基于图像和水文数据监测的煤矿水灾报警方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种基于图像和水文数据监测的煤矿水灾报警方法，该方法设及图像 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，W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Ξ，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渺积巷道，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W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搏等原因，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W人为经验判断为主，存在较大的主观因素。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，W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】
[000引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水文数据监测的煤矿水灾报警方法。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，同时监测地面水 文观测孔水位和水溫数据;对视频图像数据进行实时监测，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阔值或水流增大速度超过设定阔值 时，则判定为数据异常;且当发现水文观测孔水位或水溫变化超过设定的阔值则立刻发出 水灾报警信号。
[0009] 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;关闭摄像机的自动对焦和自动白平衡功能。
[0011] 2.对摄像机监控范围内的部分区域A进行设定，对每帖视频图像区域A内各灰度值 i的像素数进行统计，得到序列化;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;求大于等于设定灰度值化的像素总和化，.
并将最后 一帖图像作为背景图像b(x，y)存储，间隔时间Tm对化和b(x，y)进行更新;每间隔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，
，当化大于等于化设定 阔值^fe时，即（Dh-Ds) > 13时，触发预警，并存储6 (X，y);如(Dh-Ds) <M3，则更新化和6 (X，y)，贝11 更新Ds和b (X，y); K、P、Mi、M2、M3、Tm通过测量设定或人为设定得到。
[0012] 3.进入预警模式后，每间隔化帖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：
[0013]
式中
[0014] Pn(x，y)为处理了 η帖的累积差值图像初始值为0，A为设定区域，Τι为设定灰度阔 值;通过累积差值运算处理化帖后，求大于等于设定灰度值Τ2的像素总和化，如满足化>Μ4， 则判定为图像数据异常；式中Μ4为设定的阔值;Ql、化、Τι、Τ2、Μ4通过测量设定或人为设定得 到。
[0015] 4.当监测到图像数据异常后，计算并监测地面水文观测孔的水位数据变化，当在 时间Ts内，满足
则发出水灾报警信号，式中为实时采集的水位数据，Lsi 为图像数据异常前的水位数据，扣为设定的水位变化率阔值;Ts、Ri通过测量设定或人为设 定得到。
[0016] 5.监测到图像数据异常后，计算并监测地面水文观测孔的水溫数据变化，当在时 间Ts内，满巧
，则发出水灾报警信号，式中以2为实时采集的水溫数据，Ls2为 图像数据异常前的水溫数据，R2为设定的水溫变化率阔值;R2通过测量设定或人为设定得 到。
【附图说明】
[0017] 图1基于图像和水文数据监测的煤矿水灾报警系统示意图。
[0018] 图2水文监测设备的电路硬件组成示意图。
[0019] 图3基于图像和水文数据监测的煤矿水灾报警系统工作流程示意图。
[0020] 图4水灾监测服务器监测流程示意图。
【具体实施方式】
[0021] 所述水灾报警方法通过监控系统实现，系统组成主要包括：
[0022] 1.存储服务器（101)，负责接收视频数据、水文观测孔内的水位和水溫数据并存 储，为监控主机和水灾监测服务器提供查询调取服务。
[0023] 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 相应水文观测孔内的水位、水溫数据，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。
[0024] 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)及水文观测孔的位置数据;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。
[0025] 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。
[0026] 5.网络交换机(105)，负责所有接入矿用W太网的设备的管理和数据交换。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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W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。
[0030] 9.分站（109)，也称数据采集站，负责接收报警开关和其它监测设备数据，可连接 多个报警开关、广播设备和其它监测设备;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。
[0031] 10.水文监测设备（110)，用于水文观测孔内的水位和水溫数据监测采集，所采集 数据通过移动数据网络和互联网传输至存储服务器。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 水文监测设备的电路硬件组成如图2所示：
[00巧]1.处理器（201)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，灵活的时钟系统。MSP430可在1.8~3.6V低电压下 工作，系统采用3.3V工作电压。MSP430F147内置精度为12位200kps的A/D转换器。1位非线性 微分误差，1位非线性积分误差，4种模数转换模式。用于采集传感器探头输出的模拟信号。 [0036] 1.传感器探头（202)，包括测量水位的压阻式压力传感器和测量水溫的溫敏传感 器。
[0037] 2.检测电路(203)，为探头供电并将探头采集的模拟信号转换为处理器(201)可采 集的电压变化信号。
[0038] 3.无线通信（204)，采用移动网络通信模块，由于传输的数据量较小，所W使用2G 移动通信模块即可满足功能要求，选用华为MG3