CN107060848A - 基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统，所述报警系统采用图像识别的方式对采煤工作面液压支架监测，从而实现液压支架移架工作的自动控制。所述系统主要包括摄像机、液压支架监测设备和液压支架控制设备。摄像机用于采集液压支架的视频图像；液压支架控制设备负责对液压支架进行控制，并采集液压支架状态；所述液压支架监测设备通过摄像机采集液压支架的视频图像，通过对图像中液压支架的固定标志识别获得包括液压支架位置和支架角度的数据，根据监测结果自动通过液压支架控制设备对液压支架进行控制，控制液压支架移动至设定的位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统，该方法涉及自动控制、图像模式识别和通信等领域。
背景技术
目前，随着科技的发展，井下工作人员数量大大减少。然而煤矿井下综采设备仍多以人工现场操作为主。井下采煤工作面是事故高发区域，采煤工作面生产环境恶劣多变，事故多发，严重威胁了生产人员的人身安全，降低了煤炭生产效率。因此，若要降低采煤工作面劳动强度，提高工作人员的安全系数和采煤效率，必须实现采煤工作面的自动化和少人化。
液压支架作为综采工作面的重要组成部分，必须实现设备的自动化和少人化。因此如何监测液压支架、控制液压支架变得尤为重要。目前，液压支架的监测系统多以传感器监测为主，所使用的传感器包括压力传感器、角度传感器、位移传感器、接触传感器等，通过AD转换，再经通信系统将数据传输给处理器等环节，过程复杂，数据处理比较繁琐。在井下工作面存在煤尘、水淋、大功率电气设备、振动等干扰条件，环境恶劣，特别是大功率设备开停等电磁干扰及振动对传感器影响较大，易造成传感器数据误差、甚至造成传感器的损坏；另外大数量的传感器成本比较高，同时可靠性低，效率低下。为解决以上问题，需要一种新的、不完全依赖于传感器，性能可靠、结构简单的液压监控报警系统。
发明内容
本发明提供了一种基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统，所述报警系统采用图像识别的方式对采煤工作面液压支架监测，从而实现液压支架移架工作的自动控制。所述系统主要包括摄像机、液压支架控制设备、液压支架监测设备；摄像机安装于采煤工作面巷道侧壁位置，用于采集至少一个液压支架的视频图像，所述视频图像包括液压支架的至少一个固定标志；所述液压支架控制设备负责对液压支架进行控制，并采集液压支架状态；所述液压支架监测设备通过摄像机采集液压支架的视频图像，通过对图像中液压支架的固定标志识别获得包括液压支架位置和支架角度的数据，并将数据与已存储的支架的目标位置和工作角度数据进行比对，根据比对结果自动通过液压支架控制设备对液压支架进行控制，控制液压支架移动至设定的位置；所述液压支架监测设备当监测到液压支架角度异常，则向发出报警数据。
所述液压支架监控报警系统进一步包括：所述液压支架监测设备存储数据包括摄像机采集图像区域内的至少一个液压支架固定标志的模板图像数据。
所述液压支架监控报警系统进一步包括：所述液压支架监测设备存储数据包括支架的目标位置和工作角度数据；所述目标位置和工作角度数据是在摄像机和液压支架均处于工作位置的状态下测量得到的，目标位置数据为图像中液压支架固定标志的特定特征点的坐标，工作角度数据为图像中液压支架固定标志与边框的夹角。
所述液压支架监控报警系统进一步包括：液压支架移架工作步骤包括:
第一步：将摄像机沿采煤方向移动至新的工作位置；
第二步：液压支架监测设备通过液压支架控制设备控制压支架降柱，再向采煤工作面方向移动；
第三步：液压支架监测设备对摄像机采集的视频图像与液压支架固定标志模板进行比对，如在设定时间找到匹配目标，则进行第四步，否则停止移架并发送移架失败信号；
第四步：计算匹配目标的角度，并求此角度数据与液压支架监测设备所存储的支架工作角度数据的差，如果得到的差的绝对值小于设定阈值则进行第五步，否则停止移动液压支架并发出报警信号；
第五步：计算获得匹配目标的特定特征点，计算匹配目标的特定特征点与所存储的目标位置数据的距离，如距离大于设定阈值则继续移动液压支架，，并重复执行第三到第五步，直至距离小于设定阈值，则停止移动液压支架并升柱；
在移动摄像机监测范围内的多个液压支架时，重复第二步至第五步，直至完成摄像机监测范围内所有液压支架的移动工作。
所述液压支架监控报警系统进一步包括：液压支架监测设备对摄像机采集的视频图像与液压支架固定标志模板进行比对的过程包括：
1.提取数字图像中的特定颜色特征；
2.运用滤波算法对图像进行滤波处理；
3.数字图像进行边缘检测，获取图像边缘信息。
4.用已调取的各液压支架标记模板与经过边缘检测的数字图像进行模式匹配处理。
所述液压支架监控报警系统进一步包括：所述摄像机安装位置包括垂直于采煤面安装的固定轨道装置；所述固定轨道装置包括可控移动轨道装置，装置主要包括轨道和电机；电机用于控制摄像机在轨道上移动；所述电机由液压支架控制设备控制。
所述液压支架监控报警系统进一步包括：所述固定标志的材料包括具有特定颜色的荧光材料；所述固定标志包括“十”字形标记。
附图说明
图1实施方案1系统示意图。
图2实施方案2系统示意图。
图3液压支架控制器连接示意图。
图4采煤工作面摄像机安装示意图。
图5液压支架移动工作流程图。
图6液压支架模式识别及处理流程图。
具体实施方式
所述基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统的实施方案1如图1所示，系统组成主要包括：
1.液压支架监测服务器(101)，即液压支架监测设备，接收视频服务器(103)上传的采煤工作面现场的数字化视频数据，并通过对视频图像中液压支架的固定标志识别获得包括液压支架位置和支架角度的数据，根据监测结果自动通过液压支架控制器设备对液压支架进行控制，控制液压支架移动至设定的位置；具有现场报警监测功能，当监测到液压支架姿态或环境异常，则向监控终端发出报警数据。
2.存储服务器(102)，负责接收视频服务器(103)上传的采煤工作面现场的数字化视频数据并进行存储，并为监控终端(103)提供查询调取服务。
3.监控终端(103)，负责显示采煤工作面现场视频图像，具有实时视频监控和历史视频调取功能，生产管理人员通过监控终端查看现场视频图像并可从存储服务器(102)调取历史监控数据；可根据接收到的液压支架监测服务器(101)发送的报警数据进行报警提示，并发出声光报警。
4.网络交换机(104)，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(105)，负责分站和其它通过网络通信设备的接入和数据交换，具有隔爆外壳，符合煤矿井下隔爆要求。
6.液压支架控制器(106)，为液压支架控制设备，与液压支架监测服务器(101)进行通信对液压支架进行控制，采用可编程控制器(PLC)，实现对采煤机、液压支架、刮板运输机、摄像机轨道及相关设备的监控。可采用西门子S700系列可编程控制器。
7.电液控制阀组(107)，电液控制阀是液压支架控制器(106)的执行部件，为单元组合式结构，每个单元由两个主控阀和两个先导阀组成。同一单元中的两个主控阀分别用来控制同一液压缸的伸和收。电液控换向阀集成的单元数取决于被控对象的数量，使得电液控制阀具备灵活通用性，实现液压支架(109)及刮板(110)运输机的动作与姿态，由液压支架控制器(106)直接驱动。
8.传感器(108)，用于采集液压支架动作必要的反馈数据，包括压力传感器、行程开关、红外传感器等。
9.液压支架(109)，用于支撑工作面顶，由液压支架控制器(106)控制电磁阀组(107)开断，从而对各活动部件控制，在移架过程中与刮板运输机(110)进行联动。
10.刮板运输机(110)，用于短途运输由采煤机采下的煤炭，设备运转由液压支架控制器(106)控制，刮板运输机与液压支架(109)通过液压机构连接，在移架前先移动刮板运输机再移动液压支架。
11.采煤机(111)，由自身的控制设备直接控制，通过过现场总线与液压支架控制器(106)通信，关键部件安装有红外传感器，用于监测采煤机位置及姿态，监测数据由液压支架控制器(106)采集处理。
12.视频编码器(112)，将摄像机采集的模拟视频图像数字化并压缩编码，并向井上液压支架监测服务器(101)、存储服务器(102)、监控终端(103)传输视频数据；可采用海康DS-6701HW，以组播方式发送视频数据。
13.摄像机(113)，采用符合煤矿隔爆要求的矿用摄像机，带有辅助光源，通过同轴电缆与视频编码器(112)，安装在摄像机轨道上(114)。
14.摄像机轨道(114)，垂直于巷道且平行于巷道安装于工作面侧壁，采用步进电机带动轨道滑动，步进电机连接液压支架控制器(106)，根据其发送的脉冲信号控制转动，带动摄像机(113)向工作面移动到指定位置。
所述基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统的实施方案2如图2所示，与实施方案1的区别在于：
1.液压支架监测服务器(101)安装于井下，采用工控机或用于多路图像处理识别的专用设备，直接采集工作面现场视频信号并进行处理，与液压支架控制器(106)通过网络通信，也可通过工业现场总线进行通信。
2.摄像机连接设备视频分路器(116)，用于将一路模拟视频信号分成两路输出，一路连接视频编码器(112)，将视频信号数字化并压缩，通过UDP单播方式传输至存储服务器(102)；第二路模拟视频输出连接液压支架监测服务器(101)。
液压支架控制器与各井下设备连接与控制关系如图3所示：
1.液压支架控制器(106)通过CAN总线连接采煤机(111)的控制器进行移架相关必要的通信。液压支架控制器(106)由CAN总线通信模块实现通信。
2.液压支架控制器(106)通过电磁控制阀组(107)控制液压支架(106)和刮板运输机(110)。
3.红外传感器(202)用于监测采煤机位置及角度，采用GUH5-F红外发射器和GUH5-S红外接收器，红外发射器部署于采煤机主要部件上，液压支架上的红外接收器负责接收发射器发射的红外编码信号，由液压支架控制器(106)的A/D转换模块实现数据采集。
4.压力传感器(203)用于检测液压支架各立柱下腔压力，可采用GPD60型矿用压力传感器，由液压支架控制器(106)的A/D转换模块实现数据采集。
5.行程开关(201)用于检测液压支架部件状态，输出开关量，直接连接液压支架控制器(106)的输入端口。
6.摄像机轨道(114)，轨道电机直接连接液压支架控制器(106)。
图4为采煤工作面摄像机安装示意图。如图所示，在采煤工作面进风巷和回风巷的巷道壁上，平行于巷道均安装摄像机轨道(114)，摄像机(113)安装于摄像机轨道，摄像机(113)应能采集到液压支架的固定标志，固定标志由具有特定颜色的荧光材料绘制，特定颜色包括红色、绿色、黄色、白色等。在此示例中，采煤机从进风巷向回风巷方向移动，移架前需先移动进风巷一侧的摄像机，再从进风巷一侧依次移动液压支架。
一般的移架过程如图5所示：
1.(501)液压支架控制器(106)采集采煤机(111)运行相关数据，包括运行状态、采煤机位置等，将数据传输至液压支架监测服务器(101)。
2.(502)液压支架监测服务器(101)分析采煤机(111)状态与位置数据，当采煤机从采煤面一端开始向另一端开始移动时，通过液压支架控制器(106)控制摄像机轨道电机转动带动摄像机向工作面方向移动采煤机此次进刀的距离。
3.(503)液压支架监测服务器(101)通过液压支架控制器(106)控制刮板运输机向采煤面方向分段移动。
4.(504)液压支架控制器(106)直接控制液压支架(109)降柱。
5.(505)液压支架监测服务器(101)通过液压支架控制器(106)控制液压支架(109)向采煤面方向移动。
6.(506)移动支架的同时液压支架监测服务器(101)采集支架的视频图像
7.(507)液压支架监测服务器(101)对图像中的固定标记进行模式匹配识别。
8.(508)液压支架监测服务器(101)确定模式匹配得到的液压支架在图像中的位置。
9.(509)液压支架监测服务器(101)判定液压支架是否已到达目标位置，如未到达则返回执行(504)继续移动支架；如已到达目标位置，则执行(510)。
10.(510)液压支架监测服务器(101)判定是否已完成预定数量的支架的移架工作，如已完成则结束此次移架工作；如未完成则返回执行(501)。
液压支架监测服务器(101)对液压支架模式识别及处理流程如图6所示：
1.(601)调取当前摄像机所监测范围内的液压支架固定标记的模板图像数据；调取液压支架目标位置数据，本示例的固定标记为采用红色荧光材料人为做的“十”字形标记，特定特征点为“十”字形标记的中心点；并调取液压支架的工作角度数据。
2.(602)根据荧光材料的颜色提取数字图像中的颜色特征，本示例采用红色荧光材料，即对红色部分进行提取。
3.(603)运用滤波算法对图像进行滤波处理，去除电磁干扰、粉尘等干扰因素造成的图像噪声，增强图像信息，可采用多种滤波算法对图像进行滤波处理。
4.(604)对数字图像进行边缘检测，获取图像边缘信息。
5.(605)用已调取的液压支架固定标记的模板图像数据与经过边缘检测的数字图像进行模式匹配处理，在本示例中，可针对“十”字形固定标记的顶点位置关系进行模式匹配。
6.(606)对模式匹配结果进行判定，如果匹配成功则复位模式匹配计时器，继续执行(609)；否则模式匹配计时器计时，并执行(607)。
7.(607)对模式匹配计时器的值进行判定，如果值超过设定阈值则执行(608)；否则返回(602)继续对新采集的数字图像进行处理。
8.(608)输出液压支架移动失败信号，停止移架。
9.(609)计算固定标记的方向角度，在本示例中，计算顶点连线与图像边框的夹角。
10.(610)比较(609)得到的固定标记的方向角度与液压支架的工作角度的差，如果角度差大于设定阈值，则说明液压支架倾斜执行(611)；如未倾斜则继续执行(612)。
11.(611)输出液压支架报警信号，停止移架。
12.(612)判定固定标记的特定特征点在图像中的坐标。
13.(613)计算(612)得到的坐标位置与(601)已调取的调取液压支架目标位置的距离。
14.(614)判定(613)得到的距离是否小于设定阈值，如果小于设定阈值则执行(615)；否则执行(616)
15.(615)输出液压支架移架成功信号。
16.(616)判定从开始移架到当前所经过的时间是否超过设定阈值；如果超过设定阈值则执行(617)；否则返回(602)继续对新采集的数字图像进行处理。
17.(617)输出液压支架移动失败信号，停止移架。
Claims (7)
1.基于图像的采煤工作面液压支架监控报警系统，其特点在于：所述系统主要包括摄像机、液压支架控制设备、液压支架监测设备；摄像机安装于采煤工作面巷道侧壁位置，用于采集至少一个液压支架的视频图像，所述视频图像包括液压支架的至少一个固定标志；所述液压支架控制设备负责对液压支架进行控制，并采集液压支架状态；所述液压支架监测设备通过摄像机采集液压支架的视频图像，通过对图像中液压支架的固定标志识别获得包括液压支架位置和角度的数据，并将数据与已存储的支架的目标位置和工作角度数据进行比对，根据比对结果自动通过液压支架控制设备对液压支架进行控制，控制液压支架移动至设定的位置；所述液压支架监测设备当监测到液压支架角度异常，则发出报警数据。
2.如权利要求1所述的液压支架监控报警系统，其特征在于：所述液压支架监测设备存储数据包括摄像机采集图像区域内的至少一个液压支架固定标志的模板图像数据。
3.如权利要求1所述的液压支架监控报警系统，其特征在于：所述液压支架监测设备存储数据包括液压支架的目标位置和工作角度数据；所述目标位置和工作角度数据是在摄像机和液压支架均处于工作位置的状态下测量得到的，目标位置数据为图像中液压支架固定标志的特定特征点的坐标。
4.如权利要求1所述的液压支架监控报警系统，其特征在于：液压支架移架工作步骤包括:
第一步：将摄像机沿采煤方向移动至新的工作位置；
第二步：液压支架监测设备通过液压支架控制设备控制压支架降柱，再向采煤工作面方向移动；
第三步：液压支架监测设备对摄像机采集的视频图像与液压支架固定标志模板进行比对，如在设定时间找到匹配目标，则进行第四步，否则停止移架并发送移架失败信号；
第四步：计算匹配目标的角度，并求此角度数据与液压支架监测设备所存储的液压支架工作角度数据的差，如果得到的差的绝对值小于设定阈值则进行第五步，否则停止移动液压支架并发出报警信号；
第五步：计算获得匹配目标的特定特征点，计算匹配目标的特定特征点与所存储的目标位置数据的距离，如距离大于设定阈值则继续移动液压支架，，并重复执行第三到第五步，直至距离小于设定阈值，则停止移动液压支架并升柱；
在移动摄像机监测范围内的多个液压支架时，重复第二步至第五步，直至完成摄像机监测范围内所有液压支架的移动工作。
5.如权利要求1所述的液压支架监控报警系统，其特征在于：所述摄像机安装位置包括垂直于采煤面安装的固定轨道装置；所述固定轨道装置包括可控移动轨道装置；所述可控移动轨道装置主要包括轨道和电机；所述电机用于控制摄像机在轨道上移动；所述电机由液压支架控制设备控制。
6.如权利要求1所述的液压支架监控报警系统，其特征在于：所述固定标志的材料包括荧光材料。
7.如权利要求1所述的液压支架监控报警系统，其特征在于：所述固定标志包括“十”字形标记。
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