本發(fā)明涉及一種基于圖像的采煤工作面頂板報警系統(tǒng)，該方法涉及自動控制、圖像模式識別和通信等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤炭是我國主要能源，約占一次能源70％。煤炭行業(yè)是高危行業(yè)，瓦斯、水災(zāi)、火災(zāi)、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產(chǎn)。我國煤礦發(fā)生重特大事故中，礦井頂板事故屬危害性較大的自然災(zāi)害，會有大量的巖石堵塞巷道，給人員逃生造成困難，因此在煤礦生產(chǎn)中對礦井頂板事故必須做到提前預(yù)警及時報警。目前頂板事故預(yù)警以頂板形變測量為主，采用測量設(shè)備包括：壓力傳感器、位移傳感器、行程開關(guān)等，這些傳感器均為接觸式傳感器，必須在頂板固定安裝。易發(fā)生頂板事故的采煤工作面，由于采煤面的不斷變化，需要頻繁的移動和安裝傳感器，使用非常不便。目前對于頂板事易發(fā)區(qū)域，仍主要依靠現(xiàn)場人員的人工報警，但當事故發(fā)生在無人值守的時間或區(qū)域，或者現(xiàn)場人員匆忙逃離而未能主動報警，調(diào)度室就無法及時的獲得已發(fā)生頂板事故的信息，無法及時地通知井下相關(guān)工作人員，以致不能對突水事故及時采取應(yīng)急措施，易造成災(zāi)害失控和人員傷亡。為有效減少頂板引起的礦山財產(chǎn)損失和人員傷亡，需要新的井下頂板事故預(yù)警和報警系統(tǒng)，可在無人值守期間對采煤工作面的頂板事故進行預(yù)警，并可在第一時間準確地對頂板事故進行報警，為爭取寶貴的救災(zāi)和逃生時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于圖像的采煤工作面頂板報警系統(tǒng)，所述報警系統(tǒng)采用圖像識別的方式對采煤工作面液壓支架姿態(tài)進行監(jiān)測，從而實現(xiàn)對采煤工作面頂板事故的預(yù)警和報警。所述系統(tǒng)主要包括攝像機和液壓支架監(jiān)測設(shè)備；攝像機安裝于采煤工作面巷道側(cè)壁位置，用于采集至少一個液壓支架的視頻圖像，所述視頻圖像包括液壓支架的至少一個固定標志；所述液壓支架控制設(shè)備負責(zé)對液壓支架進行控制，并采集液壓支架狀態(tài)；所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備通過攝像機采集液壓支架的視頻圖像，通過對圖像中液壓支架的固定標志識別獲得包括液壓支架角度的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與已存儲的支架工作角度數(shù)據(jù)進行比對，當監(jiān)測到液壓支架角度異常，則進入預(yù)警狀態(tài)、并發(fā)出預(yù)警信息；所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備在預(yù)警狀態(tài)下，當監(jiān)測到無視頻圖像或在設(shè)定時間內(nèi)無法識別液壓支架固定標志，則發(fā)出頂板報警信息。

所述采煤工作面頂板報警系統(tǒng)進一步包括：所述液壓支架監(jiān)測設(shè)備存儲數(shù)據(jù)包括攝像機采集圖像區(qū)域內(nèi)的至少一個液壓支架固定標志的模板圖像數(shù)據(jù)，還包括液壓支架的工作角度數(shù)據(jù)；所述工作角度數(shù)據(jù)是在攝像機和液壓支架均處于工作位置的狀態(tài)下測量得到的。

所述采煤工作面頂板報警系統(tǒng)進一步包括：所述激光器和攝像機安裝位置包括垂直于采煤面安裝的固定軌道裝置；所述固定軌道裝置包括可控移動軌道裝置；所述可控移動軌道裝置主要包括軌道和電機；所述電機用于控制攝像機在軌道上移動；所述電機由液壓支架控制設(shè)備控制。

所述采煤工作面頂板報警系統(tǒng)進一步包括：所述固定標志的材料包括熒光材料；所述固定標志包括“十”字形標記。

所述液壓支架監(jiān)控報警系統(tǒng)進一步包括：液壓支架監(jiān)測設(shè)備對攝像機采集的視頻圖像與液壓支架固定標志模板進行比對的過程包括：

a)提取數(shù)字圖像中的特定顏色特征；

b)運用濾波算法對圖像進行濾波處理；

c)用已調(diào)取的各液壓支架標記模板與經(jīng)過邊緣檢測的數(shù)字圖像進行模式匹配處理。

附圖說明

圖1實施方案1系統(tǒng)示意圖。

圖2實施方案2系統(tǒng)示意圖。

圖3采煤工作面攝像機安裝示意圖。

圖4液壓支架監(jiān)測服務(wù)器工作流程圖。

圖5液壓支架模式識別及處理流程圖。

具體實施方式

所述基于圖像的采煤工面液壓支架監(jiān)控報警系統(tǒng)的實施方案1如圖1所示，系統(tǒng)組成主要包括：

1.液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)，即液壓支架監(jiān)測設(shè)備，接收視頻服務(wù)器(103)上傳的采煤工作面現(xiàn)場的數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)，并通過對視頻圖像中液壓支架的固定標志識別獲得包括液壓支架角度數(shù)據(jù)；當監(jiān)測到液壓支架姿態(tài)異常，則向監(jiān)控終端發(fā)出報警數(shù)據(jù)。

2.存儲服務(wù)器(102)，負責(zé)接收視頻服務(wù)器(103)上傳的采煤工作面現(xiàn)場的數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)并進行存儲，并為監(jiān)控終端(103)提供查詢調(diào)取服務(wù)。

3.監(jiān)控終端(103)，負責(zé)顯示采煤工作面現(xiàn)場視頻圖像，具有實時視頻監(jiān)控和歷史視頻調(diào)取功能，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控終端查看現(xiàn)場視頻圖像并可從存儲服務(wù)器(102)調(diào)取歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)；可根據(jù)接收到的液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)發(fā)送的報警數(shù)據(jù)進行報警提示，并發(fā)出聲光報警。

4.網(wǎng)絡(luò)交換機(104)，負責(zé)所有接入礦用以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。

5.井下交換機(105)，負責(zé)分站和其它通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。

6.液壓支架控制器(106)，為液壓支架控制設(shè)備，采集與液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)進行通信，為其提供液壓支架(107)狀態(tài)信息采用可編程控制器(plc)，如西門子s700系列可編程控制器；。

7.液壓支架(107)，用于支撐工作面頂，由液壓支架控制器(106)控制，帶有傳感器，包括壓力傳感器、行程開關(guān)、紅外傳感器等，為液壓支架控制器(106)提供狀態(tài)信號。

8.攝像機(108)，采用符合煤礦隔爆要求的礦用數(shù)字式攝像機，帶有輔助光源，連接井下交換機(105)，以組播方式發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，安裝在攝像機軌道上(114)。

9.攝像機軌道(109)，垂直于巷道且平行于巷道安裝于工作面?zhèn)缺?，采用步進電機帶動軌道滑動，步進電機連接液壓支架控制器(106)，根據(jù)其發(fā)送的脈沖信號控制轉(zhuǎn)動，帶動攝像機(108)向工作面移動到指定位置。

10.采煤機控制器(110)，用于采煤機控制，采用可編程控制器，通過網(wǎng)絡(luò)通信端口連接井下交換機。

所述基于圖像的采煤工作面液壓支架監(jiān)控報警系統(tǒng)的實施方案2如圖2所示，與實施方案1的區(qū)別在于：

1.液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)安裝于井下，采用工控機或用于多路圖像處理識別的專用設(shè)備，直接采集工作面現(xiàn)場視頻信號并進行處理，與液壓支架控制器(106)通過網(wǎng)絡(luò)通信，也可通過工業(yè)現(xiàn)場總線進行通信。

2.攝像機連接設(shè)備視頻分路器(111)，用于將一路模擬視頻信號分成兩路輸出，一路連接視頻編碼器(112)，將視頻信號數(shù)字化并壓縮，通過udp單播方式傳輸至存儲服

務(wù)器(102)；第二路模擬視頻輸出連接液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)。

3.視頻編碼器(112)，將攝像機采集的模擬視頻圖像數(shù)字化并壓縮編碼，并向井上液壓支架監(jiān)測服務(wù)器(101)、存儲服務(wù)器(102)、監(jiān)控終端(103)傳輸視頻數(shù)據(jù)；可采用?？礵s-6701hw，以組播方式發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。

圖3為采煤工作面攝像機安裝示意圖。如圖所示，在采煤工作面進風(fēng)巷和回風(fēng)巷的巷道壁上，平行于巷道均安裝攝像機軌道(109)，攝像機(108)安裝于攝像機軌道，攝像機(108)應(yīng)能采集到液壓支架的固定標志，固定標志由具有特定顏色的熒光材料繪制，特定顏色包括紅色、綠色、黃色、白色等。

液壓支架監(jiān)測服務(wù)器工作流程如圖4所示：

1.(401通過液壓支架控制器(106)和采煤機控制器(110)采集液壓支架和采煤機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.(402)分析液壓支架和采煤機工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，當監(jiān)測到液壓支架開始一組移架，則通過液壓支架控制器(106)控制攝像機軌道電機轉(zhuǎn)動帶動攝像機向工作面方向移動采煤機此次進刀的距離。

3.(403)采集支架的視頻圖像

4.(404)對圖像中的固定標記進行模式匹配識別。

5.(405)確定模式匹配得到的液壓支架的角度，并與存儲的液壓支架工作角度進行比對檢測，判定液壓支架姿態(tài)是否正常。

6.(406)如液壓支架姿態(tài)異常則進行相應(yīng)的預(yù)警處理，向監(jiān)控終端發(fā)送頂板預(yù)警信息，并進行后續(xù)報警監(jiān)測，如滿足報警條件則向監(jiān)控終端發(fā)送頂板報警信息。

液壓支架模式識別及處理流程如圖5所示：

1.(501)調(diào)取當前攝像機所監(jiān)測范圍內(nèi)的液壓支架固定標記的模板圖像數(shù)據(jù)和液壓支架的工作角度；本示例的固定標記為采用紅色熒光材料人為做的“十”字形標記，特定特征點為“十”字形標記的中心點。

2.(502)根據(jù)熒光材料的顏色提取數(shù)字圖像中的顏色特征，本示例采用紅色熒光材料，即對紅色部分進行提取。

3.(503)運用濾波算法對圖像進行濾波處理，去除電磁干擾、粉塵等干擾因素造成的圖像噪聲，增強圖像信息，可采用多種濾波算法對圖像進行濾波處理。

4.(504)用已調(diào)取的液壓支架固定標記的模板圖像數(shù)據(jù)與經(jīng)過處理的數(shù)字圖像進行模式匹配處理，在本示例中，可針對“十”字形固定標記的頂點位置關(guān)系進行模式匹配。

5.(505)對模式匹配結(jié)果進行判定，如果模式匹配成功則則執(zhí)行(506)，否則執(zhí)行(511)。

6.(506)計算固定標記的方向角度，在本示例中，計算頂點連線與圖像邊框的夾角。

7.(507)比較(508)得到的固定標記的方向角度與液壓支架的工作角度的差，如果角度差大于設(shè)定閾值，則說明液壓支架傾斜執(zhí)行(508)；如未傾斜則返回(502)。

8.(508)向監(jiān)控終端發(fā)送頂板報警信息，并進入預(yù)警狀態(tài)。

9.(509)在預(yù)警狀態(tài)下實時監(jiān)測視頻信號，如監(jiān)測到無視頻信號輸入，則執(zhí)行(510)，否則返回(502)。

10.(510)向監(jiān)控終端發(fā)送報警信息。

11.(511)如處于預(yù)警狀態(tài)則執(zhí)行(510)進行報警處理，否則返回(502)。