基于红外图像的掘进机异常工作及灾害井下报警系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于红外图像的掘进机异常工作及灾害井下报警系统，该系统涉及图像跟踪和通信等领域。

背景技术：

煤炭是我国重要的基础能源和原料，以煤为主的能源结构在相当长时间内不会改变，随着国民经济的发展，煤炭的需求量越来越大，伴随的煤矿安全事故也在不断增多。煤炭资源安全高效开发利用技术成为了国内外学者研究的热点领域。最有效的解决方案之一是实现煤矿生产装备机械化及自动化，从而实现井下无人或少人开采。

随着煤矿安全重要性的提高和煤炭开采技术的发展，井下采煤工作面实现少人或者无人开采是必然趋势，实现井下少人或者无人开采的必要条件是井下采煤装备机械化、自动化和对其的实时监控。掘进机是综采工作面最重要的设备之一，其正常运行是整个综采工作面完成采掘作业的基础，故对掘进机工作状态的监测是煤矿井下综采工作面的一项重要任务。

目前掘进机监控功能多由传感器实现完成。现有传感器模式绝大部分采用有线连接，在实际应用中由于空间有限、工况恶劣，在工程布置及维护中会投入较多精力，且往往会因为机械运动产生连接线路的损坏，影响传感器的精度。在机器开始工作中，会产生大量的电磁干扰，影响通信信号的传播。同时，在实际掘进情况下，伴随着大量的煤块坠落，安装在掘进机上的传感器不可避免的会受到碰撞，虽然有相应的防护措施，但长时间的碰撞仍然会影响传感器的精度。为避免碰撞、机械振动带来的影响，需要新的煤矿井下掘进机异常工作监测报警系统，可第一时间准确地对掘进机异常工作进行报警，为井下掘进机安全作业提供一份保障。因此本发明提出一种基于红外图像的掘进机异常工作及灾害井下报警系统，根据掘进机的不同异常工作状态，该系统可发出不同报警信号，包括：偏离工作轨道报警信号；切割受阻报警信号。通过监测掘进机各部分的温度，判断掘进机发热情况，根据判断结果，该系统可发出不同报警信号，包括：本体部温度过高报警信号；切割头温度过高报警信号。根据掘进机跟踪丢失后监测画面灰度值处理结果，该系统可发出不同报警信号，包括：突发水灾报警信号；瓦斯泄露报警信号。

技术实现要素：

本实用新型提出一种基于红外图像的掘进机异常工作及灾害井下报警系统，所述系统主要包括：红外摄像机、视频分路器、视频服务器、掘进机控制器、红外图像跟踪监测设备、矿用以太网、存储服务器、监控终端；其中红外摄像机、视频分路器、视频服务器、红外图像跟踪监测设备、掘进机控制器在井下安装，存储服务器和监控终端安装于井上；红外摄像机分别安装于煤矿井下掘进巷道顶部中间和掘进机上，红外摄像机负责采集掘进工作面现场视频模拟图像；掘进机控制器负责采集掘进机设置数据；红外图像跟踪监测设备组成包括：核心处理器、存储模块、视频采集模块、隔爆壳、电源管理模块、串口通信模块、网络通信模块；红外图像跟踪监测设备具有将安装于巷道顶部中间的多部摄像机采集的红外图像拼接为一幅红外图像的功能，具有跟踪监测掘进机工作状态的功能，具有发出不同类型报警信号的功能，具有通过矿用以太网传输报警信号至井上监控终端的功能；监控终端负责显示报警信息，具有通过访问视频服务器获得现场视频的功能，具有通过访问存储服务器获得历史现场视频的功能。

1.该系统进一步包括：在煤矿井下掘进巷道顶部中间均匀安装多部摄像机，在掘进机上安装摄像机；摄像机的摄像头安装有红外滤片，用于采集所述掘进机工作的红外画面；在摄像机旁安装红外补光灯，光投射方向与摄像机视频采集方向一致。

2.该系统进一步包括：红外图像跟踪监测设备的视频采集模块连接摄像机模拟视频输出口，视频采集模块具有将模拟视频信号数字化的功能，并将数字视频数据输出到核心处理器，处理器具有将采集的图像拼接为一幅图像的功能。

3.该系统进一步包括：红外图像跟踪监测设备的串口通信模块连接掘进机控制器的通信模块，采集掘进机设置数据水系统喷雾数据。

4.该系统进一步包括：红外图像跟踪监测设备的网络通信模块连接矿用以太网，通过矿用以太网与井上的监控终端通信。

5.该系统进一步包括：红外图像跟踪监测设备位于井下，图像跟踪监测设备负责对视频目标分块跟踪监测。

6.该系统进一步包括：该系统具有发出不同报警信号功能，报警信号包括：偏离工作轨道报警信号；切割受阻报警信号；本体部温度过高报警信号；切割头温度过高报警信号；突发水灾报警信号；瓦斯泄露报警信号。

附图说明

图1基于红外图像的掘进机异常工作及灾害井下报警系统示意图。

图2红外图像跟踪监测设备结构示意图。

图3掘进机异常工作及灾害报警系统的工作流程示意图。

具体实施方式

基于红外图像的掘进机异常工作及灾害井下报警系统组成如图1所示：

1.红外摄像机(101)，采用符合煤矿隔爆要求的矿用摄像机，带有红外补光灯，摄像机的摄像头安装有红外滤片，摄像机安装在煤矿井下掘进巷道顶部中间和掘进机上，通过同轴电缆与视频分路器(102)连接。在本实施方案中选用国安GAEX煤矿防爆摄像机GAHC-EX。

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，其中一路接红外图像跟踪监测设备(103)，另一路接视频服务器(104)。在本实施方案中选用ADI公司的RF视频分路器ADA4304-4。

3.红外图像跟踪监测设备(103)，接收由视频分路器(102)输出的一路模拟视频信号，负责对视频数据进行监控，根据监测结果，向监控终端发出掘进机工作异常报警信号。红外图像跟踪监测设备通过串口连接掘进机控制器(109)采集掘进机数据，通过同轴电缆连接视频分路器(102)采集视频。

4.视频服务器(104)，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。

5.井下交换机(105)，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。

6.网络交换机(106)，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。

7.存储服务器(107)，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。

8.监控终端(108)，具有声光报警功能，接收到红外图像跟踪监测设备(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(104)上传的现场视频图像，也可从存储服务器(107)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。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Map Info公司的可视化地图组件Map X，当掘进机工作异常报警时可自动显示监测到报警的摄像机位置。

9.掘进机控制器(109)，负责采集掘进机设置数据，数据通过工业以太网传输至存储服务器，采用可编程控制器(PLC)，可编程控制器具有通信接口或通信模块。在本实施方案中使用西门子SIMATIC S7-300，配置CP341模块通过RS232标准与红外图像跟踪监测设备(103)连接。

红外图像跟踪监测设备组成如图2所示：

1.核心处理器(201)，采用德州仪器TMS320C6674多核定点和浮点数字信号处理器，TMS320C6674是基于C66x内核的微处理器，通过16位的EMIF与存储模块(202)连接，通过16位总线方式连接网络通信模块(204)；TMS320C6674还具有I2C接口，SPI接口，TSIP接口，UART接口，RapidIO接口，通过UART接口与串口通信模块(206)连接通信；通过IIC-BUS接口与视频采集模块(203)进行控制通信，使用嵌入式Linux平台实现驱动控制通信，内置Open CV库用于视频数据处理。

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EEPROM。

3.视频采集模块(203)；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频视频信号的采集，通过8位VPO总线向核心处理器(201)输出标准ITU656格式的数字视频。

4.网络通信模块(204)，主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的单芯片以太网MAC控制器，上层的网络协议由核心处理器的内置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芯片YL18-1080S连接RJ45网络接口，实现对网络的物理连接进行通信。

5.电源与时钟模块(205)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电源芯片，为所有芯片供电；选用12MHz晶振。

6.串口通信模块(206)，使用TI公司的MAX232芯片RS-232标准串口单电源电平转换芯片，使用5V电源供电，使用转接电缆连接9针串口实现通信。

7.隔爆壳(207)用于内部电路与外界环境的物理隔离，应符合煤矿井下隔爆要求。掘进机异常工作及灾害报警系统的工作过程如图3所示：

1.(301)红外摄像机采集视频图像，将采集到的现场模拟视频信号通过同轴电缆传输给视频分路器(102)。

2.(302)视频分路器将现场模拟视频信号分成两路模拟视频信号，分别传送给红外图像跟踪监测设备(103)和视频服务器(104)。

3.(303)视频服务器(104)数字化模拟视频信号并进行压缩编码，通过网线将压缩编码后的视频数据以组播方式传输给存储服务器(107)和监控终端(108)。

4.(304)存储服务器(107)接收现场视频数据并进行存储。

5.(305)红外图像跟踪监测设备通过视频采集模块(203)将模拟视频信号数字化。

6.(306)红外图像跟踪监测设备通过串口通信模块(206)采集掘进机设置数据。

7.(307)红外图像跟踪监测设备通过核心处理器(201)的内置库处理分析视频数据，监测掘进工作面视频中掘进机工作状态，对分析结果进行判断。

8.(308)当监测结果满足报警条件时，则将报警数据使用TCP通信方式通过网络通信模块(204)连接矿用以太网的井下交换机(105)上传至监控终端(108)。

9.(309)监控终端(108)接收到报警数据后，自动根据摄像机编号通过地图显示引擎在显示器上显示掘进机位置，并声光报警提示生产管理人员进行处理。

10.(310)生产管理人员通过监控终端(108)访问存储服务器(107)调取现场历史视频。

11.(311)生产管理人员同时观看由视频服务器(104)上传的现场视频，确认报警发生过程和现场状态情况。

12.(312)生产管理人员确认报警后，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。