基于图像的煤矿掘进工作面冲击地压报警方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像的煤矿掘进工作面冲击地压报警方法，本报警方法通过在煤矿掘进工作面相关区域附近安装摄像机，实时分析视频图像数据变化与设备工作情况，发现监控区域内异常的数据变化，如信息异常的组合情况符合报警条件，则发出冲击地压报警和断电闭锁信号。本报警方法充分考虑了煤矿掘进工作面冲击地压的特征特点，实施简单，可较为准确地判定掘进工作面的冲击地压，有效提高救援效率，有利于管理人员及时采取相应措施，避免巷道堵塞瓦斯积聚引发瓦斯爆炸等严重事故，避免或减少人员伤亡。
【专利说明】基于图像的煤矿掘进工作面冲击地压报警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于图像的煤矿掘进工作面冲击地压报警方法，该方法涉及图像 处理和通信等领域。
【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，多数为重特大瓦 斯事故，瓦斯事故所造成的伤亡人数也是所有煤矿事故中所占比例最大的。因此，瓦斯事故 防治十分重要。
[0003] 瓦斯事故包括瓦斯爆炸、冲击地压、瓦斯窒息、瓦斯燃烧等事故。为避免或减少冲 击地压事故发生，人们提出了多种煤或岩与瓦斯突出防治方法，在煤矿安全生产工作中发 挥着重要作用。但现有冲击地压实时监测与预报方法（包括微震、声发射、电磁辐射、红外 辐射等）误报率和漏报率还较高，难以满足煤矿安全生产的需要。
[0004] 煤矿井下的掘进工作面易发生冲击地压，当冲击地压发生后，易造成工作面现场 附近的工作人员被填埋或被困；另外冲击地压会造成工作面附近巷道的堵塞，使巷道通风 不畅，使瓦斯积聚，易引发瓦斯爆炸。如能在第一时间快速准确地判定该区域的冲击地压， 可尽快组织救援，争取宝贵的救援时间，避免或减少填埋或被困造成的人员伤亡；并及时组 织人员对堵塞巷道采取处理措施，有效避免由于瓦斯积聚引发的瓦斯爆炸等事故，避免或 减少由于瓦斯窒息和瓦斯爆炸造成人员伤亡。
【发明内容】
[0005] 当煤矿掘进工作面发生冲击地压情况时，会有大量的煤岩高速向外涌出，并大量 堆积在工作面大部分区域内，并通过掘进巷道向外涌出，同时可能对该区域内的各类电子 设备及通信线路造成损坏；本发明根据这一特点提出了一种基于图像的煤矿掘进工作面冲 击地压报警方法，主要原理在于，通过对摄像机采集视频图像的实时分析，发现监控区域内 异常的大量煤岩的运动与堆积，结合甲烷传感器的数值变化情况实现冲击地压报警。具体 方法包括：
[0006] 1.煤矿井下，在掘进工作面的掘进巷道中或掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧 放置摄像机；实时检测所采集的各路视频图像数据，检测摄像机及通信线路的工作情况，同 时监测附近区域的甲烷传感器数值的变化；当检测到摄像机视频图像中设定区域异常出现 物体堆积、或大量物体高速运动时，则判定为数据异常；当检测到数据异常，或数据异常与 相关设备故障在短时间内相继出现，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地 压报警信号。
[0007] 2.摄像机安装位置靠近巷道顶部或高度大于2米；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。
[0008] 3.对掘进工作面的掘进巷道中或掘进机上摄像机监控范围境内的未被掘进机遮 挡的部分区域进行设定，在摄像机工作正常及视频通信正常的条件下，当检测到设定区域 的视频图像数据发生剧烈变化，而且数据变化不可恢复，同时监测到附近区域的甲烷浓度 正常，则发出冲击地压报警信号。
[0009] 4.对掘进工作面的掘进巷道中或掘进机上摄像机采集的视频图像与背景图像的 设定区域运用差分算法进行运算；再对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割； 当统计发现发生了物体移动的区域的像素数超过阈值并持续一段时间，同时监测到附近区 域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
[0010] 5.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当检测到掘进巷道岔口进风侧或 回风侧放置的摄像机所采集的视频图像中有大量物体向巷道远离工作面方向高速运动，同 时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
[0011] 6.对掘进巷道岔口进风侧或回风侧摄像机采集的视频图像与保存的本路背景图 像运用差分算法进行运算；在对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；当统计 发现某路图像中物体移动的区域的像素数均超过相关阈值并持续增大，同时监测到附近区 域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
[0012] 7.当检测到画面中的多件原位置固定的物体都向巷道远离工作面方向高速运动， 同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
[0013] 8.对监控区域进行设定和静态背景图像中的固定物体轮廓形状预先进行设置； 运用差分算法对视频图像与保存的背景图像进行运算；对运算得到的差值图像进行二值化 处理实现对运动物体的分割；统计各固定物体轮廓形状区域与发生了物体移动的区域的交 集像素数，当各交集像素数与各固定物体轮廓形状区域像素数比值超过相关阈值，并持续 增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
[0014] 9.可利用摄像机内置或外置的数字信号处理器在视频采集前端完成对视频图像 的分析和报警，或直接使用具有移动侦测功能的摄像机进行监控，当侦测到物体移动时发 出移动报警信号，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1煤矿掘进工作面摄像机与甲烷传感器安装位置示意图。
[0016] 图2实施方案1系统示意图。
[0017] 图3实施方案1视频管理与冲击地压报警的工作流程示意图。
[0018] 图4实施方案2系统示意图。
[0019] 图5实施方案2视频管理与冲击地压报警的工作流程示意图。
[0020] 图6掘进巷道摄像机视频图像分析检测流程示意图。
[0021] 图7掘进巷道岔口两侧摄像机视频图像的检测流程示意图。
[0022] 图8检测多件原位置固定的物体都向巷道远离工作面方向高速运动的检测流程 示意图。
【具体实施方式】
[0023] 摄像机放置位置如图1所示，具体包括：
[0024] 1.掘进巷道中（101)。
[0025] 2.掘进巷道岔口出风的一侧的巷道中（102)。
[0026] 3.掘进巷道岔口进风的一侧的巷道中（103)。
[0027] 4.掘进工作面甲烷传感器（104)。
[0028] 5.掘进巷道回风流甲烷传感器（105)。
[0029] 实施方案1 :
[0030] 如图2所示系统主要包括：
[0031] 1.视频识别服务器（201)，视频识别服务器负责对各路摄像机的视频图像进行处 理，通过分析数据变化和故障信息发出报警信号。
[0032] 2.监控主机（202);具有声光报警功能，生产管理人员通过监控主机查看现场视 频图像、传感器的数据变化与设备故障，可手动发出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全 部非本质安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。并可从存储服务 器调取历史监控数据。
[0033] 3.存储服务器（203);负责对摄像机信号、各传感器信号与设备故障信号进行采 集、存储，并为用户提供查询调取服务。
[0034] 4.网络交换机（204);负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。
[0035] 5.井下交换机（205);负责分站的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下 防爆要求。
[0036] 6.分站（206);负责摄像机和传感器的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿 井下防爆要求。
[0037] 7.摄像机（207);采用数字网络摄像机，配有符合煤矿防爆要求的防爆外壳。
[0038] 8.甲烷传感器（208);甲烷传感器为全量程或高低浓甲烷传感器，并具有自动报 警功能。
[0039] 视频管理与冲击地压报警的工作过程如图3所示：
[0040] 1. (301)摄像机采集视频图像，数字化视频并压缩，通过网线将压缩后的视频信号 传输给分站。
[0041] 2. (302)视频信号和传感器信号通过分站传输到井下交换机。
[0042] 3. (303)井下交换机将信号传输到井上的网络交换机，网络交换机将视频信号和 传感器信号分发给存储服务器，监控终端和视频识别服务器。
[0043] 4. (304)视频识别服务器实时分析检测视频图像和设备工作情况，当满足报警条 件时，则发出报警和断电闭锁信号。
[0044] 5. (305)监控主机实时显示现场视频、甲烷传感器数据和设备工作情况，并接收视 频识别服务器报警信号，当满足报警条件时，则自动声光报警；生产管理人员可查看现场实 时视频、甲烷传感器数据、报警情况和设备情况，当视频和数据采集的硬件被损时，则调取 历史现场视频和传感器数据。生产管理人员可手动发出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井 下全部非本质安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。
[0045] 实施方案2 :
[0046] 如图4所示系统主要包括：
[0047] 1.存储服务器（401);负责对视频信号、报警信号与设备工作情况进行采集、存 储，并为用户提供查询调取服务。
[0048] 2.监控主机（402);具有声光报警功能，生产管理人员通过监控主机查看现场视 频图像、报警情况与设备情况，可手动发出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全部非本质 安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。并可从存储服务器调取历 史监控数据。
[0049] 3.监控备用机（403);当监控主机发生故障，通过监控备用机进行工作。
[0050] 4.网络交换机（404);负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。
[0051] 5.井下交换机（405);负责分站的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下 防爆要求。
[0052] 6.分站（406);负责摄像机和传感器的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿 井下防爆要求。
[0053] 7.视频识别报警装置（407);主处理器选用DSP芯片，对由摄像机采集的模拟视频 信号进行数字化和压缩处理，通过网线将压缩后的视频信号传输给分站，同时对视频图像 进行分析识别，可识别设置区域内的图像变化和物体移动，当图像变化和物体移动达到设 定的报警指标时，自动输出报警信号。视频识别报警装置与摄像机（408)共同放置在一个 符合煤矿防爆要求的防爆外壳中。
[0054] 8.摄像机（408);采用模拟摄像机，输出标准模拟视频信号，与视频识别报警装置 (407)共同放置在一个符合煤矿防爆要求的防爆外壳中。
[0055] 9.甲烷传感器（409);甲烷传感器为全量程或高低浓甲烷传感器，并具有自动报 警功能。
[0056] 实施方案2视频管理与冲击地压报警的工作过程如图5所示：
[0057] 1. (501)摄像机采集视频数据，将视频模拟信号传输给视频识别报警装置，视频识 别报警装置数字化视频并压缩，将压缩后的视频信号和移动报警信号传输给分站。
[0058] 2. (502)视频识别报警装置对视频图像进行分析识别，可识别设置区域内的图像 变化和物体移动，当图像变化和物体移动达到设定的报警指标时，自动输出报警信号到分 站。
[0059] 3. (503)各分站将所采集的各类信号通过矿用以太环网发送给井下交换机。
[0060] 4. (504)网络交换机接收井下交换机转发的数据，并将视频信号、传感器信号和报 警信号分发给存储服务器，监控主机和备用主机。
[0061] 5. (505)存储服务器将视频信号、传感器信号和报警信号进行存储。
[0062] 6. (506)监控主机实时显示现场视频，传感器数据、报警情况和设备工作情况，当 满足报警条件时，则自动声光报警；生产管理人员可查看现场实时视频、报警情况和设备工 作情况，当视频和数据采集的硬件被损时则调取历史现场视频与数据。生产管理人员可手 动发出冲击地压报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全部非本质安全电气设备电源，下发 调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。
[0063] 掘进巷道摄像机视频图像的检测流程如图6所示：
[0064] 1. (601)对视频监控范围内的监控区域A进行设置，每次识别服务器启动时调取 设置区域数据。
[0065] 2. (602)将标准压缩视频流还原为图像帧。
[0066] 当前采集的视频图像为：
[0067] F = {f (x，y)，x e M，y e N，MN}
[0068] 图像分辨率为MXN，（x，y)为视频图像任意一点的坐标，f (x，y)为视频图像中点 (X，y)的灰度值。
[0069] 3. (603)每间隔5帧对的视频图像与背景图像的监控区域运用差分算法进行运 算，背景图像间隔一段时间自动进行更新。
[0070] 设背景图像为：
[0071 ] B = {b (X，y)，X e M，y e N，MN}
[0072] 令当前视频图像与背景图像每个对应像素进行差分运算，得到差分图像G :
[0073] 差分运算后的差分图像为：
[0074] G = {g(x，y)，X e M，y e N，MN}
[0075] 运算公式为：
[0076]
【权利要求】
1. 一种基于图像的煤矿掘进工作面冲击地压报警方法，其特征在于：煤矿井下，在掘 进工作面的掘进巷道中或掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧放置摄像机；实时检测所采 集的各路视频图像数据，检测摄像机及通信线路的工作情况，同时监测附近区域的甲烷传 感器数值的变化；当检测到摄像机视频图像中设定区域异常出现物体堆积、或大量物体高 速运动时，则判定为数据异常；当检测到数据异常，或数据异常与相关设备故障在短时间内 相继出现，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
2. 如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：摄像机安装位置靠近巷道顶部或高度 大于2米；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。
3. 如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：对掘进工作面的掘进巷道中或掘进机 上摄像机监控范围境内的未被掘进机遮挡的部分区域进行设定，在摄像机工作正常及视频 通信正常的条件下，当检测到设定区域的视频图像数据发生剧烈变化，而且数据变化不可 恢复，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
4. 如权利要求3所述的报警方法，其特征在于：对掘进工作面的掘进巷道中或掘进机 上摄像机采集的视频图像与背景图像的设定区域运用差分算法进行运算；再对差值图像进 行二值化处理实现对运动物体的分割；当统计发现发生了物体移动的区域的像素数超过阈 值并持续一段时间，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
5. 如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当检测到掘进巷道岔口进风侧或回风 侧放置的摄像机所采集的视频图像中有大量物体向巷道远离工作面方向高速运动，同时监 测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
6. 如权利要求5所述的报警方法，其特征在于：对掘进巷道岔口进风侧或回风侧摄像 机采集的视频图像与保存的本路背景图像运用差分算法进行运算；在对差值图像进行二值 化处理实现对运动物体的分割；当统计发现某路图像中物体移动的区域的像素数均超过相 关阈值并持续增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。
7. 如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当检测到画面中的多件原位置固定的 物体都向巷道远离工作面方向高速运动，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲 击地压报警信号。
8. 如权利要求7所述的报警方法，其特征在于：对监控区域进行设定和静态背景图像 中的固定物体轮廓形状预先进行设置；运用差分算法对视频图像与保存的背景图像进行运 算；对运算得到的差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；统计各固定物体轮廓 形状区域与发生了物体移动的区域的交集像素数，当各交集像素数与各固定物体轮廓形状 区域像素数比值超过相关阈值，并持续增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出 冲击地压报警信号。
9. 如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：可利用摄像机内置或外置的数字信号 处理器在视频采集前端完成对视频图像的分析和报警，或直接使用具有移动侦测功能的摄 像机进行监控，当侦测到物体移动时发出移动报警信号，同时监测到附近区域的甲烷浓度 正常，则发出冲击地压报警信号。
【文档编号】E21F17/18GK104454012SQ201410799667
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月22日 优先权日:2014年12月22日
【发明者】孙继平, 刘毅 申请人:中国矿业大学(北京)