基于图像和水仓监测的井下水灾报警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于图像和水仓监测的井下水灾报警方法，该方法涉及图像模式 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，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】
[0008] 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仓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地点放置摄像机，同时采集摄像机所在 巷道的排水渠下游水仓的液位数据和排水量数据;对视频图像数据和水仓的液位数据进行 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 的时间阈值或水流增大速度超过设定阈值时，则判定为数据异常;且当发现水仓的进水量 增加超过设定的阈值则发出水灾报警信号。所述方法具体包括：
[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;关闭摄像机的自动对焦和自动白平衡功能。
[0010] 2.对摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，对每帧视频图像区域A内各灰度值 i的像素数进行统计，得到序列H1;运算K帧图像区域A内的各灰度值的像素数的算术平均 值，
得到序列S1;求大于等于设定灰度值仏的像素总和D S，_
并将最后 一帧图像作为背景图像b (X，y)存储，间隔时间Tm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跑的像素总和Dh，
当Dh大于等于Ds设定 阈值M3时，即（Dh-Ds ) 2 M3时，触发预警，并存储b (X，y);如(Dh-Ds ) <M3，则更新Ds和b (X，y)，则 更新Ds和b(x，y) ;K、P、Mi、M2、M3、Tm通过测量设定或人为设定得到。
[0011] 3.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：
[0013] 式中pn(x，y)为处理了 η帧的累积差值图像，初始值为0，A为设定区域，T1S设定灰 度阈值;通过累积差值运算处理Q2帧后，求大于等于设定灰度值T 2的像素总和Dt，如满足Dt 2 M4,则判定为图像数据异常;式中M4为设定的阈值;QhQ^HM4通过测量设定或人为设 定得到。
[0014] 4.监测到图像数据异常后，间隔时间Tn监测水仓的进水量L变化，进水量
式中hl为实时采集的水仓液位高度数据，hs为监测到图像数据异常时的 水仓液位数据，S为水仓横截面积，T为监测到图像数据异常时刻到当前的时间长度，P为时 间T内的排水总量，如满足
则发出水灾报警信号，式中Ls为平均进水量，R为设 定的进水量增长率阈值;Th、Ls、R通过测量设定或人为设定得到。
【附图说明】
[0015] 图1基于图像和水仓监测的井下水灾报警系统示意图。
[0016] 图2排水量监测设备工作原理图。
[0017] 图3基于图像和水仓监测水灾报警工作流程示意图。
[0018] 图4水灾监测服务器监测流程示意图。
【具体实施方式】
[0019] 所述水灾报警方法通过监控系统实现，系统组成主要包括：
[0020] 1.存储服务器（101)，负责接收视频数据、水仓水位数据和水仓排水量数据并存 储，为监控主机和水灾监测服务器提供查询调取服务。
[0021] 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 相应巷道水仓水位和排水量数据，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。
[0022] 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)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。
[0023] 4.监控主机（104)，具有声光报警功能，接收水灾监测服务器（102)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。
[0024] 5.网络交换机(105)，负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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，通过矿用以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。 [0028] 9.分站（109)，也称数据采集站，负责接收水位监测设备（110)和排水量监测设备 (111)上传的水仓水位和排水量数据，并将数据上传至水灾监控服务器。分站与各监测设备 采用RS-485标准通过双绞线通信，可连接多个监测设备;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。
[0029] 10.水位监测设备（110)，用于水仓水位采集，可使用各类矿用水位测量仪，包括感 应式或超声波式测量仪，应符合煤矿井下相关本安或隔爆标准，具有RS-485通信接口。本实 施方案采用投入式压力感应液位传感器，传感头根据水中的压力与空气中的压力差，把水 位的高度变换成压力差，再把压力差转换成电信号，通过A/D转换和处理器处理后得到水仓 液位高度。
[0030] 11.排水量监测设备（111)，用于检测水栗的实际排水量数据，本实施方案采用电 磁感应式流量计，流量计安装于水栗出口的总管路上；电磁感应式流量计应符合煤矿井下 相关本安或隔爆标准，具有RS-485通信接口。
[0031] 12.报警开关（112)，用于现场手动报警，采用RS-485标准接口，应符合煤矿井下设 备安全要求。
[0032] 13.广播设备（113)，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]排水量监测设备工作原理如图2所示：
[0034]排水量监测设备使用电磁流量计，电磁流量计由电磁流量转换器和电磁流量传感 器组成。电磁流量转换器是为电磁流量传感器提供电源，并将其测量回的