基于圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的井下水災報警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的井下水災報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)及圖 像模式識別、傳感器和通信等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 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、火 災、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，礦井水災時對礦 井危害性較大的自然災害，W煤礦事故死亡的人數(shù)計算，水害事故占15.72%，僅次于瓦斯 和頂板事故，位居第=，礦井發(fā)生水災事故后，其危害包括：
[0003] 1、沖毀巷道，埋壓、淹沒和封堵人員。
[0004] 2、伴隨突水，會有大量的煤泥和巖石渺積巷道，給人員逃生造成困難。
[0005] 3、損壞設(shè)備。井下電器，電纜被水浸泡后，其絕緣能力迅速下降，給井下的運輸、通 風、排水等造成困難，使未及時逃離人員的生還幾率降低。
[0006] 4、涌出大量的有毒有害氣體，使未及時逃離人員的生存條件環(huán)境更加惡化。
[0007] 綜上所述，礦井水災是煤礦嚴重的災害，在煤礦生產(chǎn)中對礦井水災的報警必須做 到及時準確。目前水災預警W水文探測預防、井下探水、先兆現(xiàn)象觀測和為主，水文探測和 井下探水可預防井下水災事故，但由于還可能存在水文情況復雜、設(shè)計不當、措施不力、管 理不善和人的思想麻搏等原因，水文探測和井下探水并不能完全防止突水的發(fā)生，更不能 對突發(fā)的井下突水進行報警;先兆現(xiàn)象觀測W人為經(jīng)驗判斷為主，存在較大的主觀因素。目 前對于現(xiàn)場突水事故，主要依靠現(xiàn)場人員的人工報警，但當突水發(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)生突水的信 息，無法及時地通知井下相關(guān)工作人員，W致不能對突水事故及時采取應急措施，易造成水 害失控和人員傷亡。為有效減少水災引起的礦山財產(chǎn)損失和人員傷亡，需要新的煤礦井下 水災報警系統(tǒng)，可第一時間準確地對煤礦井下突水進行報警，為未在發(fā)生現(xiàn)場的其它區(qū)域 井下人員爭取寶貴的救災和逃生時間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明提出一種基于圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的井下水災報警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括 攝像機、視頻分路器、流量采集設(shè)備、圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備、視頻服務器、礦用W太網(wǎng)、存 儲服務器、監(jiān)控終端;其中攝像機、視頻分路器、流量采集設(shè)備、圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備、視 頻服務器在井下安裝，存儲服務器和監(jiān)控終端安裝于井上;攝像機安裝于煤礦井下掘進工 作面、采煤工作面或其它可能發(fā)生透水事故的作業(yè)面等地點，攝像機采集井下現(xiàn)場視頻模 擬圖像；圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備組成包括:核屯、處理器、存儲模塊、視頻采集模塊、串口通信 模塊、網(wǎng)絡通信模塊、電源與時鐘模塊和隔爆殼；圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備采集并監(jiān)測涌水量 數(shù)據(jù)，并監(jiān)測煤礦井下現(xiàn)場視頻中的突發(fā)且持續(xù)水流，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果發(fā)出水災報警信號，報 警信號通過礦用W太網(wǎng)傳輸至井上監(jiān)控終端;監(jiān)控終端負責顯示報警信息，通過視頻服務 器獲得現(xiàn)場視頻，通過訪問存儲服務器獲得歷史現(xiàn)場視頻。具體方法包括：
[0009] 1.攝像機安裝位置靠近巷道頂部或高度大于2米;在攝像機旁安裝輔助光源，光投 射方向與攝像機視頻采集方向一致;手動設(shè)定攝像機焦距和曝光值，并關(guān)閉攝像機的自動 對焦和自動白平衡功能。
[0010] 2.圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的視頻采集模塊連接攝像機模擬視頻輸出口，視頻采集 模塊負責將模擬視頻信號數(shù)字化，將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)輸出到核屯、處理器。
[0011] 3.圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的串口通信模塊連接流量采集設(shè)備，采集攝像機所在巷 道涌水量即排水渠流量數(shù)據(jù)；圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的網(wǎng)絡通信模塊連接礦用W太網(wǎng)，通 過礦用W太網(wǎng)與井上的監(jiān)控終端通信。
[0012] 4.對圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備的攝像機監(jiān)控范圍內(nèi)的部分區(qū)域A進行設(shè)定，存儲在 存儲模塊中；運算K帖圖像設(shè)定區(qū)域A內(nèi)的各灰度值的像素數(shù)的算術(shù)平均值;求大于等于設(shè) 定灰度值Mi的像素總和化，并將最后一帖圖像作為背景圖像b(x，y)存儲，間隔時間Ts對化和 b(x，y)進行更新;每間隔P帖求最新圖像帖中設(shè)定區(qū)域A內(nèi)大于等于設(shè)定灰度值M2的像素總 和Dh,當化大于等于化設(shè)定闊值M3時觸發(fā)預警;進入預警模式后，每間隔化帖對攝像機采集的 實時視頻圖像f(x，y)與所存背景圖像b(x，y)進行累積差值處理，累積差值運算公式為：
式中Pn(x，y)為處理了n帖的累積 差值圖像初始值為0，A為設(shè)定區(qū)域，Tl為設(shè)定灰度闊值;通過累積差值運算處理化帖后，求大 于等于設(shè)定灰度值T2的像素總和化，如滿足化含M4,則發(fā)出水災報警信號;式中R為設(shè)定的增 長闊值;1(、口^5、11、12、13、14、化、92、1'1、1'通過測量設(shè)定或人為設(shè)定，存儲在存儲模塊中。
[0013] 5.當監(jiān)測到圖像數(shù)據(jù)異常后，計算并監(jiān)測排水渠流量數(shù)據(jù)變化，當在時間Tj內(nèi)，滿 足
，則發(fā)出水災報警信號，式中k為實時采集的排水渠流量數(shù)據(jù)，Ls為圖像數(shù) 據(jù)異常前的排水渠流量數(shù)據(jù)平均值，R為設(shè)定的排水渠流量增長率闊值;Tj、R通過測量設(shè)定 或人為設(shè)定得到，存儲在存儲模塊中。
【附圖說明】
[0014]圖1報警系統(tǒng)示意圖。
[0015]圖2圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖3排水渠流量監(jiān)測原理示意圖。
[0017]圖4流量采集設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖5報警系統(tǒng)的工作流程示意圖。
[0019]圖6圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測流程示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 如圖1所示，所述系統(tǒng)組成主要包括：
[0021] 1.攝像機（101 )，采用煤礦隔爆要求的隔爆模擬攝像機，帶有輔助光源，安裝在煤 礦井下掘進工作面、采煤工作面或其它可能發(fā)生透水事故的作業(yè)面等地點，通過同軸電纜 與視頻分路器(102)連接。
[0022] 2.視頻分路器(102)，負責將攝像機的一路模擬信號輸出分成兩路輸出，其中一路 接圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備(103)，另一路接視頻服務器(105)。
[0023] 3.圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備（103)，接收由視頻分路器(102)輸出的一路模擬視頻信 號，負責對視頻和排水渠流量數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果向監(jiān)控終端發(fā)出水災報警信號。 圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備通過串口連接流量采集設(shè)備（104)采集排水渠流量數(shù)據(jù)，通過同軸 電纜連接視頻分路器(102)采集視頻。
[0024] 4.流量采集設(shè)備（104)，用于排水渠流量采集，可使用各類礦用明渠流量測量儀， 應符合煤礦井下相關(guān)隔爆標準，具有RS-485通信接口。本實施方案采用超聲流量測量儀。
[0025] 5.視頻服務器（105)，也稱視頻編碼器，接收由視頻分路器（102)輸出的一路模擬 視頻信號，將其數(shù)字化并壓縮編碼，通過礦用W太網(wǎng)向井上存儲服務器和監(jiān)控終端傳輸視 頻數(shù)據(jù)。在本實施方案中選用海康DS-6701HW單路網(wǎng)絡視頻服務器，設(shè)置為組播方式。
[0026] 6.井下交換機（106)，是礦用W太網(wǎng)的井下接入設(shè)備，串接形成環(huán)網(wǎng)，負責視頻服 務器和其它通過網(wǎng)絡通信設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)交換，設(shè)備接入端一般為RJ45接口，環(huán)網(wǎng)接續(xù) 端為光接口，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。
[0027] 7.網(wǎng)絡交換機(107)，是礦用W太網(wǎng)的核屯、管理設(shè)備，負責所有接入網(wǎng)絡的設(shè)備的 管理和數(shù)據(jù)交換。
[00%] 8.存儲服務器(108)，負責接收由視頻服務器上傳的視頻數(shù)據(jù)并存儲，為監(jiān)控終端 提供現(xiàn)場歷史查詢調(diào)取服務。
[0029] 9.監(jiān)控終端（109)，具有聲光報警功能，接收到圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備（103)的報 警數(shù)據(jù)則聲光報警;監(jiān)控終端具有實時視頻監(jiān)控和歷史視頻調(diào)取功能，生產(chǎn)管理人員通過 監(jiān)控終端查看由視頻服務器（105)上傳的現(xiàn)場視頻圖像，也可從存儲服務器（108)調(diào)取歷史 視頻數(shù)據(jù)。生產(chǎn)管理人員可通過煤礦通信系統(tǒng)發(fā)出報警信號，對相關(guān)人員下發(fā)應急調(diào)度指 令，并通知撤出煤礦井下作業(yè)人員。監(jiān)控終端內(nèi)置井下地理信息，并具有地圖顯示引擎，本 實施方案使用MapInfo公司的可視化地圖組件MapX,當水災報警時可自動顯示監(jiān)測到突水 的攝像機位置。
[0030] 如圖2所示，圖像和涌水量監(jiān)測設(shè)備組成包括:核屯、處理器、存儲模塊、視頻采集模 塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡通信模塊、電源與時鐘模塊和隔爆殼。
[0031] 1.核屯、處理器（201)，采用S星S3C2440處理器，S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的微 處理器，具有8位數(shù)字視頻接口，最大值支持4096 X 4096像素可編程視頻同步信號輸入，通 過8位數(shù)字視頻接口接收視頻采集模塊(203)的視頻數(shù)據(jù);S3C2440通過16位總線方式連接 網(wǎng)絡通信模塊(205) ;S3C2440還具有3個UART接口，2個SPI接口，2個USB接口，1個IIC-腳S接 口；通過UART接口與串口通信模塊（204)連接通信；通過IC-BUS接口與視頻采集模塊 SAA7113進行控制通信，使用嵌入式Linux平臺實現(xiàn)驅(qū)動控制通信，內(nèi)置化enCV庫用于視頻 數(shù)據(jù)處理。
[0032]2.存儲模塊（202);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片 IIC-BUS 接 口的邸 PROM。
[0033] 3.視頻采集模塊(203);主要處理忍片采用SAA7113H視頻輸入處理忍片，SAA7113H 是QFP44封裝，電壓3.3V，通過IIC-腳S接口與核屯、處理器(201)進行控制通信，選擇四路模 擬輸入通道一路進行攝像頭模擬場頻視頻信號的采集，通過8位VPO總線向核屯、處理器 (201)輸出標準ITU656格式的數(shù)字視頻。
[0034] 4.串口通信模塊(204)使用TI公司的MAX232忍片RS-232標準串口單電源電平轉(zhuǎn)換 忍片，使用5V電源供電，使用轉(zhuǎn)接電纜連接9針串口實現(xiàn)通信。
[0(X3日]5.網(wǎng)絡通信模塊(205)，主要忍片采用DM9000，DM9000是完全集成的單忍片W太網(wǎng)MC控制器，上層的網(wǎng)絡協(xié)議由核屯、處理器的內(nèi)置Linux驅(qū)動支持。DM9000支持10/100M自適 應，支持3.3V與5V的電源電壓。DM9000通過網(wǎng)絡隔離變壓器接口忍片化18-1080S連接RJ45 網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)對網(wǎng)絡的物理連接進行通信。
[0036] 6.電源與時鐘模塊(206)包括AC/DC開關(guān)電源、DC電壓轉(zhuǎn)換和時鐘管理元件，AC/DC 開關(guān)電源輸出5V直流電，DC電壓轉(zhuǎn)換均采用MAX1724系列電源忍片，為所有忍片供電；選用 12MHz晶振。
[0037] 7.隔爆殼(207)用于內(nèi)部電路與井下環(huán)境的物理隔離，應符合煤礦井下隔爆要求。
[0038] 排水渠流量采集設(shè)備工作原理如圖3所示：
[0039]明渠內(nèi)的流量越大，液位越高;流量越小，液位越低。