基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法，该方法涉及图像模 式识别、传感器、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，矿井水灾时对矿 井危害性较大的自然灾害，以煤矿事故死亡的人数计算，水害事故占15.72%，仅次于瓦斯 和顶板事故，位居第三，矿井发生水灾事故后，其危害包括：
[0003] 1、冲毁巷道，埋压、淹没和封堵人员。
[0004] 2、伴随突水，会有大量的煤泥和岩石淤积巷道，给人员逃生造成困难。
[0005] 3、损坏设备。井下电器，电缆被水浸泡后，其绝缘能力迅速下降，给井下的运输、通 风、排水等造成困难，使未及时逃离人员的生还几率降低。
[0006] 4、涌出大量的有毒有害气体，使未及时逃离人员的生存条件环境更加恶化。
[0007] 综上所述，矿井水灾是煤矿严重的灾害，在煤矿生产中对矿井水灾的报警必须做 到及时准确。目前水灾预警以水文探测预防、井下探水、先兆现象观测和为主，水文探测和 井下探水可预防井下水灾事故，但由于还可能存在水文情况复杂、设计不当、措施不力、管 理不善和人的思想麻痹等原因，水文探测和井下探水并不能完全防止突水的发生，更不能 对突发的井下突水进行报警;先兆现象观测以人为经验判断为主，存在较大的主观因素。
[0008] 目前对于现场突水事故，主要依靠现场人员的人工报警，但当突水发生在无人值 守的时间或区域，或者现场人员匆忙逃离而未能主动报警，调度室就无法及时的获得已发 生突水的信息，无法及时地通知井下相关工作人员，以致不能对突水事故及时采取应急措 施，易造成水害失控和人员伤亡。为有效减少水灾引起的矿山财产损失和人员伤亡，需要新 的井下水灾报警方法，可第一时间准确地对井下突水进行报警，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。
【发明内容】
[0009] 本发明根据井下发生突水事故时，会有大量的水向外喷射而出，并持续不断，不断 增大的特点提出了一种基于图像和涌水量监测的井下水灾报警方法。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放置摄像机，在摄像机所监测巷 道的排水渠下游位置放置流量监测设备;对视频图像数据和涌水流量数据进行实时监测， 当监测到摄像机视频图像中设定区域出现异常水流，且水流持续时间超过设定的时间阈值 或水流增大速度超过设定阈值时，则判定为数据异常;且当监测发现涌水量增加超过设定 的阈值则发出水灾报警信号。具体方法包括：
[0010] 1.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。
[0011] 2.涌水量通过安装在摄像机所在巷道的排水渠内的流量监测设备监测;流量监测 设备安装在摄像机所在位置的排水渠下游；流量监测设备安装位置不在摄像机监控区域 内；在满足以上条件的情况下流量监测设备应尽量靠近摄像机。
[0012] 3.对摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，对每帧视频图像中，设定区域A内 各灰度值i的像素数进行统计，得到序列H 1;运算k帧图像的各灰度值的像素数的算术平均 值，
得到序列S1;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Tm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此的像素总和Dh，
当Dh大于等于Ds 设定阈值M3时，即（Dh-Ds ) 2 M3时，触发预警，并存储b (X，y);如(Dh-Ds ) <M3，则更新Ds和b (X， y)，则更新Ds和b(x，y) !!^^^通过测量设定或人为设定得到。
[0013] 4.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：
[0015] Pn(x，y)为处理了 n帧的累积差值图像初始值为〇，A为设定区域，Ti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， 则判定为图像数据异常;式中M4为设定的阈值;QhQhThI^M4通过测量设定或人为设定得 到。
[0016] 5.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;Tj、R通过测量设定 或人为设定得到。
【附图说明】
[0017] 图1基于图像和涌水量监测的井下水灾报警系统示意图。
[0018] 图2排水渠流量监测原理示意图。
[0019] 图3流量监测设备的硬件结构示意图。
[0020] 图4水灾报警工作流程示意图。
[0021 ]图5水灾监测服务器监测流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]所述水灾报警方法通过监控系统实现，系统组成主要包括：
[0023] 1.存储服务器（101 )，负责接收视频数据、排水渠流量数据并存储，为监控主机和 水灾监测服务器提供查询调取服务。
[0024] 2.水灾监测服务器(102)，接收摄像机采集的数字视频流，对摄像机的视频图像进 行处理，监测摄像机视频图像中设定区域出现的异常持续变化，并参考存储服务器存储的 相应巷道排水渠流量数据，如满足报警条件则向监控主机输出突水报警信号。当监测视频 路数过多服务器处理能力不足时，可放置多台服务器分别对视频进行监测。
[0025] 3.地理信息服务器（103)，负责为监控主机提供地理信息服务，使用ArcGIS平台， 并存储矿井的相关地理信息数据、摄像机（107)及流量监测设备（110)的位置数据;服务器 具有水灾模拟分析功能，可根据突水位置分析水灾发展情况，根据分析结果为井下各工作 区域提供逃生路线信息，并发送给监控主机。
[0026] 4.监控主机（104)，具有声光报警功能，接收水灾监测服务器（102)的报警信号则 声光报警;具有语音合成及数字语音压缩编码功能，当从地理信息服务器(103)获得井下各 工作区域的逃生路线信息后，将突水位置和逃生路线的文本信息合成语音并压缩编码，下 发至各广播设备进行广播;具有实时视频监控和历史视频调取功能，生产管理人员通过监 控主机查看现场视频图像并可从存储服务器(101)调取历史监控数据。
[0027] 5.网络交换机(105)，负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。
[0028] 6.井下交换机(106)，负责分站和其它通过网络通信设备的接入和数据交换，具有 隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。
[0029] 7.摄像机（107);采用符合煤矿隔爆要求的矿用摄像机，带有辅助光源，安装在煤 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上，通过同轴电 缆与视频服务器(108)连接。
[0030] 8.视频服务器(108 )，也称视频编码器，将摄像机采集的模拟视频图像数字化并压 缩编码，通过矿用以太网向井上存储服务器、水灾监测服务器、监控主机传输视频数据。
[0031] 9.分站（109)，也称数据采集站，负责接收流量监测设备（110)上传的排水渠流量 数据，并将数据上传至水灾监控服务器。分站与流量监测设备（Iio)采用RS-485标准通过双 绞线通信，可连接多个流量监测设备;分站通过双绞线或光缆与最近的井下交换机连接，采 用TCP方式与井上的存储服务器通信，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。
[0032] 10.流量监测设备（110)，用于排水渠流量采集，可使用各类矿用明渠流量测量仪， 应符合煤矿井下相关隔爆标准，具有RS-485通信接口。本实施方案采用超声流量测量仪。 [0033] 11.报警开关（111 )，用于现场手动报警，采用RS-485标准接口，应符合煤矿井下设 备安全要求。
[0034] 12.广播设备（112)，用于井下语音广播，具有数字语音解码功能，将通过数字语音 压缩编码的数据还原成语音，并放大播放;广播设备与分站采用RS-485标准通过双绞线连 接通信。
[0035]排水渠流量监测设备工作原理如图2所示：
[0036]明渠内的流量越大，液位越高;流量越小，液位越低。对于一般的渠道，液位与流量 没有确定的对应关系。在渠道内安装量水堰槽，由于堰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堰槽的几何尺寸。量水堰槽把流量 转成了液位。通过测量流经量水堰槽内水流的液位，可以根据相应量水堰槽的水位-流量关 系，求出流量。常用的量水堰槽根据堰口形状的不同可分为全宽堰、矩形堰、三角堰、梯形 堰、巴歇尔槽式等，图2所示的装置为矩形堰，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;设堰口宽度为b，流量计算公式为
式中Q3为流量系数，与Mi 有关，量水堰槽的水位-流量关系可从国家计量检定规程《明渠堰槽流量计》JJG711-90中查 询获得。
[0037]流量监测设备的电路硬件组成如图3所示：
[0038] 1.处理器（301)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。