对于一般的渠道，液位与流量 没有确定的对应关系。在渠道内安装量水堪槽，由于堪的缺口或槽的缩口比渠道的横截面 积小，因此，渠道上游水位与流量的对应关系主要取决于堪槽的几何尺寸。量水堪槽把流量 转成了液位。通过测量流经量水堪槽内水流的液位，可W根据相应量水堪槽的水位-流量关 系，求出流量。常用的量水堪槽根据堪口形状的不同可分为全宽堪、矩形堪、=角堪、梯形 堪、己歇尔槽式等，图2所示的装置为矩形堪，本实施方案中上游液位h通过非接触式的超声 测距方式实现;设堪口宽度为b，流量计算公式为
i式中Ce为流量系数，与Mt 有关，量水堪槽的水位-流量关系可从国家计量检定规程《明渠堪槽流量计》JJG711-90中查 询获得。
[0040]流量采集设备的电路硬件组成如图4所示：
[0041 ] 1.处理器(401)选择TI公司的MSP430F147单片机。该型号为16位RISC结构，具有 32k Flash，IkRAM;并有5种低功耗模式，丰富的片内外围模块，灵活的时钟系统等诸多优 点。MSP430可在1.8~3.6V低电压下工作，系统采用3.3V工作电压。
[0042] 2.超声测距(402)，采用超声测距模块，信号输出部分连接MSP430F147具有中断功 能的I/O端口，处理器采集超声测距模块输出的脉冲，根据脉冲长度计算得到目标距离
[0043] 3.存储忍片(403)采用1片24C128,用于存储槽宽、流量系数等参数，由于只使用了 一个存储忍片，所W不需设置片选地址，将片选管脚全部接地。24C512使用IIC-BUS总线通 信，使用两个标准I/O接口加上拉电阻连接SCL和SDA管脚，实现处理器与存储忍片通信控 制。
[0044] 4.调试接口（404)，标准JTAG接口，用于单片机程序调试、烧写、升级。
[0045] 5.通信接口（405)，采用RS-232标准通信方式，通信忍片使用MAX232与MSP430F147 连接。
[0046]6.电源（406)，包括AC/DC模块和DC电源转换两部分，DC电源转换忍片采用 MAX1724EZK33、MAX1724EZK50，转换得到3.3V和5V稳定的工作电压，分别为处理器和通信接 口供电。
[0047]7.隔爆壳(407)，用于将内部电路与外界环境隔离，应符合煤矿井下相关隔爆标 准。
[004引水灾报警的工作过程如图5所示：
[0049] 1. (501)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(502)。
[0050] 2. (502)视频分路器将现场模拟视频信号分成两路模拟视频信号，分别传送给图 像和涌水量监测设备(103)和视频服务器(105)。
[0051]3. (503)视频服务器(105)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W组播方式传输给存储服务器(108)和监控终端(109)。
[0052]4. (504)存储服务器(108)接收现场视频数据并进行存储。
[0053]5. (505)图像和涌水量监测设备通过视频采集模块(203)将模拟视频信号数字化。
[0054]6. (506)图像和涌水量监测设备通过串口通信模块(204)采集流量数据。
[0055]7. (507)图像和涌水量监测设备通过核屯、处理器（201)的内置库处理分析视频数 据，监测现场视频中突发且持续水流，并参考排水渠流量数据，对分析结果进行判断。
[0056] 8. (508)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(205)连接矿用W太网的井下交换机(106)上传至监控终端(109)。
[0057]9. (509)监控终端（109)接收到报警数据后，自动根据摄像机编号通过地图显示引 擎在显示器上显示突水位置，并声光报警提示生产管理人员进行处理。
[005引10. (510)生产管理人员通过监控终端（109)访问存储服务器（108)调取现场历史 视频。
[0059]11. (511)生产管理人员同时观看由视频服务器（105)上传的现场视频，确认报警 发生过程和现场状态情况。
[0060] 12. (512)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，并通知撤出煤矿井下作业人员。
[0061]图像和涌水量监测设备监测流程如图6所示：
[0062]1.(601)每次启动时调取预存的监控区域A和所有监测运算相关的参数。
[0063] 2. (602)统计每帖图像区域A内灰度值的像素数，得到序列出;运算K帖图像区域A 内的各灰度值的像素数的算术平均值：
得到序列Si。
[0064]3. (603)统计设定灰度区间内的像素数化，
[0065]4. (604)将最后采集到一帖图像作为背景图像b(x，y)存储。
[0066] 5. (605)间隔P帖求最新图像帖中区域A内大于等于设定灰度值M2的像素总和化，
[0067]6. (606)如(Dh-Ds)> M3,则执行(608)，否则执行(607) ;M3为设定阔值。
[006引7. (607)判定是否到背景图像更新时间Ts,如到了更新时间则返回（602)，否则返 回(605)。
[0069] 8. (608)触发预警，置预警标志。
[0070] 9.(609)更新存储背景图像b(X，y)。
[0071] 10. (610)持续设定时间对实时视频图像与所存背景图像进行累积差值图像运算。
[0072] 11. (611)对处理得到的累积差值图像进行灰度像素统计
[0074] 式中f(x，y)为实时视频图像，Pn(x，y)为处理了 n帖的累积差值图像初始值为0，A 为设定区域，Tl为设定灰度阔值;通过累积差值运算处理化帖后，求高于设定灰度值T2的像 素总和化。
[0075] 12. (612)如Dt> M4，则执行(614)，否则执行(613)后返回（602)，M4为设定的增长率 阔值。
[0076] 13. (614)计算并监测排水渠流量数据变化，当在时间Tj内，满足
，则 执行(615)，，否则执行(613)后返回（602);式中k为实时采集的排水渠流量数据，LS为图像 数据异常前的排水渠流量数据平均值，R为设定的排水渠流量增长率阔值。
[0077] 14. (615)发出水灾报警信号。
[0078] 15. (613)清除预警标志，取消预警状态。
【主权项】
1. 一种基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统，其特征在于：系统主要包括 摄像机、视频分路器、图像和涌水量监测设备、流量采集设备、视频服务器、矿用以太网、存 储服务器、监控终端;其中摄像机、视频分路器、图像和涌水量监测设备、流量采集设备、视 频服务器在井下安装，存储服务器和监控终端安装于井上;摄像机安装于煤矿井下掘进工 作面、采煤工作面或其它可能发生透水事故的作业面等地点，摄像机采集井下现场视频模 拟图像；图像和涌水量监测设备组成包括:核心处理器、存储模块、视频采集模块、串口通信 模块、网络通信模块、电源与时钟模块和隔爆壳；图像和涌水量监测设备采集并监测涌水量 数据，并监测煤矿井下现场视频中的突发且持续水流，根据监测结果发出水灾报警信号，报 警信号通过矿用以太网传输至井上监控终端;监控终端负责显示报警信息，通过视频服务 器获得现场视频，通过访问存储服务器获得历史现场视频。2. 如权利要求1所述的报警系统，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;在摄像机旁安装辅助光源，光投射方向与摄像机视频采集方向一致;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所述的报警系统，其特征在于：图像和涌水量监测设备的视频采集模块 连接摄像机模拟视频输出口，视频采集模块负责将模拟视频信号数字化，将数字视频数据 输出到核心处理器。4. 如权利要求1所述的报警系统，其特征在于：图像和涌水量监测设备的串口通信模块 连接流量采集设备，采集摄像机所在巷道涌水量即排水渠流量数据；图像和涌水量监测设 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. 如权利要求1所述的报警系统，其特征在于:对图像和涌水量监测设备的摄像机监控 范围内的部分区域A进行设定，存储在存储模块中；运算K帧图像设定区域A内的各灰度值的 像素数的算术平均值;求大于等于设定灰度值施的像素总和Ds，并将最后一帧图像作为背景 图像b (X，y)存储，间隔时间Ts对Ds和b (X，y)进行更新;每间隔P帧求最新图像帧中设定区域A 内大于等于设定灰度值M2的像素总和Dh，当Dh大于等于Ds设定阈值M3时触发预警;K、P、Ts、 M1、M2、M3通过测量设定或人为设定，存储在存储模块中。6. 如权利要求5所述的报警系统，其特征在于:进入预警模式后，每间隔&帧对摄像机采 集的实时视频图像f(x，y)与所存背景图像b(x，y)进行累积差值处理，累积差值运算公式 为:式中Pn(x，y)为处理了 η帧的累积差值图像初始值为0，A为设定区域，T1为设定灰度阈 值;通过累积差值运算处理Q2帧后，求大于等于设定灰度值T2的像素总和DT，如满足Dt2M 4， 则发出水灾报警信号;式中R为设定的增长阈值;91、92、1' 1、1'2、14通过测量设定或人为设定， 存储在存储模块中。7. 如权利要求6所述的报警系统，其特征在于：当监测到图像数据异常后，计算并监测 排水渠流量数据变化，当在时间Tj内，满足则发出水灾报警信号，式中L1为实 时采集的排水渠流量数据，Ls为图像数据异常前的排水渠流量数据平均值，R为设定的排水 渠流量增长率阈值;Tt、R通过测量设定或人为设定得到。
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统。在煤矿井下掘进工作面、采煤工作面或其它可能发生透水事故的作业面等地点安装摄像机，摄像机通过视频分路器连接图像和涌水量监测设备和视频服务器，图像和涌水量监测设备同时采集涌水量数据，并监测现场视频和涌水量数据，根据监测结果向监控终端发送水灾报警数据，生产管理人员可通过监控终端查看现场实时和历史视频，并做出应急处理；本报警系统分考虑了煤矿采煤工作面水灾的特征特点，实施简单，自动及时采取相应措施，可第一时间准确地对矿井突水进行报警，为未在发生现场的其它区域井下人员争取宝贵的救灾和逃生时间。
【IPC分类】E21F17/18
【公开号】CN105422180
【申请号】CN201610001287
【发明人】刘毅, 孙继平
【申请人】中国矿业大学(北京)
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2016年1月4日