本发明涉及一种基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统，该系统涉及数字图像处理技术、传感器技术和自动控制技术等领域。
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、顶板等事故困扰着煤矿安全生产。矿井水灾是煤矿重特大事故之一。矿井涌水和水仓储水量监测是矿井水灾报警和安全生产的需要。目前尚没有监测水仓储水量的系统与装置，只能监测水仓水位。矿井水仓一般是不规则形状，难以通过水仓水位计算得到水仓储水量和矿井涌水量。目前水仓水位监测设备主要包括浮漂式水位传感器、压力感应式水位传感器、超声波式水位传感器等。浮漂式水位传感器采用机械原理监测水位，使用寿命短，故障率高，不便维护。压力感应式水位传感器基于水压应变原理，传感器探头置于水下，敏感器件易受水侵蚀，故障率和误报率较高；超声波式水位传感器采用超声测距原理监测水位，受超声波发射半径限制，易受注水水流、水波等环境干扰，误报率较高。因此需要一种矿井涌水和水仓储水量监测系统，可直接监测水仓储水量，并具有故障率低、精度高、便于维护的特点。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统，在矿井水仓安装至少1个图像采集设备，用于采集水仓的图像数据；图像采集设备指向水仓水面；系统连接水仓排水控制系统设备，采集监测水仓排水量数据；系统通过监测识别图像数据获得矿井水仓储水量，通过水仓储水量和排水量数据计算得到涌水量和涌水速度；系统具备矿井水仓储水量、涌水量、涌水速度的输出和查询服务功能。
1.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统使用前，需先进行系统初始化，初始化过程为遍历包括水仓排空和蓄满的所有水位过程，在此过程中系统记录水仓储水量，同时记录不同储水量所对应的图像数据；系统工作时，系统通过实时监测的图像数据与初始化时所存储图像数据进行比对，获得水仓储水量。
2.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统初始化过程包括：
a.停止排水，水仓蓄水至蓄满；
b.水仓排水，同时采集排水量数据，计算获得水仓当前水仓储水量数据并存储；
c.存储储水量数据的同时，采集并存储储水量数据所对应的水仓图像数据，直至水仓排空。
3.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统对水仓储水量的识别方法包括，通过识别图像中水仓水面面积获得水仓储水量。
4.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统对水仓储水量的识别方法包括，通过识别图像中水仓水面形状获得水仓储水量。
5.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统对水仓储水量的识别方法包括，通过图像中固定标志与水仓水面位置的识别获得水仓储水量。
6.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统通过监测识别图像数据获得水仓储水量的方法包括查表比对和差值运算。
7.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统校准过程与初始化过程相同。
8.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：在所述水仓安装补光设备。
9.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：一定时间段的涌水量计算方法包括，l＝(ct2-ct1)+p，式中ct1、ct2分别为该时间段起始时刻和终止时刻的水仓储水量，p为该时间段内的排水总量。
10.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：矿井涌水速度计算方法包括，计算一定时间长度t内的涌水量lt，该时间段平均涌水速度为
11.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统具有报警监测功能，当系统监测到水仓储水量和水仓排水量数据符合设定条件，则发出矿井异常涌水报警或水灾报警信号；所述报警监测过程包括，计算设定时间内平均涌水速度，如平均涌水速度超过设定阈值n1，则发出矿井异常涌水报警信号；如平均涌水速度超过设定阈值n2，则发出矿井水灾报警信号；其中n2＞n1。
12.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统监测水仓储水量数据，根据水仓储水量数据控制排水设备工作。
13.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：系统监测水仓储水量数据，当水仓储水量超过设定满仓报警阈值，则发出满仓报警信号。
14.所述矿井涌水和水仓储水量监测系统进一步包括：所述图像采集设备包括红外摄像机。
附图说明
图1基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统实施方案1示意图。
图2基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统实施方案2示意图。
图3基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统初始化的流程示意图。
图4基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统水仓储水量监测流程示意图。
图5存储服务器储水量数据网络服务流程示意图
图6矿井涌水量和涌水速度监测，异常涌水和水灾报警流程示意图。
具体实施方式
图1为基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统的实施示例1，主要组成包括：
1.水仓监测服务器(101)，负责监测由存储服务器(102)转发的一个或多个摄像机(106)采集的图像数据和水仓排水控制装置(108)采集的排水量数据，通过图像数据监测获得水仓储水量，结合排水量数据获得涌水量、涌水速度数据，当监测到所监测数据符合设定条件，则向监控终端(103)和存储服务器(102)发出矿井异常涌水报警或水灾报警信号。可对多个水仓进行监测。
2.存储服务器(102)，负责采集接收并存储摄像机(106)采集的图像数据和由水仓排水控制装置(108)采集的排水量数据，并向水仓监测服务器(101)转发数据；接收并存储水仓监测服务器(101)发送的水仓储水量等数据、矿井异常涌水报警或水灾报警信号；向监控终端(102)提供的实时和历史数据查询服务。存储服务器还具有通信服务接口，可为其它矿井监控系统提供水仓储水量等数据的查询与历史记录查询服务。
3.监控终端(103)，负责提供井下水仓水位储水量等监控数据显示服务，由存储服务器(102)提供实时和历史图像数据、水仓储水量等数据；接收由水灾监测报警服务器(102)发出的矿井异常涌水报警或水灾报警信号；具有水仓排水控制装置(108)的控制功能；具有水仓监测服务器(101)初始化工作控制功能；具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对存储服务器(101)对外服务的合法ip地址表、用户信息表进行管理，对水仓监测服务器(101)存储的历史数据调取查询，、控制水仓排水，对水仓监测服务器(101)进行初始化管理控制。
4.核心交换机(104)，数据网络的核心管理和交换设备，负责所有接入数据网络的设备的管理和数据交换。
5.远程监控终端(105)，通过互联网远程连接数据网络，具备与监控终端(103)相同的功能与权限。
6.井下交换机(106)，数据网络的井下交换设备，环网方式连接。
7.摄像机(107)，安装在水仓上方，采集包括水仓壁的水仓水面图像，通过网络接口连接井下交换机(105)，通过数据网络向存储服务器(102)发送图像数据视频流，采用具有网络接口的摄像机。可采用红外摄像机。
8.水仓排水控制装置(108)，属水仓排水控制系统设备，用于水仓水位排水控制和排水量数据采集，采用可编程控制器，直接通过控制接口连接排水泵控制排水，通过485接口连接安装于水泵出口的总管路上的流量计，本示例中采用电磁感应式流量计；水仓排水控制装置通过连接通过网络接口连接井下交换机(105)，通过数据网络向存储服务器(102)发送排水量数据，接收由水仓监测服务器(101)发送的控制信号，由水仓监测服务器(101)控制排水。
图2为基于图像的矿井涌水和水仓储水量监测系统的实施示例2，与实施示例1的区别在于水仓监测服务器(101)安装在井下，直接接收摄像机(106)发送的图像数据，存储服务器(102)不负责图像数据的存储、转发和调取服务，监控终端(103)也不具有图像数据显示调取功能。
所述矿井涌水和水仓储水量监测系统的初始化过程为遍历包括水仓排空和蓄满的所有水位过程，在本实施示例中，采用如图3所示的初始化流程：
1.(301)控制水仓排水控制装置(108)控制排水泵停止排水，水仓蓄水至蓄满。
2.(302)停止水仓蓄水，控制水仓排水控制装置(108)控制排水泵进行排水。
3.(303)开始排水的同时，水仓监测服务器(101)采集排水量数据，计算获得水仓当前水仓储水量数据并存储。
4.(304)存储储水量数据的同时，水仓监测服务器(101)采集并存储储水量数据所对应的水仓图像数据。
5.(305)当水仓排空，则结束系统初始化过程，如未排空则继续执行(303)。
图4为所述系统的水仓储水量监测流程示意图，主要包括：
1.(401)调取初始化过程中所存储的水仓图像数据和储水量数据。
2.(402)采集水仓图像数据。
3.(403)将实时采集的水仓图像数据与(402)初始化过程中所存储的各水仓图像数据进行比对。
4.(404)如比对成功则执行(405)，否则返回(402)。
5.(405)查找比对成功的水仓图像数据所对应的储水量数据，经过数据处理获得水仓当前的储水量数据并输出。
图5为所述矿井涌水量和水仓储水量监测系统的存储服务器(102)储水量数据网络服务流程示意图，主要包括：
1.(501)对通过tcp/udp访问存储服务器(102)服务接口的客户端ip地址进行认证，判定客户端ip地址是否合法，如果合法则执行(501)负责断开tcp连接或拒绝服务。合法ip地址表由具有访问设定权限的监控终端(103)进行管理。
2.(502)对访问用户的身份和权限进行认证，根据用户访问权限进行相应的服务。用户数据表由具有访问设定权限的监控终端(103)进行管理。
3.(503)通过通信协议解析用户的数据服务请求。
4.(504)访问数据库调取用户所需数据。
5.(505)将调取的数据根据通信协议进行打包，通过用户访问的ip地址与端口向用户发送数据。
图6为所述系统的矿井涌水量和涌水速度监测，异常涌水和水灾报警流程示意图，主要包括：
6.(601)通过计时器判定是否到达监测间隔时间t，如已到达间隔时间则执行(602)，否则继续等待。
7.(602)采集实时水仓图像数据。
8.(603)通过水仓排水控制装置(108)提供的流量数据获得本次监测与上一次监测的间隔时间t内的排水总量pt。
9.(604)计算本次监测与上一次监测的间隔时间t内的涌水量lt，lt＝(ci-ci-1)+p，式中ci为本次监测所采集的水仓储水量数据，ci-1为上一次监测所采集水仓储水量数据。
10.(605)通过公式
11.(606)判定涌水速度是否超过设定阈值n2，如超过则执行(607)，否则执行(608)。
12.(607)水仓监测服务器(101)向监控终端(103)和存储服务器(102)发出矿井水灾报警信号。
13.(608)判定涌水速度是否超过设定阈值n1，如超过则执行(609)，否则返回(601)。
14.(609)水仓监测服务器(101)向监控终端(103)和存储服务器(102)发出矿井异常涌水报警信号。