CN112377265A - 基于图像识别加速度特征的冲击地压报警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像识别加速度特征的冲击地压报警方法，本报警方法通过在采掘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掘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掘工作面的冲击地压，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
技术领域
本发明涉及一种基于图像识别加速度特征的冲击地压报警方法，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。
煤矿井下的采掘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
当采掘工作面发生冲击地压情况时，会有大量的煤岩高速、高加速度向外涌出，并大量堆积在工作面大部分区域内，甚至通过采煤工作面的进风巷和回风巷以及掘进巷道向外涌出，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识别加速度特征的冲击地压报警方法，主要原理在于，通过对摄像机采集视频图像的实时分析，发现监控区域内加速度异常的大量煤岩的运动与堆积，结合甲烷传感器的数值变化准确地实现冲击地压报警。具体方法包括：
1.煤矿井下采掘工作面安装摄像机；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固定物体轮廓变化加速度异常、固定物体面积变化加速度异常、或大量物体运动加速度异常时，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信号。
2.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安装摄像机，以及在掘进工作面的掘进巷道中或掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧安装摄像机。
3.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。
4.摄像机监控范围内固定物体外表涂有明显区别于巷道环境的颜色。
5.利用固定物体的颜色特征来分割图像；提取固定物体被遮挡前后显示出的轮廓；当统计发现轮廓周长随时间变化的加速度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。
6.利用固定物体的颜色特征来分割图像；提取固定物体被遮挡前后显示出的轮廓；当统计发现轮廓面积随时间变化的加速度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。
7.运用速度识别算法对视频图像中运动物体进行速度识别，当统计发现物体运动的加速度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。
8.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加速度检测功能的摄像机进行监控，当检测到物体移动加速度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。
附图说明
通过以下说明，附图实施案例变得显而易见，其仅结合附图描述的至少一种优选但非限制性实施例的示例方式给出。
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掘进工作面摄像机与甲烷传感器安装位置示意图；
图3实施方案1系统示意图；
图4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5实施方案2系统示意图；
图6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7视频图像分析检测原位置固定物体的轮廓周长变化加速度流程示意图；
图8视频图像分析检测原位置固定物体的轮廓面积变化加速度流程示意图；
图9视频图像分析检测物体运动加速度流程示意图；
具体实施方式
采煤工作面摄像机安装位置如图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)。
掘进工作面摄像机安装位置如图2所示，具体包括：
1.掘进巷道中(201)。
2.掘进巷道岔口出风的一侧的巷道中(202)。
3.掘进巷道岔口进风的一侧的巷道中(203)。
4.掘进工作面甲烷传感器(204)。
5.掘进巷道回风流甲烷传感器(205)。
实施方案1：
如图3所示系统主要包括：
1.视频识别服务器(301)，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(302)；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(303)；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(304)；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(305)；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(306)；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(307)；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(308)；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4所示：
1.(401)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.(402)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.(403)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.(404)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.(405)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5所示系统主要包括：
1.存储服务器(501)；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(502)；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(503)；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(504)；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(505)；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(506)；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(507)；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(508)共同安装在一个符合煤矿防爆要求的防爆外壳中。
8.摄像机(508)；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(507)共同安装在一个符合煤矿防爆要求的防爆外壳中。
9.甲烷传感器(509)；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6所示：
1.(601)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.(602)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.(603)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.(604)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.(605)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.(606)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。
视频图像分析检测原位置固定物体的轮廓周长变化加速度流程如图7所示：
1.(701)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.(702)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}
F为视频图像中点的灰度值集合，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.(703)将RGB色彩空间图像转换为HSV色彩空间，确定固定物体的颜色在HSV色彩空间中的色调、饱和度、亮度范围，并以此进行图像分割。
4.(704)基于Canny算子进行边缘检测从而提取出一系列轮廓。
5.(705)对图像识别到的固定物体轮廓周长变化加速度进行实时分析，轮廓周长变化加速度超过阈值L则进入预警状态(706)。
运算公式为：
v1表示固定物体轮廓周长变化速度，v1(t1)与v1(t1-b1)分别为t1时刻与t1-b1时刻识别出的轮廓周长变化速度，a1为轮廓周长变化加速度，b1为小于t1的正数。
(707)在预警状态下，如检测到无视频数据流输出，则触发报警(712)；
(708)在预警状态下，判定轮廓周长变化加速度是否持续大于阈值，如持续大于阈值则计数器加1(710)，否则计数器清零并返回(709)；
(711)如计数器超过10，表示监测到监控区域内固定物体持续被遮挡，则触发报警(712)；
视频图像分析检测原位置固定物体的轮廓面积变化加速度流程如图8所示(部分表达公式可参考以上图7的说明)：
1.(801)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.(802)将标准压缩视频流还原为图像帧。
3.(803)将RGB色彩空间图像转换为HSV色彩空间，确定固定物体的颜色在HSV色彩空间中的色调、饱和度、亮度范围，并以此进行图像分割。
4.(804)基于Canny算子进行边缘检测从而提取出一系列轮廓。
5.(805)对图像识别到的固定物体轮廓面积变化加速度进行实时分析，轮廓面积变化加速度超过阈值L则进入预警状态(806)。
运算公式为：
v2表示固定物体轮廓面积变化速度，v2(t2)与v2(t2-b2)分别为t2时刻与t2-b2时刻识别出的轮廓面积变化速度，a2为轮廓面积变化加速度，b2为小于t2的正数。
(807)在预警状态下，如检测到无视频数据流输出，则触发报警(812)；
(808)在预警状态下，判定轮廓面积变化加速度是否持续大于阈值，如大于则计数器加1(810)，否则计数器清零并返回(809)；
(811)如计数器超过10，表示监测到监控区域内固定物体持续被遮挡，则触发报警(812)；
视频图像分析检测物体运动加速度的检测流程如图9所示(部分表达公式可参考以上图7的说明)：
1.(901)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.(902)将标准压缩视频流还原为图像帧。
3.(903)运用光流算法对视频图像中运动物体进行速度识别。
4.(904)对图像识别到的物体运动加速度进行实时分析，运动加速度超过阈值L则进入预警状态(905)。运算公式为：
v3表示监控区域内物体的运动速度，v3(t3)与v3(t3-b3)分别为t3时刻与t3-b3时刻识别出的物体运动速度，a3为物体运动加速度，b3为小于t3的正数。
(906)在预警状态下，如检测到无视频数据流输出，则触发报警(911)；
(907)在预警状态下，判定物体运动加速度是否持续大于阈值，如持续大于阈值则计数器加1(909)，否则计数器清零并返回(908)；
(910)如计数器超过10，表示监测到监控区域内物体持续高加速度运动，则触发报警(911)。
Claims (9)
1.一种基于图像识别加速度特征的冲击地压报警方法，其特征在于：煤矿井下监测点位置安装摄像机；实时检测所采集的各路视频图像数据，和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；分析所述视频图像中是否存在异常特征，所述异常特征包括设定区域内固定物体轮廓变化的加速度、或固定物体面积变化的加速度、或监视区域内物体的运动和体积、或运动物体的加速度；当检测到异常特征，或异常特征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信号。
2.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：安装摄像机的监测点位置包括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，以及掘进工作面的掘进巷道中或掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧。
3.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：安装摄像机的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。
4.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：摄像机监视范围内固定物体外表涂有明显区别于巷道环境的颜色。
5.如权利要求1所述的报警方法，其特征在于：具体报警方法包括：
(1)当检测到视频图像中固定物体轮廓变化的加速度超过阈值，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；
(2)当检测到视频图像中固定物体面积变化的加速度超过阈值，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；
(3)当检测到视频图像中物体的运动和体积，以及运动物体的加速度超过阈值，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.如权利要求5所述的报警方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，利用固定物体的颜色特征来分割图像；提取监视区域内固定物体被遮挡前后的轮廓周长；当统计发现轮廓周长随时间变化的加速度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。
7.如权利要求5所述的报警方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，利用固定物体的颜色特征来分割图像；提取监视区域内固定物体被遮挡前后的轮廓面积；当统计发现轮廓面积随时间变化的加速度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。
8.如权利要求5所述的报警方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，运用速度识别算法对视频图像中运动物体进行速度识别，当统计发现物体运动的加速度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。
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加速度检测功能的摄像机进行监控，当检测到物体移动加速度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。
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