對(duì)于一般的渠道，液位與流量 沒(méi)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在渠道內(nèi)安裝量水堪槽，由于堪的缺口或槽的縮口比渠道的橫截面 積小，因此，渠道上游水位與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要取決于堪槽的幾何尺寸。量水堪槽把流量 轉(zhuǎn)成了液位。通過(guò)測(cè)量流經(jīng)量水堪槽內(nèi)水流的液位，可W根據(jù)相應(yīng)量水堪槽的水位-流量關(guān) 系，求出流量。常用的量水堪槽根據(jù)堪口形狀的不同可分為全寬堪、矩形堪、=角堪、梯形 堪、己歇爾槽式等，圖2所示的裝置為矩形堪，本實(shí)施方案中上游液位h通過(guò)非接觸式的超聲 測(cè)距方式實(shí)現(xiàn);設(shè)堪口寬度為b，流量計(jì)算公式為
i式中Ce為流量系數(shù)，與Mt 有關(guān)，量水堪槽的水位-流量關(guān)系可從國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程《明渠堪槽流量計(jì)》JJG711-90中查 詢獲得。
[0040]流量采集設(shè)備的電路硬件組成如圖4所示：
[0041 ] 1.處理器(401)選擇TI公司的MSP430F147單片機(jī)。該型號(hào)為16位RISC結(jié)構(gòu)，具有 32k Flash，IkRAM;并有5種低功耗模式，豐富的片內(nèi)外圍模塊，靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)等諸多優(yōu) 點(diǎn)。MSP430可在1.8~3.6V低電壓下工作，系統(tǒng)采用3.3V工作電壓。
[0042] 2.超聲測(cè)距(402)，采用超聲測(cè)距模塊，信號(hào)輸出部分連接MSP430F147具有中斷功 能的I/O端口，處理器采集超聲測(cè)距模塊輸出的脈沖，根據(jù)脈沖長(zhǎng)度計(jì)算得到目標(biāo)距離
[0043] 3.存儲(chǔ)忍片(403)采用1片24C128,用于存儲(chǔ)槽寬、流量系數(shù)等參數(shù)，由于只使用了 一個(gè)存儲(chǔ)忍片，所W不需設(shè)置片選地址，將片選管腳全部接地。24C512使用IIC-BUS總線通 信，使用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)I/O接口加上拉電阻連接SCL和SDA管腳，實(shí)現(xiàn)處理器與存儲(chǔ)忍片通信控 制。
[0044] 4.調(diào)試接口（404)，標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，用于單片機(jī)程序調(diào)試、燒寫、升級(jí)。
[0045] 5.通信接口（405)，采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)通信方式，通信忍片使用MAX232與MSP430F147 連接。
[0046]6.電源（406)，包括AC/DC模塊和DC電源轉(zhuǎn)換兩部分，DC電源轉(zhuǎn)換忍片采用 MAX1724EZK33、MAX1724EZK50，轉(zhuǎn)換得到3.3V和5V穩(wěn)定的工作電壓，分別為處理器和通信接 口供電。
[0047]7.隔爆殼(407)，用于將內(nèi)部電路與外界環(huán)境隔離，應(yīng)符合煤礦井下相關(guān)隔爆標(biāo) 準(zhǔn)。
[004引水災(zāi)報(bào)警的工作過(guò)程如圖5所示：
[0049] 1. (501)攝像機(jī)采集視頻圖像，將采集到的現(xiàn)場(chǎng)模擬視頻信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳輸 給視頻分路器(502)。
[0050] 2. (502)視頻分路器將現(xiàn)場(chǎng)模擬視頻信號(hào)分成兩路模擬視頻信號(hào)，分別傳送給圖 像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備(103)和視頻服務(wù)器(105)。
[0051]3. (503)視頻服務(wù)器(105)數(shù)字化模擬視頻信號(hào)并進(jìn)行壓縮編碼，通過(guò)網(wǎng)線將壓縮 編碼后的視頻數(shù)據(jù)W組播方式傳輸給存儲(chǔ)服務(wù)器(108)和監(jiān)控終端(109)。
[0052]4. (504)存儲(chǔ)服務(wù)器(108)接收現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。
[0053]5. (505)圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)視頻采集模塊(203)將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化。
[0054]6. (506)圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)串口通信模塊(204)采集流量數(shù)據(jù)。
[0055]7. (507)圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)核屯、處理器（201)的內(nèi)置庫(kù)處理分析視頻數(shù) 據(jù)，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)視頻中突發(fā)且持續(xù)水流，并參考排水渠流量數(shù)據(jù)，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷。
[0056] 8. (508)當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足報(bào)警條件時(shí)，則將報(bào)警數(shù)據(jù)使用TCP通信方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通 信模塊(205)連接礦用W太網(wǎng)的井下交換機(jī)(106)上傳至監(jiān)控終端(109)。
[0057]9. (509)監(jiān)控終端（109)接收到報(bào)警數(shù)據(jù)后，自動(dòng)根據(jù)攝像機(jī)編號(hào)通過(guò)地圖顯示引 擎在顯示器上顯示突水位置，并聲光報(bào)警提示生產(chǎn)管理人員進(jìn)行處理。
[005引10. (510)生產(chǎn)管理人員通過(guò)監(jiān)控終端（109)訪問(wèn)存儲(chǔ)服務(wù)器（108)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)歷史 視頻。
[0059]11. (511)生產(chǎn)管理人員同時(shí)觀看由視頻服務(wù)器（105)上傳的現(xiàn)場(chǎng)視頻，確認(rèn)報(bào)警 發(fā)生過(guò)程和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)情況。
[0060] 12. (512)生產(chǎn)管理人員確認(rèn)報(bào)警后，可通過(guò)煤礦通信系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對(duì)相關(guān) 人員下發(fā)應(yīng)急調(diào)度指令，并通知撤出煤礦井下作業(yè)人員。
[0061]圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)流程如圖6所示：
[0062]1.(601)每次啟動(dòng)時(shí)調(diào)取預(yù)存的監(jiān)控區(qū)域A和所有監(jiān)測(cè)運(yùn)算相關(guān)的參數(shù)。
[0063] 2. (602)統(tǒng)計(jì)每帖圖像區(qū)域A內(nèi)灰度值的像素?cái)?shù)，得到序列出;運(yùn)算K帖圖像區(qū)域A 內(nèi)的各灰度值的像素?cái)?shù)的算術(shù)平均值：
得到序列Si。
[0064]3. (603)統(tǒng)計(jì)設(shè)定灰度區(qū)間內(nèi)的像素?cái)?shù)化，
[0065]4. (604)將最后采集到一帖圖像作為背景圖像b(x，y)存儲(chǔ)。
[0066] 5. (605)間隔P帖求最新圖像帖中區(qū)域A內(nèi)大于等于設(shè)定灰度值M2的像素總和化，
[0067]6. (606)如(Dh-Ds)> M3,則執(zhí)行(608)，否則執(zhí)行(607) ;M3為設(shè)定闊值。
[006引7. (607)判定是否到背景圖像更新時(shí)間Ts,如到了更新時(shí)間則返回（602)，否則返 回(605)。
[0069] 8. (608)觸發(fā)預(yù)警，置預(yù)警標(biāo)志。
[0070] 9.(609)更新存儲(chǔ)背景圖像b(X，y)。
[0071] 10. (610)持續(xù)設(shè)定時(shí)間對(duì)實(shí)時(shí)視頻圖像與所存背景圖像進(jìn)行累積差值圖像運(yùn)算。
[0072] 11. (611)對(duì)處理得到的累積差值圖像進(jìn)行灰度像素統(tǒng)計(jì)
[0074] 式中f(x，y)為實(shí)時(shí)視頻圖像，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(guò)累積差值運(yùn)算處理化帖后，求高于設(shè)定灰度值T2的像 素總和化。
[0075] 12. (612)如Dt> M4，則執(zhí)行(614)，否則執(zhí)行(613)后返回（602)，M4為設(shè)定的增長(zhǎng)率 闊值。
[0076] 13. (614)計(jì)算并監(jiān)測(cè)排水渠流量數(shù)據(jù)變化，當(dāng)在時(shí)間Tj內(nèi)，滿足
，則 執(zhí)行(615)，，否則執(zhí)行(613)后返回（602);式中k為實(shí)時(shí)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(zhǎng)率闊值。
[0077] 14. (615)發(fā)出水災(zāi)報(bào)警信號(hào)。
[0078] 15. (613)清除預(yù)警標(biāo)志，取消預(yù)警狀態(tài)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于：系統(tǒng)主要包括 攝像機(jī)、視頻分路器、圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備、流量采集設(shè)備、視頻服務(wù)器、礦用以太網(wǎng)、存 儲(chǔ)服務(wù)器、監(jiān)控終端;其中攝像機(jī)、視頻分路器、圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備、流量采集設(shè)備、視 頻服務(wù)器在井下安裝，存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)控終端安裝于井上;攝像機(jī)安裝于煤礦井下掘進(jìn)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(diǎn)，攝像機(jī)采集井下現(xiàn)場(chǎng)視頻模 擬圖像；圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備組成包括:核心處理器、存儲(chǔ)模塊、視頻采集模塊、串口通信 模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電源與時(shí)鐘模塊和隔爆殼；圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備采集并監(jiān)測(cè)涌水量 數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)煤礦井下現(xiàn)場(chǎng)視頻中的突發(fā)且持續(xù)水流，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)出水災(zāi)報(bào)警信號(hào)，報(bào) 警信號(hào)通過(guò)礦用以太網(wǎng)傳輸至井上監(jiān)控終端;監(jiān)控終端負(fù)責(zé)顯示報(bào)警信息，通過(guò)視頻服務(wù) 器獲得現(xiàn)場(chǎng)視頻，通過(guò)訪問(wèn)存儲(chǔ)服務(wù)器獲得歷史現(xiàn)場(chǎng)視頻。2. 如權(quán)利要求1所述的報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于:攝像機(jī)安裝位置靠近巷道頂部或高度大 于2米;在攝像機(jī)旁安裝輔助光源，光投射方向與攝像機(jī)視頻采集方向一致;手動(dòng)設(shè)定攝像 機(jī)焦距和曝光值，并關(guān)閉攝像機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦和自動(dòng)白平衡功能。3. 如權(quán)利要求1所述的報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于：圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備的視頻采集模塊 連接攝像機(jī)模擬視頻輸出口，視頻采集模塊負(fù)責(zé)將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，將數(shù)字視頻數(shù)據(jù) 輸出到核心處理器。4. 如權(quán)利要求1所述的報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于：圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備的串口通信模塊 連接流量采集設(shè)備，采集攝像機(jī)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(cè)設(shè) 備的網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接礦用以太網(wǎng)，通過(guò)礦用以太網(wǎng)與井上的監(jiān)控終端通信。5. 如權(quán)利要求1所述的報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于:對(duì)圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備的攝像機(jī)監(jiān)控 范圍內(nèi)的部分區(qū)域A進(jìn)行設(shè)定，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中；運(yùn)算K幀圖像設(shè)定區(qū)域A內(nèi)的各灰度值的 像素?cái)?shù)的算術(shù)平均值;求大于等于設(shè)定灰度值施的像素總和Ds，并將最后一幀圖像作為背景 圖像b (X，y)存儲(chǔ)，間隔時(shí)間Ts對(duì)Ds和b (X，y)進(jìn)行更新;每間隔P幀求最新圖像幀中設(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(dāng)Dh大于等于Ds設(shè)定閾值M3時(shí)觸發(fā)預(yù)警;K、P、Ts、 M1、M2、M3通過(guò)測(cè)量設(shè)定或人為設(shè)定，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。6. 如權(quán)利要求5所述的報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于:進(jìn)入預(yù)警模式后，每間隔&幀對(duì)攝像機(jī)采 集的實(shí)時(shí)視頻圖像f(x，y)與所存背景圖像b(x，y)進(jìn)行累積差值處理，累積差值運(yùn)算公式 為:式中Pn(x，y)為處理了 η幀的累積差值圖像初始值為0，A為設(shè)定區(qū)域，T1為設(shè)定灰度閾 值;通過(guò)累積差值運(yùn)算處理Q2幀后，求大于等于設(shè)定灰度值T2的像素總和DT，如滿足Dt2M 4， 則發(fā)出水災(zāi)報(bào)警信號(hào);式中R為設(shè)定的增長(zhǎng)閾值;91、92、1' 1、1'2、14通過(guò)測(cè)量設(shè)定或人為設(shè)定， 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。7. 如權(quán)利要求6所述的報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于：當(dāng)監(jiān)測(cè)到圖像數(shù)據(jù)異常后，計(jì)算并監(jiān)測(cè) 排水渠流量數(shù)據(jù)變化，當(dāng)在時(shí)間Tj內(nèi)，滿足則發(fā)出水災(zāi)報(bào)警信號(hào)，式中L1為實(shí) 時(shí)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(zhǎng)率閾值;Tt、R通過(guò)測(cè)量設(shè)定或人為設(shè)定得到。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。在煤礦井下掘進(jìn)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(diǎn)安裝攝像機(jī)，攝像機(jī)通過(guò)視頻分路器連接圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備和視頻服務(wù)器，圖像和涌水量監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)采集涌水量數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)視頻和涌水量數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果向監(jiān)控終端發(fā)送水災(zāi)報(bào)警數(shù)據(jù)，生產(chǎn)管理人員可通過(guò)監(jiān)控終端查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)和歷史視頻，并做出應(yīng)急處理；本報(bào)警系統(tǒng)分考慮了煤礦采煤工作面水災(zāi)的特征特點(diǎn)，實(shí)施簡(jiǎn)單，自動(dòng)及時(shí)采取相應(yīng)措施，可第一時(shí)間準(zhǔn)確地對(duì)礦井突水進(jìn)行報(bào)警，為未在發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的其它區(qū)域井下人員爭(zhēng)取寶貴的救災(zāi)和逃生時(shí)間。
【IPC分類】E21F17/18
【公開號(hào)】CN105422180
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610001287
【發(fā)明人】劉毅, 孫繼平
【申請(qǐng)人】中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2016年1月4日