手动设定摄像机焦距和曝光值，并关闭摄像机的自动 对焦和自动白平衡功能。
[0010] 2.图像和涌水量监测设备的视频采集模块连接摄像机模拟视频输出口，视频采集 模块负责将模拟视频信号数字化，将数字视频数据输出到核屯、处理器。
[0011] 3.图像和涌水量监测设备的串口通信模块连接流量采集设备，采集摄像机所在巷 道涌水量即排水渠流量数据；图像和涌水量监测设备的网络通信模块连接矿用W太网，通 过矿用W太网与井上的监控终端通信。
[0012] 4.对图像和涌水量监测设备的摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，存储在 存储模块中；运算K帖图像设定区域A内的各灰度值的像素数的算术平均值;求大于等于设 定灰度值Mi的像素总和化，并将最后一帖图像作为背景图像b(x，y)存储，间隔时间Ts对化和 b(x，y)进行更新;每间隔P帖求最新图像帖中设定区域A内大于等于设定灰度值M2的像素总 和Dh,当化大于等于化设定阔值M3时触发预警;进入预警模式后，每间隔化帖对摄像机采集的 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帖的累积 差值图像初始值为0，A为设定区域，Tl为设定灰度阔值;通过累积差值运算处理化帖后，求大 于等于设定灰度值T2的像素总和化，如满足化含M4,则发出水灾报警信号;式中R为设定的增 长阔值;1(、口^5、11、12、13、14、化、92、1'1、1'通过测量设定或人为设定，存储在存储模块中。
[0013] 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k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阔值;Tj、R通过测量设定 或人为设定得到，存储在存储模块中。
【附图说明】
[0014]图1报警系统示意图。
[0015]图2图像和涌水量监测设备结构示意图。
[0016]图3排水渠流量监测原理示意图。
[0017]图4流量采集设备的硬件结构示意图。
[0018]图5报警系统的工作流程示意图。
[0019]图6图像和涌水量监测设备监测流程示意图。
【具体实施方式】
[0020] 如图1所示，所述系统组成主要包括：
[0021] 1.摄像机（101 )，采用煤矿隔爆要求的隔爆模拟摄像机，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，通过同轴电缆 与视频分路器(102)连接。
[0022] 2.视频分路器(102)，负责将摄像机的一路模拟信号输出分成两路输出，其中一路 接图像和涌水量监测设备(103)，另一路接视频服务器(105)。
[0023] 3.图像和涌水量监测设备（103)，接收由视频分路器(102)输出的一路模拟视频信 号，负责对视频和排水渠流量数据进行监控，根据监测结果向监控终端发出水灾报警信号。 图像和涌水量监测设备通过串口连接流量采集设备（104)采集排水渠流量数据，通过同轴 电缆连接视频分路器(102)采集视频。
[0024] 4.流量采集设备（104)，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。
[0025] 5.视频服务器（105)，也称视频编码器，接收由视频分路器（102)输出的一路模拟 视频信号，将其数字化并压缩编码，通过矿用W太网向井上存储服务器和监控终端传输视 频数据。在本实施方案中选用海康DS-6701HW单路网络视频服务器，设置为组播方式。
[0026] 6.井下交换机（106)，是矿用W太网的井下接入设备，串接形成环网，负责视频服 务器和其它通过网络通信设备的接入和数据交换，设备接入端一般为RJ45接口，环网接续 端为光接口，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。
[0027] 7.网络交换机(107)，是矿用W太网的核屯、管理设备，负责所有接入网络的设备的 管理和数据交换。
[00%] 8.存储服务器(108)，负责接收由视频服务器上传的视频数据并存储，为监控终端 提供现场历史查询调取服务。
[0029] 9.监控终端（109)，具有声光报警功能，接收到图像和涌水量监测设备（103)的报 警数据则声光报警;监控终端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 监控终端查看由视频服务器（105)上传的现场视频图像，也可从存储服务器（108)调取历史 视频数据。生产管理人员可通过煤矿通信系统发出报警信号，对相关人员下发应急调度指 令，并通知撤出煤矿井下作业人员。监控终端内置井下地理信息，并具有地图显示引擎，本 实施方案使用MapInfo公司的可视化地图组件MapX,当水灾报警时可自动显示监测到突水 的摄像机位置。
[0030] 如图2所示，图像和涌水量监测设备组成包括:核屯、处理器、存储模块、视频采集模 块、串口通信模块、网络通信模块、电源与时钟模块和隔爆壳。
[0031] 1.核屯、处理器（201)，采用S星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T内核的微 处理器，具有8位数字视频接口，最大值支持4096 X 4096像素可编程视频同步信号输入，通 过8位数字视频接口接收视频采集模块(203)的视频数据;S3C2440通过16位总线方式连接 网络通信模块(205) ;S3C2440还具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-脚S接 口；通过UART接口与串口通信模块（204)连接通信；通过IC-BUS接口与视频采集模块 SAA7113进行控制通信，使用嵌入式Linux平台实现驱动控制通信，内置化enCV库用于视频 数据处理。
[0032]2.存储模块（202);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片 IIC-BUS 接 口的邸 PROM。
[0033] 3.视频采集模块(203);主要处理忍片采用SAA7113H视频输入处理忍片，SAA7113H 是QFP44封装，电压3.3V，通过IIC-脚S接口与核屯、处理器(201)进行控制通信，选择四路模 拟输入通道一路进行摄像头模拟场频视频信号的采集，通过8位VPO总线向核屯、处理器 (201)输出标准ITU656格式的数字视频。
[0034] 4.串口通信模块(204)使用TI公司的MAX232忍片RS-232标准串口单电源电平转换 忍片，使用5V电源供电，使用转接电缆连接9针串口实现通信。
[0(X3日]5.网络通信模块(205)，主要忍片采用DM9000，DM9000是完全集成的单忍片W太网MC控制器，上层的网络协议由核屯、处理器的内置Linux驱动支持。DM9000支持10/100M自适 应，支持3.3V与5V的电源电压。DM9000通过网络隔离变压器接口忍片化18-1080S连接RJ45 网络接口，实现对网络的物理连接进行通信。
[0036] 6.电源与时钟模块(206)包括AC/DC开关电源、DC电压转换和时钟管理元件，AC/DC 开关电源输出5V直流电，DC电压转换均采用MAX1724系列电源忍片，为所有忍片供电；选用 12MHz晶振。
[0037] 7.隔爆壳(207)用于内部电路与井下环境的物理隔离，应符合煤矿井下隔爆要求。
[0038] 排水渠流量采集设备工作原理如图3所示：
[0039]明渠内的流量越大，液位越高;流量越小，液位越低。