基于圖像的煤礦掘進工作面沖擊地壓報警方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于圖像的煤礦掘進工作面沖擊地壓報警方法，本報警方法通過在煤礦掘進工作面相關(guān)區(qū)域附近安裝攝像機，實時分析視頻圖像數(shù)據(jù)變化與設(shè)備工作情況，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)異常的數(shù)據(jù)變化，如信息異常的組合情況符合報警條件，則發(fā)出沖擊地壓報警和斷電閉鎖信號。本報警方法充分考慮了煤礦掘進工作面沖擊地壓的特征特點，實施簡單，可較為準確地判定掘進工作面的沖擊地壓，有效提高救援效率，有利于管理人員及時采取相應(yīng)措施，避免巷道堵塞瓦斯積聚引發(fā)瓦斯爆炸等嚴重事故，避免或減少人員傷亡。
【專利說明】基于圖像的煤礦掘進工作面沖擊地壓報警方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于圖像的煤礦掘進工作面沖擊地壓報警方法，該方法涉及圖像 處理和通信等領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤炭是我國主要能源，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)。我國煤礦發(fā)生重特大事故中，多數(shù)為重特大瓦 斯事故，瓦斯事故所造成的傷亡人數(shù)也是所有煤礦事故中所占比例最大的。因此，瓦斯事故 防治十分重要。
[0003] 瓦斯事故包括瓦斯爆炸、沖擊地壓、瓦斯窒息、瓦斯燃燒等事故。為避免或減少沖 擊地壓事故發(fā)生，人們提出了多種煤或巖與瓦斯突出防治方法，在煤礦安全生產(chǎn)工作中發(fā) 揮著重要作用。但現(xiàn)有沖擊地壓實時監(jiān)測與預(yù)報方法（包括微震、聲發(fā)射、電磁輻射、紅外 輻射等）誤報率和漏報率還較高，難以滿足煤礦安全生產(chǎn)的需要。
[0004] 煤礦井下的掘進工作面易發(fā)生沖擊地壓，當(dāng)沖擊地壓發(fā)生后，易造成工作面現(xiàn)場 附近的工作人員被填埋或被困；另外沖擊地壓會造成工作面附近巷道的堵塞，使巷道通風(fēng) 不暢，使瓦斯積聚，易引發(fā)瓦斯爆炸。如能在第一時間快速準確地判定該區(qū)域的沖擊地壓， 可盡快組織救援，爭取寶貴的救援時間，避免或減少填埋或被困造成的人員傷亡；并及時組 織人員對堵塞巷道采取處理措施，有效避免由于瓦斯積聚引發(fā)的瓦斯爆炸等事故，避免或 減少由于瓦斯窒息和瓦斯爆炸造成人員傷亡。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 當(dāng)煤礦掘進工作面發(fā)生沖擊地壓情況時，會有大量的煤巖高速向外涌出，并大量 堆積在工作面大部分區(qū)域內(nèi)，并通過掘進巷道向外涌出，同時可能對該區(qū)域內(nèi)的各類電子 設(shè)備及通信線路造成損壞；本發(fā)明根據(jù)這一特點提出了一種基于圖像的煤礦掘進工作面沖 擊地壓報警方法，主要原理在于，通過對攝像機采集視頻圖像的實時分析，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi) 異常的大量煤巖的運動與堆積，結(jié)合甲烷傳感器的數(shù)值變化情況實現(xiàn)沖擊地壓報警。具體 方法包括：
[0006] 1.煤礦井下，在掘進工作面的掘進巷道中或掘進機上、掘進巷道岔口一側(cè)或兩側(cè) 放置攝像機；實時檢測所采集的各路視頻圖像數(shù)據(jù)，檢測攝像機及通信線路的工作情況，同 時監(jiān)測附近區(qū)域的甲烷傳感器數(shù)值的變化；當(dāng)檢測到攝像機視頻圖像中設(shè)定區(qū)域異常出現(xiàn) 物體堆積、或大量物體高速運動時，則判定為數(shù)據(jù)異常；當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常，或數(shù)據(jù)異常與 相關(guān)設(shè)備故障在短時間內(nèi)相繼出現(xiàn)，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地 壓報警信號。
[0007] 2.攝像機安裝位置靠近巷道頂部或高度大于2米；手動設(shè)定攝像機焦距和曝光 值，并關(guān)閉攝像機的自動對焦和自動白平衡功能。
[0008] 3.對掘進工作面的掘進巷道中或掘進機上攝像機監(jiān)控范圍境內(nèi)的未被掘進機遮 擋的部分區(qū)域進行設(shè)定，在攝像機工作正常及視頻通信正常的條件下，當(dāng)檢測到設(shè)定區(qū)域 的視頻圖像數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈變化，而且數(shù)據(jù)變化不可恢復(fù)，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度 正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
[0009] 4.對掘進工作面的掘進巷道中或掘進機上攝像機采集的視頻圖像與背景圖像的 設(shè)定區(qū)域運用差分算法進行運算；再對差值圖像進行二值化處理實現(xiàn)對運動物體的分割； 當(dāng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)發(fā)生了物體移動的區(qū)域的像素數(shù)超過閾值并持續(xù)一段時間，同時監(jiān)測到附近區(qū) 域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
[0010] 5.如權(quán)利要求1所述的報警方法，其特征在于：當(dāng)檢測到掘進巷道岔口進風(fēng)側(cè)或 回風(fēng)側(cè)放置的攝像機所采集的視頻圖像中有大量物體向巷道遠離工作面方向高速運動，同 時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
[0011] 6.對掘進巷道岔口進風(fēng)側(cè)或回風(fēng)側(cè)攝像機采集的視頻圖像與保存的本路背景圖 像運用差分算法進行運算；在對差值圖像進行二值化處理實現(xiàn)對運動物體的分割；當(dāng)統(tǒng)計 發(fā)現(xiàn)某路圖像中物體移動的區(qū)域的像素數(shù)均超過相關(guān)閾值并持續(xù)增大，同時監(jiān)測到附近區(qū) 域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
[0012] 7.當(dāng)檢測到畫面中的多件原位置固定的物體都向巷道遠離工作面方向高速運動， 同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
[0013] 8.對監(jiān)控區(qū)域進行設(shè)定和靜態(tài)背景圖像中的固定物體輪廓形狀預(yù)先進行設(shè)置； 運用差分算法對視頻圖像與保存的背景圖像進行運算；對運算得到的差值圖像進行二值化 處理實現(xiàn)對運動物體的分割；統(tǒng)計各固定物體輪廓形狀區(qū)域與發(fā)生了物體移動的區(qū)域的交 集像素數(shù)，當(dāng)各交集像素數(shù)與各固定物體輪廓形狀區(qū)域像素數(shù)比值超過相關(guān)閾值，并持續(xù) 增大，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
[0014] 9.可利用攝像機內(nèi)置或外置的數(shù)字信號處理器在視頻采集前端完成對視頻圖像 的分析和報警，或直接使用具有移動偵測功能的攝像機進行監(jiān)控，當(dāng)偵測到物體移動時發(fā) 出移動報警信號，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1煤礦掘進工作面攝像機與甲烷傳感器安裝位置示意圖。
[0016] 圖2實施方案1系統(tǒng)示意圖。
[0017] 圖3實施方案1視頻管理與沖擊地壓報警的工作流程示意圖。
[0018] 圖4實施方案2系統(tǒng)示意圖。
[0019] 圖5實施方案2視頻管理與沖擊地壓報警的工作流程示意圖。
[0020] 圖6掘進巷道攝像機視頻圖像分析檢測流程示意圖。
[0021] 圖7掘進巷道岔口兩側(cè)攝像機視頻圖像的檢測流程示意圖。
[0022] 圖8檢測多件原位置固定的物體都向巷道遠離工作面方向高速運動的檢測流程 示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 攝像機放置位置如圖1所示，具體包括：
[0024] 1.掘進巷道中（101)。
[0025] 2.掘進巷道岔口出風(fēng)的一側(cè)的巷道中（102)。
[0026] 3.掘進巷道岔口進風(fēng)的一側(cè)的巷道中（103)。
[0027] 4.掘進工作面甲烷傳感器（104)。
[0028] 5.掘進巷道回風(fēng)流甲烷傳感器（105)。
[0029] 實施方案1 :
[0030] 如圖2所示系統(tǒng)主要包括：
[0031] 1.視頻識別服務(wù)器（201)，視頻識別服務(wù)器負責(zé)對各路攝像機的視頻圖像進行處 理，通過分析數(shù)據(jù)變化和故障信息發(fā)出報警信號。
[0032] 2.監(jiān)控主機（202);具有聲光報警功能，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控主機查看現(xiàn)場視 頻圖像、傳感器的數(shù)據(jù)變化與設(shè)備故障，可手動發(fā)出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井下全 部非本質(zhì)安全電氣設(shè)備電源，下發(fā)調(diào)度指令通知撤出煤礦井下作業(yè)人員。并可從存儲服務(wù) 器調(diào)取歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)。
[0033] 3.存儲服務(wù)器（203);負責(zé)對攝像機信號、各傳感器信號與設(shè)備故障信號進行采 集、存儲，并為用戶提供查詢調(diào)取服務(wù)。
[0034] 4.網(wǎng)絡(luò)交換機（204);負責(zé)所有接入礦用以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。
[0035] 5.井下交換機（205);負責(zé)分站的接入和數(shù)據(jù)交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下 防爆要求。
[0036] 6.分站（206);負責(zé)攝像機和傳感器的接入和數(shù)據(jù)交換，具有隔爆外殼，符合煤礦 井下防爆要求。
[0037] 7.攝像機（207);采用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機，配有符合煤礦防爆要求的防爆外殼。
[0038] 8.甲烷傳感器（208);甲烷傳感器為全量程或高低濃甲烷傳感器，并具有自動報 警功能。
[0039] 視頻管理與沖擊地壓報警的工作過程如圖3所示：
[0040] 1. (301)攝像機采集視頻圖像，數(shù)字化視頻并壓縮，通過網(wǎng)線將壓縮后的視頻信號 傳輸給分站。
[0041] 2. (302)視頻信號和傳感器信號通過分站傳輸?shù)骄陆粨Q機。
[0042] 3. (303)井下交換機將信號傳輸?shù)骄系木W(wǎng)絡(luò)交換機，網(wǎng)絡(luò)交換機將視頻信號和 傳感器信號分發(fā)給存儲服務(wù)器，監(jiān)控終端和視頻識別服務(wù)器。
[0043] 4. (304)視頻識別服務(wù)器實時分析檢測視頻圖像和設(shè)備工作情況，當(dāng)滿足報警條 件時，則發(fā)出報警和斷電閉鎖信號。
[0044] 5. (305)監(jiān)控主機實時顯示現(xiàn)場視頻、甲烷傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備工作情況，并接收視 頻識別服務(wù)器報警信號，當(dāng)滿足報警條件時，則自動聲光報警；生產(chǎn)管理人員可查看現(xiàn)場實 時視頻、甲烷傳感器數(shù)據(jù)、報警情況和設(shè)備情況，當(dāng)視頻和數(shù)據(jù)采集的硬件被損時，則調(diào)取 歷史現(xiàn)場視頻和傳感器數(shù)據(jù)。生產(chǎn)管理人員可手動發(fā)出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井 下全部非本質(zhì)安全電氣設(shè)備電源，下發(fā)調(diào)度指令通知撤出煤礦井下作業(yè)人員。
[0045] 實施方案2 :
[0046] 如圖4所示系統(tǒng)主要包括：
[0047] 1.存儲服務(wù)器（401);負責(zé)對視頻信號、報警信號與設(shè)備工作情況進行采集、存 儲，并為用戶提供查詢調(diào)取服務(wù)。
[0048] 2.監(jiān)控主機（402);具有聲光報警功能，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控主機查看現(xiàn)場視 頻圖像、報警情況與設(shè)備情況，可手動發(fā)出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井下全部非本質(zhì) 安全電氣設(shè)備電源，下發(fā)調(diào)度指令通知撤出煤礦井下作業(yè)人員。并可從存儲服務(wù)器調(diào)取歷 史監(jiān)控數(shù)據(jù)。
[0049] 3.監(jiān)控備用機（403);當(dāng)監(jiān)控主機發(fā)生故障，通過監(jiān)控備用機進行工作。
[0050] 4.網(wǎng)絡(luò)交換機（404);負責(zé)所有接入礦用以太網(wǎng)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。
[0051] 5.井下交換機（405);負責(zé)分站的接入和數(shù)據(jù)交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下 防爆要求。
[0052] 6.分站（406);負責(zé)攝像機和傳感器的接入和數(shù)據(jù)交換，具有隔爆外殼，符合煤礦 井下防爆要求。
[0053] 7.視頻識別報警裝置（407);主處理器選用DSP芯片，對由攝像機采集的模擬視頻 信號進行數(shù)字化和壓縮處理，通過網(wǎng)線將壓縮后的視頻信號傳輸給分站，同時對視頻圖像 進行分析識別，可識別設(shè)置區(qū)域內(nèi)的圖像變化和物體移動，當(dāng)圖像變化和物體移動達到設(shè) 定的報警指標時，自動輸出報警信號。視頻識別報警裝置與攝像機（408)共同放置在一個 符合煤礦防爆要求的防爆外殼中。
[0054] 8.攝像機（408);采用模擬攝像機，輸出標準模擬視頻信號，與視頻識別報警裝置 (407)共同放置在一個符合煤礦防爆要求的防爆外殼中。
[0055] 9.甲烷傳感器（409);甲烷傳感器為全量程或高低濃甲烷傳感器，并具有自動報 警功能。
[0056] 實施方案2視頻管理與沖擊地壓報警的工作過程如圖5所示：
[0057] 1. (501)攝像機采集視頻數(shù)據(jù)，將視頻模擬信號傳輸給視頻識別報警裝置，視頻識 別報警裝置數(shù)字化視頻并壓縮，將壓縮后的視頻信號和移動報警信號傳輸給分站。
[0058] 2. (502)視頻識別報警裝置對視頻圖像進行分析識別，可識別設(shè)置區(qū)域內(nèi)的圖像 變化和物體移動，當(dāng)圖像變化和物體移動達到設(shè)定的報警指標時，自動輸出報警信號到分 站。
[0059] 3. (503)各分站將所采集的各類信號通過礦用以太環(huán)網(wǎng)發(fā)送給井下交換機。
[0060] 4. (504)網(wǎng)絡(luò)交換機接收井下交換機轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，并將視頻信號、傳感器信號和報 警信號分發(fā)給存儲服務(wù)器，監(jiān)控主機和備用主機。
[0061] 5. (505)存儲服務(wù)器將視頻信號、傳感器信號和報警信號進行存儲。
[0062] 6. (506)監(jiān)控主機實時顯示現(xiàn)場視頻，傳感器數(shù)據(jù)、報警情況和設(shè)備工作情況，當(dāng) 滿足報警條件時，則自動聲光報警；生產(chǎn)管理人員可查看現(xiàn)場實時視頻、報警情況和設(shè)備工 作情況，當(dāng)視頻和數(shù)據(jù)采集的硬件被損時則調(diào)取歷史現(xiàn)場視頻與數(shù)據(jù)。生產(chǎn)管理人員可手 動發(fā)出沖擊地壓報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井下全部非本質(zhì)安全電氣設(shè)備電源，下發(fā) 調(diào)度指令通知撤出煤礦井下作業(yè)人員。
[0063] 掘進巷道攝像機視頻圖像的檢測流程如圖6所示：
[0064] 1. (601)對視頻監(jiān)控范圍內(nèi)的監(jiān)控區(qū)域A進行設(shè)置，每次識別服務(wù)器啟動時調(diào)取 設(shè)置區(qū)域數(shù)據(jù)。
[0065] 2. (602)將標準壓縮視頻流還原為圖像幀。
[0066] 當(dāng)前采集的視頻圖像為：
[0067] F = {f (x，y)，x e M，y e N，MN}
[0068] 圖像分辨率為MXN，（x，y)為視頻圖像任意一點的坐標，f (x，y)為視頻圖像中點 (X，y)的灰度值。
[0069] 3. (603)每間隔5幀對的視頻圖像與背景圖像的監(jiān)控區(qū)域運用差分算法進行運 算，背景圖像間隔一段時間自動進行更新。
[0070] 設(shè)背景圖像為：
[0071 ] B = {b (X，y)，X e M，y e N，MN}
[0072] 令當(dāng)前視頻圖像與背景圖像每個對應(yīng)像素進行差分運算，得到差分圖像G :
[0073] 差分運算后的差分圖像為：
[0074] G = {g(x，y)，X e M，y e N，MN}
[0075] 運算公式為：
[0076]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于圖像的煤礦掘進工作面沖擊地壓報警方法，其特征在于：煤礦井下，在掘 進工作面的掘進巷道中或掘進機上、掘進巷道岔口一側(cè)或兩側(cè)放置攝像機；實時檢測所采 集的各路視頻圖像數(shù)據(jù)，檢測攝像機及通信線路的工作情況，同時監(jiān)測附近區(qū)域的甲烷傳 感器數(shù)值的變化；當(dāng)檢測到攝像機視頻圖像中設(shè)定區(qū)域異常出現(xiàn)物體堆積、或大量物體高 速運動時，則判定為數(shù)據(jù)異常；當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常，或數(shù)據(jù)異常與相關(guān)設(shè)備故障在短時間內(nèi) 相繼出現(xiàn)，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的報警方法，其特征在于：攝像機安裝位置靠近巷道頂部或高度 大于2米；手動設(shè)定攝像機焦距和曝光值，并關(guān)閉攝像機的自動對焦和自動白平衡功能。
3. 如權(quán)利要求1所述的報警方法，其特征在于：對掘進工作面的掘進巷道中或掘進機 上攝像機監(jiān)控范圍境內(nèi)的未被掘進機遮擋的部分區(qū)域進行設(shè)定，在攝像機工作正常及視頻 通信正常的條件下，當(dāng)檢測到設(shè)定區(qū)域的視頻圖像數(shù)據(jù)發(fā)生劇烈變化，而且數(shù)據(jù)變化不可 恢復(fù)，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
4. 如權(quán)利要求3所述的報警方法，其特征在于：對掘進工作面的掘進巷道中或掘進機 上攝像機采集的視頻圖像與背景圖像的設(shè)定區(qū)域運用差分算法進行運算；再對差值圖像進 行二值化處理實現(xiàn)對運動物體的分割；當(dāng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)發(fā)生了物體移動的區(qū)域的像素數(shù)超過閾 值并持續(xù)一段時間，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
5. 如權(quán)利要求1所述的報警方法，其特征在于：當(dāng)檢測到掘進巷道岔口進風(fēng)側(cè)或回風(fēng) 側(cè)放置的攝像機所采集的視頻圖像中有大量物體向巷道遠離工作面方向高速運動，同時監(jiān) 測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
6. 如權(quán)利要求5所述的報警方法，其特征在于：對掘進巷道岔口進風(fēng)側(cè)或回風(fēng)側(cè)攝像 機采集的視頻圖像與保存的本路背景圖像運用差分算法進行運算；在對差值圖像進行二值 化處理實現(xiàn)對運動物體的分割；當(dāng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)某路圖像中物體移動的區(qū)域的像素數(shù)均超過相 關(guān)閾值并持續(xù)增大，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
7. 如權(quán)利要求1所述的報警方法，其特征在于：當(dāng)檢測到畫面中的多件原位置固定的 物體都向巷道遠離工作面方向高速運動，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出沖 擊地壓報警信號。
8. 如權(quán)利要求7所述的報警方法，其特征在于：對監(jiān)控區(qū)域進行設(shè)定和靜態(tài)背景圖像 中的固定物體輪廓形狀預(yù)先進行設(shè)置；運用差分算法對視頻圖像與保存的背景圖像進行運 算；對運算得到的差值圖像進行二值化處理實現(xiàn)對運動物體的分割；統(tǒng)計各固定物體輪廓 形狀區(qū)域與發(fā)生了物體移動的區(qū)域的交集像素數(shù)，當(dāng)各交集像素數(shù)與各固定物體輪廓形狀 區(qū)域像素數(shù)比值超過相關(guān)閾值，并持續(xù)增大，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度正常，則發(fā)出 沖擊地壓報警信號。
9. 如權(quán)利要求1所述的報警方法，其特征在于：可利用攝像機內(nèi)置或外置的數(shù)字信號 處理器在視頻采集前端完成對視頻圖像的分析和報警，或直接使用具有移動偵測功能的攝 像機進行監(jiān)控，當(dāng)偵測到物體移動時發(fā)出移動報警信號，同時監(jiān)測到附近區(qū)域的甲烷濃度 正常，則發(fā)出沖擊地壓報警信號。
【文檔編號】E21F17/18GK104454012SQ201410799667
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】孫繼平, 劉毅 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)(北京)