基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统.pdf

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。

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M₁的像素总和D_S，并将最后一帧
图像作为背景图像b(x，y)存储，间隔时间T_S对D_S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D_H，当D_H大于等于D_S
设定阈值M₃时触发预警；K、P、T_S、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Q₁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P_n(x，y)为处理了n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D_T，如满足
D_T≥M₄，则发出水灾报警信号；式中R为设定的增长阈值；Q₁、Q₂、T₁、T₂、M₄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T_J内，满足则发出水灾报警信号，式中L_i
为实时采集的排水渠流量数据，L_S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；T_J、R通过测量设定或人为设定得到。

基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统

技术领域

本发明涉及一种基于图像和涌水量监测设备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

本发明提出一种基于图像和涌水量监测设备的井下水灾报警系统，系统主要包括摄像机、
视频分路器、流量采集设备、图像和涌水量监测设备、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、流量采集设备、图像和涌水量监测设备、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。具体方法包括：

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；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。

2.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。

3.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。

4.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M₁的像素总和D_S，并将最后一帧图像作为背景图像b(x，y)存储，间隔时间T_S对
D_S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D_H，当D_H大于等于D_S设定阈值M₃时触发预警；进入预警模式后，
每间隔Q₁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P_n(x，y)为处理了n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D_T，如满足
D_T≥M₄，则发出水灾报警信号；式中R为设定的增长阈值；K、P、T_S、M₁、M₂、M₃、
M₄、Q₁、Q₂、T₁、T₂通过测量设定或人为设定，存储在存储模块中。

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T_J内，满足
则发出水灾报警信号，式中L_i为实时采集的排水渠流量数据，L_S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；T_J、R
通过测量设定或人为设定得到，存储在存储模块中。

附图说明

图1报警系统示意图。

图2图像和涌水量监测设备结构示意图。

图3排水渠流量监测原理示意图。

图4流量采集设备的硬件结构示意图。

图5报警系统的工作流程示意图。

图6图像和涌水量监测设备监测流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，所述系统组成主要包括：

1.摄像机(101)，采用煤矿隔爆要求的隔爆模拟摄像机，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，通过同轴
电缆与视频分路器(102)连接。

2.视频分路器(102)，负责将摄像机的一路模拟信号输出分成两路输出，其中一路接
图像和涌水量监测设备(103)，另一路接视频服务器(105)。

3.图像和涌水量监测设备(103)，接收由视频分路器(102)输出的一路模拟视频信
号，负责对视频和排水渠流量数据进行监控，根据监测结果向监控终端发出水灾报
警信号。图像和涌水量监测设备通过串口连接流量采集设备(104)采集排水渠流
量数据，通过同轴电缆连接视频分路器(102)采集视频。

4.流量采集设备(104)，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。

5.视频服务器(105)，也称视频编码器，接收由视频分路器(102)输出的一路模拟
视频信号，将其数字化并压缩编码，通过矿用以太网向井上存储服务器和监控终端
传输视频数据。在本实施方案中选用海康DS-6701HW单路网络视频服务器，设置为
组播方式。

6.井下交换机(106)，是矿用以太网的井下接入设备，串接形成环网，负责视频服务
器和其它通过网络通信设备的接入和数据交换，设备接入端一般为RJ45接口，环
网接续端为光接口，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。

7.网络交换机(107)，是矿用以太网的核心管理设备，负责所有接入网络的设备的管
理和数据交换。

8.存储服务器(108)，负责接收由视频服务器上传的视频数据并存储，为监控终端提
供现场历史查询调取服务。

9.监控终端(109)，具有声光报警功能，接收到图像和涌水量监测设备(103)的报
警数据则声光报警；监控终端具有实时视频监控和历史视频调取功能，生产管理人
员通过监控终端查看由视频服务器(105)上传的现场视频图像，也可从存储服务
器(108)调取历史视频数据。生产管理人员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。监控终端内置井下
地理信息，并具有地图显示引擎，本实施方案使用MapInfo公司的可视化地图组件
MapX，当水灾报警时可自动显示监测到突水的摄像机位置。

如图2所示，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。

1.核心处理器(201)，采用三星S3C2440处理器，S3C2440是基于ARM920T内核的微
处理器，具有8位数字视频接口，最大值支持4096×4096像素可编程视频同步信号
输入，通过8位数字视频接口接收视频采集模块(203)的视频数据；S3C2440通过
16位总线方式连接网络通信模块(205)；S3C2440还具有3个UART接口，2个SPI
接口，2个USB接口，1个IIC-BUS接口；通过UART接口与串口通信模块(204)连
接通信；通过IC-BUS接口与视频采集模块SAA7113进行控制通信，使用嵌入式Linux
平台实现驱动控制通信，内置OpenCV库用于视频数据处理。

2.存储模块(202)；包括256MNANDFlash、一片4MNORFlash、128MSDRAM、一片
IIC-BUS接口的EEPROM。

3.视频采集模块(203)；主要处理芯片采用SAA7113H视频输入处理芯片，SAA7113H是
QFP44封装，电压3.3V，通过IIC-BUS接口与核心处理器(201)进行控制通信，选
择四路模拟输入通道一路进行摄像头模拟场频视频信号的采集，通过8位VPO总线
向核心处理器(201)输出标准ITU656格式的数字视频。

4.串口通信模块(204)使用TI公司的MAX232芯片RS-232标准串口单电源电平转换芯
片，使用5V电源供电，使用转接电缆连接9针串口实现通信。

5.网络通信模块(205)，主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的单芯片以太网MAC
控制器，上层的网络协议由核心处理器的内置Linux驱动支持。DM9000支持10/100M
自适应，支持3.3V与5V的电源电压。DM9000通过网络隔离变压器接口芯片
YL18-1080S连接RJ45网络接口，实现对网络的物理连接进行通信。

6.电源与时钟模块(206)包括AC/DC开关电源、DC电压转换和时钟管理元件，AC/DC
开关电源输出5V直流电，DC电压转换均采用MAX1724系列电源芯片，为所有芯片供
电；选用12MHz晶振。

7.隔爆壳(207)用于内部电路与井下环境的物理隔离，应符合煤矿井下隔爆要求。

排水渠流量采集设备工作原理如图3所示：

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C_e为流量系数，与h值有关，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。

流量采集设备的电路硬件组成如图4所示：

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32kFlash，1kRAM；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。

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

3.存储芯片(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
一个存储芯片，所以不需设置片选地址，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
存储芯片通信控制。

4.调试接口(404)，标准JTAG接口，用于单片机程序调试、烧写、升级。

5.通信接口(405)，采用RS-232标准通信方式，通信芯片使用MAX232与MSP430F147
连接。

6.电源(406)，包括AC/DC模块和DC电源转换两部分，DC电源转换芯片采用
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。

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。

水灾报警的工作过程如图5所示：

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)。

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)。

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
编码后的视频数据以组播方式传输给存储服务器(108)和监控终端(109)。

4.(504)存储服务器(108)接收现场视频数据并进行存储。

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。

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。

7.(507)图像和涌水量监测设备通过核心处理器(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。

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)连接矿用以太网的井下交换机(106)上传至监控终端(109)。

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。

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。

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。

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。

图像和涌水量监测设备监测流程如图6所示：

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。

2.(602)统计每帧图像区域A内灰度值的像素数，得到序列H_i；运算K帧图像区域A
内的各灰度值的像素数的算术平均值，得到序列S_i。

3.(603)统计设定灰度区间内的像素数D_S，

4.(604)将最后采集到一帧图像作为背景图像b(x，y)存储。

5.(605)间隔P帧求最新图像帧中区域A内大于等于设定灰度值M₂的像素总和D_H，
D H = Σ i = M 2 255 H i . ]]>

6.(606)如(D_H-D_S)≥M₃，则执行(608)，否则执行(607)；M₃为设定阈值。

7.(607)判定是否到背景图像更新时间T_S，如到了更新时间则返回(602)，否则返回
(605)。

8.(608)触发预警，置预警标志。

9.(609)更新存储背景图像b(x，y)。

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。

11.(611)对处理得到的累积差值图像进行灰度像素统计

式中f(x，y)为实时视频图像，P_n(x，y)为处理了n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，求高于设定灰度
值T₂的像素总和D_T。

12.(612)如D_T≥M₄，则执行(614)，否则执行(613)后返回(602)，M₄为设定的
增长率阈值。

13.(614)计算并监测排水渠流量数据变化，当在时间T_J内，满足则
执行(615)，，否则执行(613)后返回(602)；式中L_i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。

14.(615)发出水灾报警信号。

15.(613)清除预警标志，取消预警状态。