基于圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及圖像 模式識(shí)別、傳感器和通信等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是我國(guó)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(guó)煤礦發(fā)生重特大事故中，礦井水災(zāi)時(shí)對(duì)礦 井危害性較大的自然災(zāi)害，以煤礦事故死亡的人數(shù)計(jì)算，水害事故占15.72%，僅次于瓦斯 和頂板事故，位居第三，礦井發(fā)生水災(zāi)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(huì)有大量的煤泥和巖石淤積巷道，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(yùn)輸、通 風(fēng)、排水等造成困難，使未及時(shí)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(shí)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(zāi)是煤礦嚴(yán)重的災(zāi)害，在煤礦生產(chǎn)中對(duì)礦井水災(zāi)的報(bào)警必須做 到及時(shí)準(zhǔn)確。目前水災(zāi)預(yù)警以水文探測(cè)預(yù)防、井下探水、先兆現(xiàn)象觀測(cè)和為主，水文探測(cè)和 井下探水可預(yù)防井下水災(zāi)事故，但由于還可能存在水文情況復(fù)雜、設(shè)計(jì)不當(dāng)、措施不力、管 理不善和人的思想麻痹等原因，水文探測(cè)和井下探水并不能完全防止突水的發(fā)生，更不能 對(duì)突發(fā)的井下突水進(jìn)行報(bào)警;先兆現(xiàn)象觀測(cè)以人為經(jīng)驗(yàn)判斷為主，存在較大的主觀因素。目 前對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)突水事故，主要依靠現(xiàn)場(chǎng)人員的人工報(bào)警，但當(dāng)突水發(fā)生在無人值守的時(shí)間或 區(qū)域，或者現(xiàn)場(chǎng)人員匆忙逃離而未能主動(dòng)報(bào)警，調(diào)度室就無法及時(shí)的獲得已發(fā)生突水的信 息，無法及時(shí)地通知井下相關(guān)工作人員，以致不能對(duì)突水事故及時(shí)采取應(yīng)急措施，易造成水 害失控和人員傷亡。為有效減少水災(zāi)引起的礦山財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，需要新的煤礦井下 水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可第一時(shí)間準(zhǔn)確地對(duì)煤礦井下突水進(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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明提出一種基于圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括攝 像機(jī)、視頻分路器、圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)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、圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)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;圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成包括： 核心處理器、水質(zhì)傳感器探頭、檢測(cè)模塊、存儲(chǔ)模塊、視頻采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電源與 時(shí)鐘模塊和隔爆殼；圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集巷道排水渠的水質(zhì)參數(shù)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，通過視頻服務(wù)器獲得現(xiàn)場(chǎng)視頻，通 過訪問存儲(chǔ)服務(wù)器獲得歷史現(xiàn)場(chǎng)視頻。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括：
[0009] 1.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。
[0010] 2.圖像和水質(zhì)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。
[0011] 3.圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)安裝在攝像機(jī)所在巷道的排水渠的下游位置，安裝位置不在 攝像機(jī)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)；在滿足以上條件的情況下水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)盡量靠近攝像機(jī)。
[0012] 4.圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集以下參數(shù)中的一種或多種水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù):水的特定光 譜、PH值、電導(dǎo)、水溫、濁度；圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接礦用以太網(wǎng)，再通過礦 用以太網(wǎng)與井上的監(jiān)控終端通信。
[0013] 5.在圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備工作前，需對(duì)圖像和水質(zhì)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幀圖像的區(qū)域A內(nèi)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幀求最新圖像幀中區(qū)域A內(nèi)大于等于設(shè)定 灰度值M 2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;1^、^1、1 2、13通過測(cè)量 設(shè)定或人為設(shè)定，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。
[0014] 6.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 差值圖像初始值為〇，A為設(shè)定區(qū)域，T1為設(shè)定灰度閾值;通過累積差值運(yùn)算處理出幀后，求大 于等于設(shè)定灰度值T2的像素總和DT，如滿足Dt2M4,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;Qi、Q 2、T1、T2 A通過測(cè)量設(shè)定或人為設(shè)定，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中。
[0015] 7.當(dāng)監(jiān)測(cè)到圖像數(shù)據(jù)異常后，計(jì)算并監(jiān)測(cè)水質(zhì)數(shù)據(jù)變化，當(dāng)在時(shí)間Tj內(nèi)，如所監(jiān)測(cè) 各種水質(zhì)參數(shù)中的某種參數(shù)或多種參數(shù)滿足
，則發(fā)出水災(zāi) 報(bào)警信號(hào)，式中i為監(jiān)測(cè)各種水質(zhì)參數(shù)的編號(hào)，L11為實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)，Ls1為所監(jiān) 測(cè)的水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值,R1為設(shè)定的水質(zhì)參數(shù)的數(shù)據(jù)變化率閾值;I^R1通過測(cè) 量設(shè)定或人為設(shè)定得到。
【附圖說明】
[0016] 圖1基于圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的井下水災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)示意圖。
[0017] 圖2圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖3報(bào)警系統(tǒng)的工作流程示意圖。
[0019] 圖4圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)流程示意圖。
【具體實(shí)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(jī)（101 )，采用煤礦隔爆要求的隔爆模擬攝像機(jī)，帶有輔助光源，安裝在煤 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)，通過同軸電纜 與視頻分路器(102)連接。
[0022] 2.視頻分路器(102)，負(fù)責(zé)將攝像機(jī)的一路模擬信號(hào)輸出分成兩路輸出，其中一路 接圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備（103)，另一路接視頻服務(wù)器(105)。
[0023] 3.圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備（103)，接收由視頻分路器（102)輸出的一路模擬視頻信 號(hào)，并采集各水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)視頻和水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果向監(jiān)控終端發(fā) 出水災(zāi)報(bào)警信號(hào);通過同軸電纜連接視頻分路器(102)采集視頻。
[0024] 4.視頻服務(wù)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(hào)，將其數(shù)字化并壓縮編碼，通過礦用以太網(wǎng)向井上存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)控終端傳輸視 頻數(shù)據(jù)。在本實(shí)施方案中選用?？礑S-6701HW單路網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，設(shè)置為組播方式。
[0025] 5.井下交換機(jī)（106)，是礦用以太網(wǎng)的井下接入設(shè)備，串接形成環(huán)網(wǎng)，負(fù)責(zé)視頻服 務(wù)器和其它通過網(wǎng)絡(luò)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。
[0026] 6.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)（107)，是礦用以太網(wǎng)的核心管理設(shè)備，負(fù)責(zé)所有接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的 管理和數(shù)據(jù)交換。
[0027] 7.存儲(chǔ)服務(wù)器(108)，負(fù)責(zé)接收由攝像機(jī)發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，為監(jiān)控終端提供 現(xiàn)場(chǎng)歷史查詢調(diào)取服務(wù)。
[0028] 8.監(jiān)控終端（109)，具有聲光報(bào)警功能，接收到圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備（103)的報(bào)警 數(shù)據(jù)則聲光報(bào)警;監(jiān)控終端具有實(shí)時(shí)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(wù)器（105)上傳的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，也可從存儲(chǔ)服務(wù)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(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。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(shí)施 方案使用MapInfo公司的可視化地圖組件MapX，當(dāng)水災(zāi)報(bào)警時(shí)可自動(dòng)顯示監(jiān)測(cè)到突水的攝 像機(jī)位置。
[0029] 如圖2所示，圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)備組成包括：
[0030] 1.核心處理器（201)，采用三星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(hào)輸入，通 過8位數(shù)字視頻接口接收視頻采集模塊(205)的視頻數(shù)據(jù);S3C2440通過16位總線方式連接 網(wǎng)絡(luò)通信模塊(207) ;S3C2440還具有3個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，2個(gè)USB接口，1個(gè)IIC-BUS接 口；通過IC-BUS接口與視頻采集模塊SAA7113進(jìn)行控制通信；使用A/D轉(zhuǎn)換口與檢測(cè)模塊 (203)連接;使用嵌入式Linux平臺(tái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制通信，內(nèi)置OpenCV庫(kù)用于視頻數(shù)據(jù)處理。
[0031] 2.水質(zhì)傳感器探頭（202)，采用單參數(shù)或多參數(shù)探頭，包括特定光譜、PH值、電導(dǎo)、 水溫、濁度。探頭置于在水質(zhì)采樣連通池，通過水質(zhì)傳感器標(biāo)準(zhǔn)接口連接圖像和水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè) 備的主機(jī)。
[0032] 3.檢測(cè)模塊(203)，為探頭供電并將水質(zhì)傳感器探頭采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為核心 處理器(201)可采集的電壓變化信號(hào)。
[0033] 4.存儲(chǔ)模塊（204);包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片 IIC-BUS接口的 EEPROM。
[0034] 5.視頻采集模塊(205);主要處理芯片采用SAA7113H視頻輸入處理芯片，SAA7113H 是QFP44封裝，電壓3.3V，通過IIC-BUS接口與核心處理器(201)進(jìn)行控制通信，選擇四路模 擬輸入通道一路進(jìn)行攝像頭模擬場(chǎng)