基于温湿度和图像监测的井下水灾报警系统技术领域
本实用新型涉及一种基于温湿度和图像监测的井下水灾报警系统，该系统涉及图像模式
识别、传感器和通信等领域。
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：
1、冲毁巷道，埋压、淹没和封堵人员。
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。
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。
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。
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。
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，需要新的煤矿
井下水灾报警系统，可第一时间准确地对煤矿井下突水进行报警，为未在突水发生现场的
其它区域井下人员争取宝贵的救灾和逃生时间。
实用新型内容
本实用新型提出一种基于温湿度和图像监测的井下水灾报警系统，系统主要包括存储服
务器、监控主机、水灾监测服务器、地理信息服务器、网络交换机、井下交换机、分站、摄
像机、视频服务器、温度传感器、湿度传感器、风速或风量传感器、设备控制器、广播设备、
温湿度监测设备；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；摄像机采集现场模拟视频信号，由视频服务器数字化并压缩编码发送给存
储服务器、水灾监测服务器和监控主机；在摄像机所监测巷道放置温度传感器和湿度传感器；
在进风巷放置风速或风量传感器；在井上放置温湿度监测设备；网络交换机、井下交换机和
分站负责数据传输；存储服务器负责接收摄像机视频数据、各传感器数据并进行存储，同时
提供数据查询调取服务；水灾监测服务器负责监测作业面和井上温湿度数据、风速或风量数
据和作业面视频图像数据，根据监测结果向监控主机发送水灾报警信号；监控主机负责控制
广播系统在井下发出水灾报警信号及各区域逃生路线；地理信息服务器为监控主机提供地理
信息服务，并根据突水位置为各区域提供逃生路线信息。
1.所述系统进一步包括：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。
2.所述系统进一步包括：温度和湿度传感器安装在摄像机所在巷道内，传感器距离摄像机
应不超过10米，通过RS-485接口和通信线缆与分站连接通信。
3.所述系统进一步包括：风速或风量传感器安装在作业面巷道的进风巷中，距离作业面不
大于15米，通过RS-485接口和通信线缆与分站连接通信。
4.所述系统进一步包括：视频服务器通过矿用以太网络以组播方式将视频数据传输到存储
服务器、水灾监测服务器和监控主机，井下交换机和井上的网络交换机需采用支持组播
网络通信的交换设备。
5.所述系统进一步包括：分站通过RS-485连接设备控制器，采集作业面大功率设备的工
作状态。
6.所述系统进一步包括：温湿度监测设备安装于井上，用于采集井上自然环境温度与湿度
数据，通过网络接口连接网络交换机。
7.所述系统进一步包括：广播设备通过工业以太网接收监控主机下发的语音信号；广播设
备与井下交换机的连接通信方式包括：广播设备通过通信线缆与分站连接，再由分站与
井下交换机连接通信；广播设备直接与井下交换机连接通信。
附图说明
图1基于温湿度和图像监测的井下水灾报警系统示意图。
图2作业面传感器安装位置示意图。
图3水灾报警工作流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，所述基于温湿度和图像监测的井下水灾报警系统组成主要包括：
1.存储服务器(101)，负责接收由摄像机视频、作业面和井上温湿度数据、风速或风
量数据和作业面视频图像数据并存储，为监控主机和水灾监测服务器提供查询调取
服务。
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
储的作业面和井上温湿度数据、风速或风量数据和作业面视频图像数据，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。
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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
9.分站(109)，也称数据采集站，负责接收温度传感器、湿度传感器、风速或风量传
感器和设备控制器上传的数据，并将数据上传至水灾监控服务器。分站与各传感器
和设备控制器采用RS-485标准通过双绞线通信，可连接多个传感器和设备控制器；
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。
10.温度传感器(110)，用于检测作业面区域温度，采用RS-485标准接口，通过双绞
线通信连接分站。
11.湿度传感器(111)，用于检测作业面区域湿度，采用RS-485标准接口，通过双绞
线通信连接分站。
12.风速或风量传感器(112)；安装于作业面的进风巷，采用RS-485标准接口，通过
双绞线通信连接分站。
13.设备控制器(113)；作业面现场大功率设备的控制器，一般为可编程控制器，具有
RS-485通信模块，，通过双绞线通信连接分站。
14.广播设备(114)，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。
15.报警开关(115)，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。
16.温湿度监测设备(116)，用于井上环境温湿度数据采集，采用网络接口，连接网络
交换机，通过TCP方式向存储服务器发送温湿度数据。
作业面传感器安装位置如图2所示：
1.摄像机(107)安装在作业面巷道顶部或高度大于2米的位置。
2.温度传感器(110)距离摄像机应不超过10米。
3.湿度传感器(111)距离摄像机应不超过10米。
4.风速或风量传感器(112)安装于作业面的进风巷，距离摄像机应不超过15米。
水灾报警的工作过程如图3所示：
1.(301)风速或风量、温度传感器、湿度传感器采集环境数据，通过RS-485通信接
口模块发送至分站。
2.(301)风速或风量、温度传感器、湿度传感器采集环境数据，通过RS-485通信接
口模块发送至分站。
3.(302)分站通过RS-485接口接收各环境数据，将数据根据设定的通信协议进行打
包，将数据包通过网络接口以TCP客户端方式传送到存储服务器。
4.(303)存储服务器以TCP服务器方式接收由分站上传的环境数据，并存入数据库。
5.(304)水灾监测服务器通过访问存储服务器获得环境数据，对数据进行分析监测。
6.(305)摄像机采集视频图像，将模拟视频信号通过同轴电缆传输给视频服务器。
7.(306)视频服务器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
的视频数据以组播方式传输给存储服务器，监控主机和水灾监测服务器。
8.(307)存储服务器以UDP方式接收视频服务器发送的视频数据并存储。
9.(308)水灾监测服务器实时分析由视频服务器发送的视频图像数据，监测视频中
的异常水流，并参考环境数据监测结果，当满足报警条件时向监控主机发出水灾报
警信号，同时将所监测摄像机编号发送给监控主机。
10.(309)当现场工作人员发现水灾，按下浸水传感器的报警开关按钮时，浸水传感
器发送手动报警信号，分站采集报警信号，将数据根据设定的通信协议进行打包，
将数据包通过网络接口以TCP客户端方式传送到存储服务器。
11.(310)存储服务器存储报警数据，并转发报警信号给监控主机。
12.(311)当监控主机接到水灾监测服务器或存储服务器的报警信号时，将摄像机的
或报警开关的编号发送给地理信息服务器。
13.(312)地理信息服务器根据报警摄像机或浸水传感器的编号确定突水位置，根据
突水位置和浸水高度分析水灾发展情况，再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。
14.(313)监控主机实时显示现场视频并自动声光报警，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。生产管理人员可查
看现场实时视频、报警情况和设备情况，当视频和数据采集的硬件被损坏时，则
调取历史现场视频数据。
15.(314)井下广播设备接收包含突水位置和逃生路线信息的语音数据，解码还原
为语音信号放大播报。