基于图像和掘进机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监测的掘进工作面水灾报警系统，该系统涉及图像模式识别和通信等领域。
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。掘进工作面是井下易发生突水事故的区域，为有效减少水灾引起的矿山财产损失和人员伤亡，需要新的掘进工作面井下水灾报警系统，可第一时间准确地对掘进工作面突水进行报警，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掘进机监测设备的井下水灾报警系统，所述系统主要包括：摄像机、视频分路器、掘进机控制器、图像与掘进机监测设备、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、掘进机控制器、图像与掘进机监测设备、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的掘进巷道中或掘进机上，摄像机采集掘进工作面现场视频模拟图像；图像与掘进机监测设备组成包括：核心处理器、存储模块、视频采集模块、隔爆壳、电源管理模块、串口通信模块、网络通信模块；图像与掘进机监测设备采集掘进机控制器输出的掘进机及其喷雾装置数据，并监测掘进工作面视频中与掘进机喷雾无关的突发且持续水流，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.摄像机安装位置在掘进巷道中或掘进机上，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。
2.图像与掘进机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.图像与掘进机监测设备的串口通信模块连接掘进机控制器的通信模块，采集掘进机喷雾装置的控制和状态数据；图像与掘进机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.对图像与掘进机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；图像与掘进机监测设备监测掘进机及其喷雾装置工作状态，如触发预警监测前T秒内掘进机存在从未开启到开启喷雾的状态改变，则取消预警，并更新DS和b(x，y)；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Pn(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DT，如满足DT≥R，则发出水灾报警信号；式中R为设定的增长阈值；监测相关的所有阈值及参数包括K、P、TS、M1、M2、M3、T、Q1、Q2、T1、T2、R通过测量设定或人为设定，存储在存储模块中。
附图说明
图1基于图像和掘进机监测设备的井下水灾报警系统示意图。
图2图像与掘进机监测设备结构示意图。
图3掘进工作面报警系统的工作流程示意图。
图4图像与掘进机监测设备监测流程示意图。
具体实施方式
图1所示为所述系统的实施方案，系统组成包括：
1.摄像机(101)，采用煤矿隔爆要求的矿用模拟摄像机，带有辅助光源，安装在掘进巷道中或掘进机上，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，其中一路接图像与掘进机监测设备(103)，另一路接视频服务器(105)。
3.图像与掘进机监测设备(103)，接收由视频分路器(102)输出的一路模拟视频信号，负责根据对视频和掘进机及其喷雾装置数据进行监控，根据监测结果，向监控终端发出水灾报警信号。图像与掘进机监测设备通过串口连接掘进机控制器(104)采集掘进机数据，通过同轴电缆连接视频分路器(102)采集视频。
4.掘进机控制器(104)，负责采集掘进机及其喷雾装置的状态数据，数据通过工业以太网传输至存储服务器，采用可编程控制器(PLC)，可编程控制器具有通信接口或通信模块。在本实施方案中使用西门子SIMATICS7-300，配置CP341模块通过RS232标准与图像与掘进机监测设备(103)。
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，接收到图像与掘进机监测设备(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，图像与掘进机监测设备组成包括：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)用于内部电路与外界环境的物理隔离，应符合煤矿井下隔爆要求。
掘进工作面水灾报警的工作过程如图3所示：
1.(301)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(102)。
2.(302)视频分路器将现场模拟视频信号分成两路模拟视频信号，分别传送给图像与掘进机监测设备(103)和视频服务器(105)。
3.(303)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.(304)存储服务器(108)接收现场视频数据并进行存储。
5.(305)图像与掘进机监测设备通过视频采集模块(203)将模拟视频信号数字化。
6.(306)图像与掘进机监测设备通过串口通信模块(204)采集掘进机状态数据。
7.(307)图像与掘进机监测设备通过核心处理器(201)的内置库处理分析视频数据，监测掘进工作面视频中突发且持续水流，并参考掘进机喷雾设备状态数据，对分析结果进行判断。
8.(308)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.(309)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.(310)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.(311)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.(312)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。
图像与掘进机监测设备监测流程如图4所示：
1.(401)图像与掘进机监测设备启动时调取监控区域A和所有监测运算相关的参数进行进行调取。
2.(402)统计每帧图像区域A内各灰度值的像素数，得到序列Hi；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Si。
3.(403)统计设定灰度区间内的像素数DS，![]()
4.(404)将最后采集到一帧图像作为背景图像b(x，y)存储。
5.(405)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，
D
H
=
Σ
i
=
M
2
255
H
i
.
]]>
6.(406)如(DH-DS)≥M3，则执行(408)，否则执行(407)；M3为设定阈值。
7.(407)判定是否到背景图像更新时间TS，如到了更新时间则返回(402)，否则返回(405)。
8.(408)触发预警，置预警标志。
9.(409)更新存储背景图像b(x，y)。
10.(410)监测掘进机喷雾装置状态数据，如掘进机在预警前指定时间内存在从未开启到开启喷雾的状态改变则执行(414)后返回(402)，否则返回(411)。
11.(411)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。
12.(412)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，Pn(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DT。
13.(413)如DT≥R，则执行(415)，否则执行(414)后返回(402)，R为设定的增长率阈值。
13.(415)发出水灾报警信号。
14.(414)清除预警标志，取消预警状态。