CN104454011A - 基于图像的采煤工作面冲击地压报警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于图像的采煤工作面冲击地压报警方法，本报警方法通过在采煤工作面相关区域附近安装摄像机，实时分析视频图像数据变化与设备工作情况，发现监控区域内异常的数据变化，如信息异常的组合情况符合报警条件，则发出冲击地压报警信号。本报警方法充分考虑了煤矿采煤工作面冲击地压的各种特征特点，实施简单，可较为准确地判定采煤工作面的冲击地压，有效提高救援效率，有利于管理人员及时采取相应措施，避免巷道堵塞瓦斯积聚引发瓦斯爆炸等严重事故，避免或减少人员伤亡。

Description

基于图像的采煤工作面冲击地压报警方法

技术领域

本发明涉及一种基于图像的采煤工作面冲击地压报警方法，该方法涉及图像处理和通信等领域。

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，多数为重特大瓦斯事故，瓦斯事故所造成的伤亡人数也是所有煤矿事故中所占比例最大的。因此，瓦斯事故防治十分重要。

瓦斯事故包括瓦斯爆炸、冲击地压、瓦斯窒息、瓦斯燃烧等事故。为避免或减少冲击地压事故发生，人们提出了多种煤或岩与瓦斯突出防治方法，在煤矿安全生产工作中发挥着重要作用。但现有冲击地压实时监测与预报方法(包括微震、声发射、电磁辐射、红外辐射等)误报率和漏报率还较高，难以满足煤矿安全生产的需要。

煤矿井下的采煤工作面易发生冲击地压，当冲击地压发生后，易造成工作面现场附近的工作人员被填埋或被困；另外冲击地压会造成工作面附近巷道的堵塞，使巷道通风不畅，使瓦斯积聚，易引发瓦斯爆炸。如能在第一时间快速准确地判定该区域的冲击地压，可尽快组织救援，争取宝贵的救援时间，避免或减少填埋或被困造成的人员伤亡；并及时组织人员对堵塞巷道采取处理措施，有效避免由于瓦斯积聚引发的瓦斯爆炸等事故，避免或减少由于瓦斯窒息和瓦斯爆炸造成人员伤亡。

发明内容

当采煤工作面发生冲击地压情况时，会有大量的煤岩高速向外涌出，并大量堆积在工作面大部分区域内，甚至通过进风巷和回风巷向外涌出，同时可能对该区域内的各类电子设备及通信线路造成损坏；本发明根据这一特点提出了一种基于图像的采煤工作面冲击地压报警方法，主要原理在于，通过对摄像机采集视频图像的实时分析，发现监控区域内异常的大量煤岩的运动与堆积，结合甲烷传感器的数值情况实现准确地冲击地压报警。具体方法包括：

1.煤矿井下，在采煤工作面液压支架或采煤机上、采煤工作面进风巷中、采煤工作面回风巷中放置摄像机；实时检测所采集的各路视频图像数据，检测摄像机及通信线路的工作情况，同时监测附近区域的甲烷传感器数值的变化；当检测到摄像机视频图像中设定区域异常出现物体堆积、或大量物体高速运动时，则判定为数据异常；当检测到数据异常，或数据异常与相关设备故障在短时间内相继出现，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警和信号。

2.摄像机安装位置靠近巷道顶部或高度大于2米；手动设定摄像机焦距和曝光值，并关闭摄像机的自动对焦和自动白平衡功能。

3.对采煤工作面液压支架或采煤机上摄像机监控范围境内的未被采煤机和刮板遮挡的部分区域进行设定，在摄像机工作正常及视频通信正常的条件下，当检测到设定区域的视频图像数据发生剧烈变化，而且数据变化不可恢复，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

4.对采煤工作面液压支架或采煤机上摄像机采集的视频图像与背景图像的设定区域运用差分算法进行运算；再对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；当统计发现发生了物体移动的区域的像素数超过阈值并持续一段时间，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

5.当检测到采煤工作面进风巷和回风巷的摄像机采集的视频图像中有大量物体向巷道远离工作面方向高速运动时，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

6.对采煤工作面进风巷和回风巷的摄像机采集的视频图像与保存的本路背景图像运用差分算法进行运算；在对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；当统计发现某路图像中物体移动的区域的像素数均超过相关阈值并持续增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出煤冲击地压报警信号。

7.当检测到画面中的多件原位置固定的物体都向巷道远离工作面方向高速运动，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

8.对监控区域进行设定和静态背景图像中的固定物体轮廓形状预先进行设置；运用差分算法对视频图像与保存的背景图像进行运算；对运算得到的差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；统计各固定物体轮廓形状区域与发生了物体移动的区域的交集像素数，当各交集像素数与各固定物体轮廓形状区域像素数比值超过相关阈值，并持续增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

9.可利用摄像机内置或外置的数字信号处理器在视频采集前端完成对视频图像的分析和报警，或直接使用具有移动侦测功能的摄像机进行监控，当侦测到物体移动时发出移动报警信号，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

附图说明

图1采煤工作面摄像机与甲烷传感器安装位置示意图。

图2实施方案1系统示意图。

图3实施方案1视频管理与冲击地压报警的工作流程示意图。

图4实施方案2系统示意图。

图5实施方案2视频管理与冲击地压报警的工作流程示意图。

图6采煤工作面摄像机视频图像分析检测流程示意图。

图7进风巷与回风巷内摄像机视频图像的检测流程示意图。

图8检测多件原位置固定的物体都向巷道远离工作面方向高速运动的检测流程示意图。

具体实施方式

摄像机放置位置如图1所示，具体包括：

1.采煤工作面液压支架或采煤机上摄像机(101)。

2.采煤工作面回风巷中摄像机(102)。

3.采煤工作面进风巷中摄像机(103)。

4.采煤工作面上隅角甲烷传感器(104)

5.采煤工作面甲烷传感器(105)

6.采煤工作面进风巷甲烷传感器(106)

7.采煤工作面回风巷甲烷传感器(107)

8.串联通风的被串工作面的进风巷靠近分风口处甲烷传感器(108)

实施方案1：

如图2所示系统主要包括：

1.视频识别服务器(201)，视频识别服务器负责对各路摄像机的视频图像进行处理，通过分析数据变化和故障信息发出报警和断电闭锁信号。

2.监控主机(202)；具有声光报警功能，生产管理人员通过监控主机查看现场视频图像、传感器的数据变化与设备故障，可手动发出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全部非本质安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。并可从存储服务器调取历史监控数据。

3.存储服务器(203)；负责对摄像机信号、各传感器信号与设备故障信号进行采集、存储，并为用户提供查询调取服务。

4.网络交换机(204)；负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。

5.井下交换机(205)；负责分站的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下防爆要求。

6.分站(206)；负责摄像机和传感器的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下防爆要求。

7.摄像机(207)；采用数字网络摄像机，配有符合煤矿防爆要求的防爆外壳。

8.甲烷传感器(208)；甲烷传感器为全量程或高低浓甲烷传感器，并具有自动报警功能。

视频管理与冲击地压报警的工作过程如图3所示：

1.(301)摄像机采集视频图像，数字化视频并压缩，通过网线将压缩后的视频信号传输给分站。

2.(302)视频信号和甲烷传感器信号通过分站传输到井下交换机。

3.(303)井下交换机将信号传输到井上的网络交换机，网络交换机将视频信号和甲烷传感器信号分发给存储服务器，监控终端和视频识别服务器。

4.(304)视频识别服务器实时分析检测视频图像和设备工作情况，当满足报警条件时，则发出报警和断电闭锁信号。

5.(305)监控主机实时显示现场视频、甲烷传感器数据和设备工作情况，并接收视频识别服务器报警信号，当满足报警条件时，则自动声光报警；生产管理人员可查看现场实时视频、甲烷传感器数据、报警情况和设备情况，当视频和数据采集的硬件被损时，则调取历史现场视频和传感器数据。生产管理人员可手动发出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全部非本质安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。

实施方案2：

如图4所示系统主要包括：

1.存储服务器(401)；负责对视频信号、报警信号、甲烷传感器信号与设备工作情况进行采集、存储，并为用户提供查询调取服务。

2.监控主机(402)；具有声光报警功能，生产管理人员通过监控主机查看现场视频图像、报警情况、甲烷传感器数据与设备情况，可手动发出报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全部非本质安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。并可从存储服务器调取历史监控数据。

3.监控备用机(403)；当监控主机发生故障，通过监控备用机进行工作。

4.网络交换机(404)；负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换。

5.井下交换机(405)；负责分站的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下防爆要求。

6.分站(406)；负责摄像机和传感器的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下防爆要求。

7.视频识别报警装置(407)；主处理器选用DSP芯片，对由摄像机采集的模拟视频信号进行数字化和压缩处理，通过网线将压缩后的视频信号传输给分站，同时对视频图像进行分析识别，可识别设置区域内的图像变化和物体移动，当图像变化和物体移动达到设定的报警指标时，自动输出报警信号。视频识别报警装置与摄像机(408)共同放置在一个符合煤矿防爆要求的防爆外壳中。

8.摄像机(408)；采用模拟摄像机，输出标准模拟视频信号，与视频识别报警装置(407)共同放置在一个符合煤矿防爆要求的防爆外壳中。

9.甲烷传感器(409)；甲烷传感器为全量程或高低浓甲烷传感器，并具有自动报警功能。

实施方案2视频管理与冲击地压报警的工作过程如图5所示：

1.(501)摄像机采集视频数据，将视频模拟信号传输给视频识别报警装置，视频识别报警装置数字化视频并压缩，将压缩后的视频信号和移动报警信号传输给分站。

2.(502)视频识别报警装置对视频图像进行分析识别，可识别设置区域内的图像变化和物体移动，当图像变化和物体移动达到设定的报警指标时，自动输出报警信号到分站。

3.(503)各分站将所采集的各类信号通过矿用以太环网发送给井下交换机。

4.(504)网络交换机接收井下交换机转发的数据，并将视频信号、传感器信号和报警信号分发给存储服务器，监控主机和备用主机。

5.(505)存储服务器将视频信号、传感器信号和报警信号进行存储。

6.(506)监控主机实时显示现场视频，传感器数据、报警情况和设备工作情况，当满足报警条件时，则自动声光报警；生产管理人员可查看现场实时视频、报警情况和设备工作情况，当视频和数据采集的硬件被损时则调取历史现场视频与数据。生产管理人员可手动发出冲击地压报警和断电闭锁信号，切断煤矿井下全部非本质安全电气设备电源，下发调度指令通知撤出煤矿井下作业人员。

采煤工作面摄像机视频图像的检测流程如图6所示：

1.(601)对视频监控范围内的监控区域A进行设置，每次识别服务器启动时调取设置区域数据。

2.(602)将标准压缩视频流还原为图像帧。

当前采集的视频图像为：

F＝{f(x，y)，x∈M，y∈N，MN}

图像分辨率为M×N，(x，y)为视频图像任意一点的坐标，f(x，y)为视频图像中点(x，y)的灰度值。

3.(603)每间隔5帧对的视频图像与背景图像的监控区域运用差分算法进行运算，背景图像间隔一段时间自动进行更新。

设背景图像为：

B＝{b(x，y)，x∈M，y∈N，MN}

令当前视频图像与背景图像每个对应像素进行差分运算，得到差分图像G：

差分运算后的差分图像为：

G＝{g(x，y)，x∈M，y∈N，MN}

运算公式为：

$g(x,y)=\left\{\begin{array}{cc}|f(x,y)-b(x,y)|;& (x,y)\∈A\\ f(x,y);& (x,y)\∉A\end{array}\right.$

4.(604)对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割，实现对运动物体的分割；如某像素的灰度变化超过设定阈值T，则将此像素的灰度值设定为255，表示发生了物体移动的区域，否则为0，表示未发生物体移动的区域。

二值化后的图像表达式为：

D＝{d(x，y)，x∈M，y∈N，MN}

运算公式为：

5.(605)对发生了物体移动的区域的像素进行数值统计，像素数超过阈值L则进入预警状态(606)；

统计运算公式为：

$h=\frac{1}{255}\underset{f(x,y)=255}{\mathrm{\Σ}}f(x,y)$

6.(607)在预警状态下如检测到无视频数据流输出，则触发报警(609)；

7.(608)如预警状态持续5秒超过阈值L则触发报警(609)；

8.(610)在预警状态下，如检测到物体移动的区域的像素数低于阈值L，则解除预警(611)；

进风巷与回风巷内摄像机视频图像的检测流程如图7所示(部分表达公式可参考以上图6的说明)：

1.(701)将标准压缩视频流还原为图像帧，。

2.(702)每间隔5帧对视频图像与背景图像运用差分算法进行运算，背景图像间隔一段时间进行更新。

3.(703)对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割。

4.(704)对发生了物体移动的区域的像素数进行统计，如像素数超过阈值L1则进入预警状态(705)；

5.(706)在预警状态下，如10秒钟内没有触发报警，则自动解除预警状态(707)。

6.(708)在预警状态下如检测到无视频数据流输出，则触发报警(713)；

7.(709)在预警状态下，判定视频图像中物体移动的区域的像素数是否持续增大，如增大则计数器加1(711)，否则计数器清零并返回(710)。

8.(712)如计数器超过12，表示检测到视频图像中物体移动的区域的像素数持续1秒增大，则触发报警(713)；

检测多件原位置固定的物体都向巷道远离工作面方向高速运动的实现方法如图8所示：

1.(801)对视频监控范围内的监控区域A进行设置，如已设置则在每次识别服务器启动时调取已设置的区域数据。

2.(802)对静态背景图像中的固定物体轮廓形状进行设置，可设置多个物体轮廓形状区域B₁～B₂，每次识别服务器启动时调取已设置固定物体的轮廓形状数据，轮廓形状像素数分别为s₁～s_，。

3.(803)将标准压缩视频流还原为图像帧。

4.(804)每间隔5帧对视频图像与背景图像运用差分算法进行运算，背景图像间隔一段时间进行更新。

5.(805)对差值图像进行二值化处理实现对运动物体区域的分割。

6.(806)统计各固定物体轮廓形状区域与发生了物体移动的区域的交集像素数p₁～p₂。

7.(807)如所有p_i与已设置的固定物体轮廓区域的像素数s_i的比值满足大于R％，则进入预警状态(808)；

其中i＝1，2，…，n

8.(809)在预警状态下，如10秒钟内没有触发报警，则自动解除预警状态(810)。

9.(811)在预警状态下如检测到无视频数据流输出，则触发报警(816)；

10.(812)在预警状态下，如检测到监控区域内移动区域持续增大，则计数器加1(814)，否则计数器清零并返回(813)。

11.(815)如计数器超过12，表示检测到监控区域内移动区域持续1秒增大，则触发报警(816)。

Claims (9)

1.一种基于图像的采煤工作面冲击地压报警方法，其特征在于：煤矿井下，在采煤工作面液压支架或采煤机上、采煤工作面进风巷中、采煤工作面回风巷中放置摄像机；实时检测所采集的各路视频图像数据，检测摄像机及通信线路的工作情况，同时监测附近区域的甲烷传感器数值的变化；当检测到摄像机视频图像中设定区域异常出现物体堆积、或大量物体高速运动时，则判定为数据异常；当检测到数据异常，或数据异常与相关设备故障在短时间内相继出现，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警和信号。

2.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：摄像机安装位置靠近巷道顶部或高度大于2米；手动设定摄像机焦距和曝光值，并关闭摄像机的自动对焦和自动白平衡功能。

3.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：对采煤工作面液压支架或采煤机上摄像机监控范围境内的未被采煤机和刮板遮挡的部分区域进行设定，在摄像机工作正常及视频通信正常的条件下，当检测到设定区域的视频图像数据发生剧烈变化，而且数据变化不可恢复，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

4.如权利要求3所述的报警方法，其特征在于：对采煤工作面液压支架或采煤机上摄像机采集的视频图像与背景图像的设定区域运用差分算法进行运算；再对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；当统计发现发生了物体移动的区域的像素数超过阈值并持续一段时间，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

5.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当检测到采煤工作面进风巷和回风巷的摄像机采集的视频图像中有大量物体向巷道远离工作面方向高速运动时，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出煤与瓦斯突出报警信号。

6.如权利要求5所述的报警方法，其特征在于：对采煤工作面进风巷和回风巷的摄像机采集的视频图像与保存的本路背景图像运用差分算法进行运算；在对差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；当统计发现某路图像中物体移动的区域的像素数均超过相关阈值并持续增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出煤冲击地压报警信号。

7.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：当检测到画面中的多件原位置固定的物体都向巷道远离工作面方向高速运动，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

8.如权利要求7所述的报警方法，其特征在于：对监控区域进行设定和静态背景图像中的固定物体轮廓形状预先进行设置；运用差分算法对视频图像与保存的背景图像进行运算；对运算得到的差值图像进行二值化处理实现对运动物体的分割；统计各固定物体轮廓形状区域与发生了物体移动的区域的交集像素数，当各交集像素数与各固定物体轮廓形状区域像素数比值超过相关阈值，并持续增大，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。

9.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：可利用摄像机内置或外置的数字信号处理器在视频采集前端完成对视频图像的分析和报警，或直接使用具有移动侦测功能的摄像机进行监控，当侦测到物体移动时发出移动报警信号，同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号。