基于图像和水质监测设备的井下水灾报警系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于图像和水质监测设备的井下水灾报警系统，该系统涉及图像 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，以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，位居第三，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淤积巷道，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。目前水灾预警以水文探测预防、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痹等原因，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;先兆现象观测以人为经验判断为主，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，以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】
[0008] 本发明提出一种基于图像和水质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、图像和水质监测设备、视频服务器、矿用以太网、存储服务器、监控终端； 其中摄像机、视频分路器、图像和水质监测设备、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;图像和水质监测设备组成包括： 核心处理器、水质传感器探头、检测模块、存储模块、视频采集模块、网络通信模块、电源与 时钟模块和隔爆壳；图像和水质监测设备采集巷道排水渠的水质参数数据，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，报警信号通过矿用以 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。所述系统进一步包括：
[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.图像和水质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心处理器。
[0011] 3.图像和水质监测设安装在摄像机所在巷道的排水渠的下游位置，安装位置不在 摄像机监控区域内；在满足以上条件的情况下水质监测设备应尽量靠近摄像机。
[0012] 4.图像和水质监测设备采集以下参数中的一种或多种水质参数数据:水的特定光 谱、PH值、电导、水温、浊度；图像和水质监测通过网络通信模块连接矿用以太网，再通过矿 用以太网与井上的监控终端通信。
[0013] 5.在图像和水质监测设备工作前，需对图像和水质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帧图像的区域A内各灰度值的像素数的算 术平均值;求大于等于设定灰度值施的像素总和Ds，并将最后一帧图像作为背景图像b(x，y) 存储，间隔时间Ts对Ds和b(x，y)进行更新;每间隔P帧求最新图像帧中区域A内大于等于设定 灰度值M 2的像素总和Dh，当Dh大于等于Ds设定阈值M3时触发预警;1^、^1、1 2、13通过测量 设定或人为设定，存储在存储模块中。
[0014] 6.进入预警模式后，每间隔&帧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 η帧的累积 差值图像初始值为〇，A为设定区域，T1为设定灰度阈值;通过累积差值运算处理出帧后，求大 于等于设定灰度值T2的像素总和DT，如满足Dt2M4,则发出水灾报警信号;式中R为设定的增 长阈值;Qi、Q 2、T1、T2 A通过测量设定或人为设定，存储在存储模块中。
[0015] 7.当监测到图像数据异常后，计算并监测水质数据变化，当在时间Tj内，如所监测 各种水质参数中的某种参数或多种参数满足
，则发出水灾 报警信号，式中i为监测各种水质参数的编号，L11为实时采集的水质参数的数据，Ls1为所监 测的水质参数的数据的算数平均值,R1为设定的水质参数的数据变化率阈值;I^R1通过测 量设定或人为设定得到。
【附图说明】
[0016] 图1基于图像和水质监测设备的井下水灾报警系统示意图。
[0017] 图2图像和水质监测设备结构示意图。
[0018] 图3报警系统的工作流程示意图。
[0019] 图4图像和水质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 接图像和水质监测设备（103)，另一路接视频服务器(105)。
[0023] 3.图像和水质监测设备（103)，接收由视频分路器（102)输出的一路模拟视频信 号，并采集各水质参数数据，对视频和水质参数数据进行监控，根据监测结果向监控终端发 出水灾报警信号;通过同轴电缆连接视频分路器(102)采集视频。
[0024] 4.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，通过矿用以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。
[0025] 5.井下交换机（106)，是矿用以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。
[0026] 6.网络交换机（107)，是矿用以太网的核心管理设备，负责所有接入网络的设备的 管理和数据交换。
[0027] 7.存储服务器(108)，负责接收由摄像机发送的视频数据并存储，为监控终端提供 现场历史查询调取服务。
[0028] 8.监控终端（109)，具有声光报警功能，接收到图像和水质监测设备（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。
[0029] 如图2所示，图像和水质监测设备组成包括：
[0030] 1.核心处理器（201)，采用三星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(205)的视频数据;S3C2440通过16位总线方式连接 网络通信模块(207) ;S3C2440还具有3个UART接口，2个SPI接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接 口；通过IC-BUS接口与视频采集模块SAA7113进行控制通信；使用A/D转换口与检测模块 (203)连接;使用嵌入式Linux平台实现驱动控制通信，内置OpenCV库用于视频数据处理。
[0031] 2.水质传感器探头（202)，采用单参数或多参数探头，包括特定光谱、PH值、电导、 水温、浊度。探头置于在水质采样连通池，通过水质传感器标准接口连接图像和水质监测设 备的主机。
[0032] 3.检测模块(203)，为探头供电并将水质传感器探头采集的模拟信号转换为核心 处理器(201)可采集的电压变化信号。
[0033] 4.存储模块（204);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片 IIC-BUS接口的 EEPROM。
[0034] 5.视频采集模块(205);主要处理芯片采用SAA7113H视频输入处理芯片，SAA7113H 是QFP44封装，电压3.3V，通过IIC-BUS接口与核心处理器(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