基于红外热像的采煤工作面煤与瓦斯突出预警系统及方法与流程

文档序号:15051315发布日期:2018-07-31 17:13阅读:来源:国知局

技术特征:

1.基于红外热像的采煤工作面煤与瓦斯突出预警系统,包括:监控主机、数据服务器、DLP屏、第一交换机、第二交换机、采煤工作面数据采集模块;

所述采煤工作面数据采集模块有多个,所述第二交换机和各采煤工作面数据采集模块设置于煤矿井下对应的采煤工作平面,所述监控主机、数据服务器、DLP屏、第一交换机设置于煤矿井上;

所述各采煤工作面数据采集模块均包括串口服务器、DAQ数据采集单元、N个红外热像传感器、M个温度传感器、I个甲烷传感器;

所述红外热像传感器和温度传感器交替设置于采煤工作面支架上,所述I个甲烷传感器分别设置于采煤工作面上隅角、采煤工作面进风巷、采煤工作面回风巷中,所述串口服务器和DAQ数据采集单元设置于煤矿井下;

所述各红外热像传感器的输出端、各温度传感器的输出端、各甲烷传感器的输出端连接所述DAQ数据采集单元的输入端,所述DAQ数据采集单元的输出端连接串口服务器,所述串口服务器通过矿用以太网或光纤连接所述第二交换机,所述第二交换机通过光纤连接所述第一交换机,所述第一交换机连接所述监控主机、数据服务器和DLP屏;

其特征在于,所述红外热像传感器,用于间隔t时间采集采煤工作面监视区域煤岩体的红外热像图Ic(n,t),n=1,...,N,传输至DAQ数据采集单元;

所述甲烷传感器,用于间隔t时间采集采煤工作面监视区域的瓦斯浓度值Ci,t,i=1,...,I,传输至DAQ数据采集单元;

所述温度传感器,用于间隔t时间采集采煤工作面监视区域的对应红外热像传感器周围的温度值ts(m,t),m=1,...,M,传输至DAQ数据采集单元;

所述DAQ数据采集单元,用于对各监测区域的红外热像图Ic(n,t)进行图像处理,得到当前各监视区域的红外热像温度值矩阵Tc(n,t)、温度补偿后的当前各监视区域的红外热像温度矩阵T(n,t)、当前各监视区域的红外热像图温度场梯度变化矩阵gradT1(n,t)、当前各监视区域的红外热像图相邻点温度梯度值|gradT2(n,t)|、当前各监视区域红外热像图灰度差分矩阵ΔGn;根据当前各监视区域的瓦斯浓度值Ci,t、当前各监视区域的红外热像图温度场梯度变化矩阵gradT1(n,t)、当前各监视区域的红外热像图相邻点温度梯度值|gradT2(n,t)|和当前各监视区域红外热像图灰度差分矩阵ΔGn对采煤工作面监视区域瓦斯浓度值超标、红外热像图裂隙、红外热像图温度场分布状态发生变化的状态进行分析,并对具有风险状态进行判断,发出报警信号和低预警信号;建立红外热像图的红外热像温度值-色彩非线性变换,得到当前各监视区域的红外热像温度值对应颜色;将当前各监测区域的红外热像图Ic(n,t)、当前各监视区域的瓦斯浓度值Ci,t、当前各监视区域的红外热像温度值矩阵Tc(n,t)、当前各对应红外热像传感器周围的温度值ts(m,t)、当前各监视区域的红外热像温度值对应颜色作为各监测区域的监视数据;将各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号传输至监控主机、数据服务器和DLP屏;根据断点闭锁信号关闭其对应的各红外热像传感器、各温度传感器、各甲烷传感器;

所述串口服务器、第一交换机和第二交换机,用于将DAQ数据采集单元得到的各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号传输至监控主机、数据服务器和DLP屏;

所述监控主机,用于显示监视数据,并在接收到报警信号时,发出煤与瓦斯突出报警并发送断电闭锁信号至采煤工作面数据采集模块,在接收到低预警信号时,显示预警;

所述数据服务器,用于存储各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号;

所述DLP屏,用于显示各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号。

2.采用权利要求1所述的基于红外热像的采煤工作面煤与瓦斯突出预警系统进行煤与瓦斯突出预警的方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1:间隔t时间通过各红外热像传感器采集监视区域煤岩体的红外热像图Ic(n,t),各甲烷传感器采集监视区域的瓦斯浓度值Ci,t,各温度传感器采集对应红外热像传感器周围的温度值ts(m,t),传输至DAQ数据采集单元;

步骤2:通过DAQ数据采集单元对各监测区域的红外热像图Ic(n,t)进行图像处理,得到当前各监视区域的红外热像温度值矩阵Tc(n,t)、温度补偿后的当前各监视区域的红外热像温度矩阵T(n,t)、当前各监视区域的红外热像图温度场梯度变化矩阵gradT1(n,t)、当前各监视区域的红外热像图相邻点温度梯度值|gradT2(n,t)|、当前各监视区域红外热像图灰度差分矩阵ΔGn;

步骤3:通过DAQ数据采集单元根据当前各监视区域的瓦斯浓度值Ci,t、当前各监视区域的红外热像图温度场梯度变化矩阵gradT1(n,t)、当前各监视区域的红外热像图相邻点温度梯度值|gradT2(n,t)|和当前各监视区域红外热像图灰度差分矩阵ΔGn对采煤工作面监视区域瓦斯浓度值超标、红外热像图裂隙、红外热像图温度场分布状态发生变化的状态进行分析,并对具有风险状态进行判断,发出报警信号和低预警信号;

步骤4:通过DAQ数据采集单元建立红外热像图的红外热像温度值-色彩非线性变换,得到当前各监视区域的红外热像温度值对应颜色;

步骤5:通过DAQ数据采集单元将当前各监测区域的红外热像图Ic(n,t)、当前各监视区域的瓦斯浓度值Ci,t、当前各监视区域的红外热像温度值矩阵Tc(n,t)、当前各对应红外热像传感器周围的温度值ts(m,t)、当前各监视区域的红外热像温度值对应颜色作为各监测区域的监视数据;

步骤6:通过串口服务器、第一交换机和第二交换机将DAQ数据采集单元得到的各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号传输至监控主机、数据服务器和DLP屏;

步骤7:通过监控主机显示监视数据,并在接收到报警信号时,发出煤与瓦斯突出报警并发送断电闭锁信号至采煤工作面数据采集模块,在接收到低预警信号时,显示预警;

步骤8:通过数据服务器存储各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号;

步骤9:通过DLP屏显示各监测区域的监视数据、报警信号和低预警信号;

步骤10:采煤工作面数据采集模块根据断点闭锁信号关闭其对应的各红外热像传感器、各温度传感器、各甲烷传感器。

3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤2包括以下步骤:

步骤2.1:提取当前各监测区域的红外热像图Ic(n,t)的红外热像温度值矩阵Tc(n,t);

步骤2.2:将当前各监视区域的红外热像温度值矩阵Tc(n,t)采用其对应红外热像传感器周围的温度值ts(m,t)进行温度补偿,得到温度补偿后的当前各监视区域的红外热像温度矩阵T(n,t);

步骤2.3:计算当前帧温度补偿后的监视区域的红外热像温度矩阵T(n,t)与上一帧温度补偿后的监视区域的红外热像温度矩阵T(n,t-1)的差值,得到当前各监视区域的红外热像图温度场梯度变化矩阵gradT1(n,t);

步骤2.4:计算当前各监视区域的红外热像温度值矩阵Tc(n,t)中相邻温度值差值,得到当前各监视区域的红外热像图相邻点温度梯度值|gradT2(n,t)|;

步驟2.5:建立红外热像图的红外热像温度值-灰度值非线性映射,得到当前温度补偿后的监视区域的红外热像温度矩阵T(n,t)映射的灰度值矩阵gn,t;

步骤2.6:计算当前各监视区域的映射的灰度值矩阵gn,t与其初始映射的灰度值矩阵gn,1的差分灰度值矩阵g′n,t=gn,t-gn,1,计算当前各监视区域红外热像图差分灰度值矩阵g′n,t中相邻点灰度值的差分,得到当前各监视区域红外热像图灰度差分矩阵ΔGn。

4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤3包括以下步骤:

步骤3.1:设定温度场变化阈值L1、计数阈值K、瓦斯报警值δi,根据瓦斯报警值δi将瓦斯浓度划分为低浓度区域[0-75%δi)、中浓度区域[75%δi-90%δi)、高浓度区域[90%δi-δi];

步骤3.2:判断当前是否出现i′个以上甲烷传感器的瓦斯浓度值处于高浓度区域,其中包括设置于采煤工作面上隅角的甲烷传感器,若是,则执行步骤3.9,否则,执行步骤3.3,其中i′≥3;

步骤3.3:判断各监测区域的当前红外热像图是否出现裂隙,即存在红外热像传感器的当前红外热像图相邻点温度梯度值|gradT2(n,t)|大于0且其对应的红外热像图灰度差分矩阵ΔGn大于0,若是,则执行步骤3.6,否则,执行步骤3.4;

步骤3.4:判断各监测区域的当前红外热像图是否温度场分布状态发生变化,即存在红外热像传感器的当前红外热像图温度场梯度变化矩阵gradT1(n,t)大于等于设定的温度场变化阈值L1,则执行步骤3.5,否则执行步骤3.6;

步骤3.5:判断是否出现i′个以上甲烷传感器的瓦斯浓度值超过了低浓度区域,其中包括设置于采煤工作面上隅角的甲烷传感器,若是,则执行步骤3.9,否则,返回步骤3.2;

步骤3.6:判断是否出现i′个以上甲烷传感器的瓦斯浓度值处于中浓度区域,其中包括设置于采煤工作面上隅角的甲烷传感器,并且该i′个以上甲烷传感器的瓦斯浓度值中存在上升趋势,即存在Ci,t>Ci,t-1,则执行步骤3.7,否则,返回步骤3.2;

步骤3.7:启动定时器,设置定时器计数标志位kter,当定时器时间到,则令kter=kter+1;

步骤3.8:判断当前计数kter是否达到计数阈值K,若是,执行步骤3.10,否则,返回步骤3.6:

步骤3.9:发送警报信号;

步骤3.10:发送低预警信号。

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