基于图像的矿井爆炸监测报警系统的制作方法

本发明涉及一种基于图像的矿井爆炸监测报警系统，该系统涉及数字图像处理技术、传感器技术和通信技术等领域。

背景技术：

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，我国煤矿重特大事故中瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的66.5％。瓦斯爆炸和煤尘爆炸等事故，由于创伤和烧伤造成人员死亡人数不足20％，一氧化碳中毒窒息死亡人数达80％多。因此，能够第一时间对井下爆炸灾害进行报警，是及时进行应急救援，挽救井下遇险人员生命的重要保障。目前，矿井安全监测监控系统主要监测瓦斯浓度、风速、风向等，无爆炸灾害自动报警功能；矿井爆炸事故靠人工发现，发现和处置不及时，耽误了宝贵的逃生和救援时间，造成大量人员伤亡。因此，急需矿井爆炸自动报警方法，快速、准确自动发现爆炸事故并报警，为及时进行灾害处置和应急救援提供技术保障。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于图像的矿井爆炸监测报警系统，在矿井安装至少一个图像采集设备和至少一个环境数据监测设备；系统监测图像数据和环境数据，根据图像数据中高亮区域面积、高亮区域面积增长速度、高亮区域最高亮度、高亮区域最高亮度增长速度、高亮区域分布特征、环境数据、图像采集设备工作状态发出爆炸报警；监测过程包括：

a.当监测到图像中灰度值大于设定阈值L₁的连通像素点的数目M₁超过设定阈值M_A，则进入一级预警状态发出一级预警信号，同时执行步骤h；

b.当监测到图像中灰度值大于设定阈值L₂的连通像素点的数目M₂超过设定阈值M_B，则进入一级预警状态发出一级预警信号，同时执行步骤h；其中L₂＞L₁，M_B＜M_A；

c.当监测到图像采集设备工作异常，则进入图像采集设备故障报警状态并发出图像采集设备故障报警信号，同时执行步骤h；

d.当监测到图像中灰度值大于设定阈值L₁的连通像素点的数目M₁超过设定阈值M_C，则记录最大灰度值为L_T，且记录M₁当前值为M_T，并进入二级预警状态并发出二级预警信号，执行步骤f和步骤g；其中M_C满足M_C＜M_A；

e.当监测到图像中灰度值大于设定阈值L₃的连通像素点的数目M₃超过设定阈值M_D，且图像中灰度值大于L_H的连通像素点数目M_H满足大于设定阈值Z_H，且M_H的所有像素点位于M₃区域中部，则记录最大灰度值为L_T，且记录M₃当前值为M_T，并进入二级预警状态且发出二级预警信号，执行步骤f和步骤g，其中L_H＞L₃，L₃＜L₁，M_D＜M_B；

f.进入二级预警状态后，在设定时间T₁内，当监测到最大灰度值L_max的增长率超过设定阈值N₁，则进入一级预警状态发出一级预警信号，同时执行步骤h；

g.进入二级预警状态后，在设定时间T₂内，当监测到图像中灰度值大于设定阈值L₁的连通像素点的数目M₁的增长率超过设定阈值N₂，则进入一级预警状态发出一级预警信号，同时执行步骤h；

h.在执行以上各步骤的同时监测环境数据变化，当监测到环境数据变化异常,且系统进入一级预警状态或图像采集设备故障报警状态，则发出爆炸报警信号。

1.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述环境数据监测设备包括温度传感器、风速传感器、气压传感器、爆炸音传感器、振动传感器、氧气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、紫外线传感器、红外线传感器。

2.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，监测到温度高于设定阈值或温度升高速度超过设定阈值。

3.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，当监测到风速值超过设定阈值，或风速值增长率超过设定阈值，则记录当前风速值，并继续监测风速值变化，当监测到在设定时间T_F内风速值下降率超过设定阈值。

4.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，当监测到气压值超过设定阈值，或气压值增长率超过设定阈值，则记录当前气压值，并继续监测气压值变化，当监测到在设定时间T_Y内气压值下降率超过设定阈值。

5.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括监测到爆炸音。

6.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，当监测到振动幅度值超过设定阈值，或振动幅度值增长率超过设定阈值，则记录当前振动幅度值，并继续监测振动幅度值变化，当监测到在设定时间T_Z内振动幅度值下降率超过设定阈值。

7.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，监测到氧气浓度值低于设定阈值或氧气浓度降低速度超过设定阈值。

8.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，监测到一氧化碳浓度值高于设定阈值或一氧化碳浓度升高速度超过设定阈值。

9.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括，监测到二氧化碳浓度值高于设定阈值或二氧化碳浓度升高速度超过设定阈值。

10.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括监测到紫外线传感器报警。

11.所述爆炸监测报警系统进一步包括：步骤h所述环境数据变化异常条件包括监测到红外线传感器报警。

12.所述爆炸监测报警系统进一步包括：系统监测多个图像采集设备的视频图像数据，根据最早被监测到预警信号的图像采集设备所在安装位置确定爆源位置。

13.所述爆炸监测报警系统进一步包括：图像采集设备安装位置包括井下巷道顶部，镜头沿巷道朝向工作面方向。

14.所述爆炸监测报警系统进一步包括：所述图像采集设备包括高速摄像机。

附图说明

图1基于图像的矿井爆炸监测报警系统实施方案示意图。

图2图像监测报警流程示例图。

图3环境数据监测流程示意图。

具体实施方式

图1为基于图像的矿井爆炸监测报警系统的实施示例，主要组成包括：

1.爆炸报警服务器(101)，负责监测由摄像机(107)采集的视频图像及所有环境数据监测设备采集的数据，并对数据进行存储转发，当数据值或数据变化满足报警条件，则向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出爆炸报警数据。连接矿用通信网络。

2.监控终端(102)，负责提供井下环境监控数据显示服务，由爆炸报警服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对爆炸报警服务器(101)存储的历史数据调取查询。连接核心交换机(105)接入矿用通信网络。

3.远程监控终端(103)，负责提供井下环境监控数据显示服务，通过互联网接入矿用通信网络访问爆炸报警服务器(101)，由爆炸报警服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据，具有声光报警功能；远程安全生产监督人员可通过远程监控终端对爆炸报警服务器(101)存储的历史数据调取查询。

4.用户移动设备(104)，指安装了专用监控应用程序的移动智能设备，包括智能手机、平板电脑等，通过互联网接入矿用通信网络访问爆炸报警服务器(101)，由爆炸报警服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据。

5.核心交换机(105)，矿用通信网络的核心管理和交换设备，负责所有接入矿用通信网络的设备的管理和数据交换，具有路由功能，连接互联网。

6.环网交换机(106)，矿用通信网络的井下交换设备，安装在井下，多个环网交换机以环网方式连接。

7.摄像机(107)，即图像采集设备，安装于巷道内，负责采集井下巷道及工作面等易发生爆炸的区域的视频图像；采用具有网络输出功能的摄像机。

8.通信分站(108)负责接收环境数据监测设备采集的数据，并将数据通过矿用以太环网上传至爆炸报警服务器(101)，具有有线与无线通信功能。

9.温度传感器(109)，负责采集现场温度数据，可采用热敏二极管温度传感器，也可采用光纤温度传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

10.风速传感器(110)，可采用机械式风速传感器，也可采用一体化超声波风速风向传感器，通过交叉超声波的时间差得到风速及风向。可采用HS-FSSB01一体化超声波风速风向传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

11.气压传感器(111)，用于监测巷道差压采集空气压力数据，可采用煤矿用负压传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

12.爆炸音传感器(112)，用于采集监测声音数据，可采用主要由LM393和驻极体话筒组成的声音传感器，可调节触发灵敏度以监测爆炸音，当监测到爆炸音时，发出爆炸音报警信号。爆炸音传感器通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

13.振动传感器(113)，负责采集振动信号，并将信号数字化，再将数字化得到的数据传输至通信分站(108)，可采用BOSCH数字式三轴加速度传感器BMA250，通过无线通信模块与通信分站(108)通信。

14.氧气浓度传感器(114)，负责采集空气中氧气浓度数据，采用数字式矿用氧气传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

15.一氧化碳浓度传感器(115)，负责采集空气中一氧化碳浓度数据，采用数字式矿用一氧化碳传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

16.二氧化碳浓度传感器(116)，负责采集空气中二氧化碳浓度数据，采用数字式矿用二氧化碳传感器，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

17.紫外线传感器(117)，负责监测紫外线，当监测到紫外线超过设定阈值发出报警信号，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

18.红外线传感器(118)，负责监测红外线，当监测到红外线超过设定阈值发出报警信号，通过无线通信模块或有线通信接口与通信分站(108)通信，本示例中采用无线通信方式。

图像监测报警流程示例如图2所示，包括：

1.(201)爆炸报警服务器统计图像中灰度值大于设定阈值L₁的连通像素点的数目M₁，如M₁＞M_A(M_A为设定像素数目阈值)，则执行(208)，否则执行(202)；

2.(202)爆炸报警服务器统计图像中灰度值大于设定阈值L₂(L₂＞L₁)的连通像素点的数目M₂，如M₂＞M_B(M_B为设定像素数目阈值)，则执行(208)，否则执行(203)；

3.(203)爆炸报警服务器统计图像中灰度值大于设定阈值L₁的连通像素点的数目M₁，如M₁＞M_C(M_C为设定像素数目阈值，M_C＜M_A)，则记录当前最大灰度值为L_T，记录M₁当前值为M_T，执行(205)，否则执行(204)；

4.(204)爆炸报警服务器统计图像中灰度值大于设定阈值L₃(L₃＜L₁)的连通像素点的数目M₃，和灰度值大于设定阈值L_H(L_H＞L₃)的连通像素点的数目M_H，如满足查找M₃的所有像素点中x和y坐标值最小和最大值x_max、x_min、y_max、y_min，查找M_H的所有像素点中x和y坐标值最小和最大值x_Hmax、x_Hmin、y_Hmax、y_Hmin，如满足x_max＞x_Hmax且x_min＜x_Hmin、且y_max＞_Hmaxy且y_min＜y_Hmin，则记录最大灰度值为L_T，并记录M₃当前值为M_T，执行(205)，否则执行(211)；

5.(205)爆炸报警服务器进入二级预警状态，并向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出二级预警信号；

6.(206)当爆炸报警服务器监测到进入二级预警状态后的时间T₁内，最大灰度值L_max的增长率超过设定阈值N₁，则执行(208)，否则执行(207)；

7.(207)当爆炸报警服务器监测到进入二级预警状态后的时间T₂内当监测到在设定时间内，图像中灰度值大于设定阈值L₁的连通像素点的数目M₁的增长率超过设定阈值N₂，则执行(208)，否则执行(211)；

8.(208)爆炸报警服务器进入一级预警状态，并向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出一级预警信号；

9.(209)爆炸报警服务器同时监测环境数据变化，当监测到环境数据变化异常，则执行(210)，否则返回(201)；

10.(210)爆炸报警服务器向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出爆炸报警；

11.(211)爆炸报警服务器监测图像采集设备工作状态，当监测到图像采集设备无法通信，则执行(212)，否则返回(201)；

12.(212)爆炸报警服务器进入图像采集设备故障报警状态，并向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出图像采集设备故障报警信号，并执行(209)。

在以上示例中，所述爆炸报警服务器(101)对摄像机(107)上传的图像进行处理。以上监测过程可采用嵌入式设备实现。

图3为环境数据监测流程示意图，此监测过程与图像监测同时运行。

1.(301)爆炸报警服务器通过通信分站采集温度传感器(109)上传的温度数据，当监测到温度高于设定阈值或温度升高速度超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(302)；

2.(302)爆炸报警服务器通过通信分站采集风速传感器(110)上传的风速数据，监测风速值是否超过设定阈值，并定时监测风速值变化，当监测到风速值超过设定阈值，或风速值增长率超过设定阈值，则记录当前风速值用于轮询监测风速值变化率，当在轮询中监测到在设定时间T_F内风速值下降率超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(303)；

3.(303)爆炸报警服务器通过通信分站采集气压传感器(111)上传的气压数据，监测气压值是否超过设定阈值，并定时监测气压值变化，当监测到气压值超过设定阈值，或气压值增长率超过设定阈值，则记录当前气压值用于轮询监测气压值变化率，当在轮询中监测到在设定时间T_Y内气压值下降率超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(304)；

4.(304)爆炸报警服务器通过通信分站采集爆炸音传感器(112)的数据，当接收到爆炸音报警信号，则执行(311)，否则执行(305)；

5.(305)爆炸报警服务器通过通信分站采集振动传感器(113)上传的振动数据，监测振动幅度是否超过设定阈值，并定时监测振动幅度变化，当监测到振动幅度超过设定阈值，或振动幅度增长率超过设定阈值，则记录当前振动幅度值用于轮询监测振动幅度值变化率，当在轮询中监测到在设定时间T_Z内振动幅度值下降率超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(306)；

6.(306)爆炸报警服务器通过通信分站采集氧气浓度传感器(114)上传的氧气浓度数据，当监测到氧气浓度低于设定阈值或氧气浓度降低速度超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(307)；

7.(307)爆炸报警服务器通过通信分站采集一氧化碳浓度传感器(115)上传的一氧化碳浓度数据，当监测到一氧化碳浓度高于设定阈值或一氧化碳浓度升高速度超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(308)；

8.(308)爆炸报警服务器通过通信分站采集二氧化碳浓度传感器(116)上传的二氧化碳浓度数据，当监测到二氧化碳浓度高于设定阈值或二氧化碳浓度升高速度超过设定阈值，则执行(311)，否则执行(309)；

9.(309)爆炸报警服务器通过通信分站采集紫外线传感器(117)上传的数据，当接收到紫外线传感器报警信号，则执行(311)，否则执行(310)；

10.(310)爆炸报警服务器通过通信分站采集红外线传感器(117)上传的数据，当接收到红外线传感器报警信号，则执行(311)，否则返回(301)；

11.(311)进行环境数据变化异常标记；

12.(312)爆炸报警服务器同时监测图像数据，当环境数据变化异常标记与进入一级预警或图像采集设备故障报警状态同时存在，则执行(313)，否则返回(301)；

13.(313)爆炸报警服务器向监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出爆炸报警。