基于图像和水浸监测的井下水灾报警方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法，该方法设及图像模 式识别、传感器、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：
[000引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。
[0008] 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】
[0009] 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水浸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，在所有与摄像机所 在巷道连通的巷道、特别是低于摄像机平面的巷道放置水浸传感器；对视频图像数据和巷 道的浸水情况进行实时监测，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阔值或水流增大速度超过设定阔值时，则判定为数据异常；且当 发现巷道浸水则发出水灾报警信号。所述水灾报警方法具体包括：
[0010] 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；关闭摄像机的自动对焦和自动白平衡功能。
[0011] 2.水浸传感器的探头应安装于巷道壁，探头数量不少于2组，由低到高顺序安装， 每组探头间隔不小于5厘米，最低一组探头距巷道底部距离不大于5厘米；水浸传感器的电 路盒安装固定在巷道墙壁或巷道顶部，安装高度不低于1. 5米。
[0012] 3.对摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，对每帖视频图像设定区域A内各 灰度值i的像素数进行统计，得到序列Hi;运算K帖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Mi的像素总和Ds, ,并将最 后一帖图像作为背景图像b (X，y)存储，间隔时间Tm对D S和b (X，y)进行更新；每间隔P帖 求最新图像帖中大于等于设定灰度值Mz的像素总和DH，
，当Dh大于等于DS设定 阔值Ms时，即值H-Ds) 时，触发预警，并存储b(x，y);如值H-Ds) <Ms,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。
[0013] 4.进入预警模式后，每间隔Qi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：
[0014]
[001引式中P"(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Qz帖后，求大于等于设定灰度值Tz的像素总和Dt,如满足 Dt^M4,则判定为图像数据异常；式中Ma为设定的阔值；Qi、Q2、Ti、T2、Ma通过测量设定或人 为设定得到。
[0016] 5.当监测到图像数据异常后，间隔时间Tj监测水浸传感器数据变化，当水浸传感 器监测到浸水报警，则发出水灾报警信号，iyi过测量设定或人为设定得到。
【附图说明】
[0017] 图1基于图像和水浸监测的井下水灾报警系统示意图。
[0018] 图2水浸传感器结构示意图。
[0019] 图3水灾报警工作流程示意图。
[0020] 图4水灾监测服务器监测流程示意图。
【具体实施方式】
[0021] 所述水灾报警方法通过监控系统实现，系统组成主要包括：
[0022] 1.存储服务器（101)，负责接收由摄像机视频、水浸状态数据并存储，为监控主机 和水灾监测服务器提供查询调取服务。
[0023]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 的相应巷道水浸状态数据，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。
[0024] 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)及水浸传感器（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。
[002引 4.监控主机（104)，具有声光报警功能，接收水灾监测服务器（10?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。
[0026] 5.网络交换机（105)，负责所有接入矿用W太网的设备的管理和数据交换。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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W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。
[0030] 9.分站（109)，也称数据采集站，负责接收水浸传感器（110)上传的水浸状态数 据，并将数据上传至水灾监控服务器。分站与水浸传感器（110)采用RS-485标准通过双 绞线通信，可连接多个水浸传感器；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。
[0031] 10.水浸传感器（110)，用于检测巷道浸水情况，采用多路输入水浸传感器，每路 对应安装1组探头；探头安装于巷道壁，探头数目不少于2组，即水浸传感器不少于2路输 入；探头由低到高顺序安装，每组探头间隔不小于5厘米，最低一组探头距巷道底部距离不 大于5厘米；水浸传感器的电路盒安装固定在巷道墙壁或巷道顶部，安装高度不低于1. 5 米。
[0032] 11.广播设备（111)，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。
[0033] 水浸传感器组成如图2所示，电路设计应满足井下本质安全要求：
[0034] 1.处理器（201)选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构， 具有32kFlash,ARAM;并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸 多优点。MSP430可在1.8~3. 6V低电压下工作，系统采用3. 3V工作电压。
[003引 2.探头（202)，采用梳型线感应回路，是用丝网印刷技术印制在陶瓷基片上的钮 银线条，高溫处理后接点连接牢固，抗氧化和抗外界环境影响能力强，在无浸水情况下两根 感应线间电阻为无穷大，浸没在水中也需2-3S的时间才能达到低阻的稳定状态，