基于圖像的采煤工作面沖擊地壓報警方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于圖像的采煤工作面沖擊地壓報警方法，本報警方法通過在采煤工作面相關區域附近安裝攝像機，實時分析視頻圖像數據變化與設備工作情況，發現監控區域內異常的數據變化，如信息異常的組合情況符合報警條件，則發出沖擊地壓報警信號。本報警方法充分考慮了煤礦采煤工作面沖擊地壓的各種特征特點，實施簡單，可較為準確地判定采煤工作面的沖擊地壓，有效提高救援效率，有利于管理人員及時采取相應措施，避免巷道堵塞瓦斯積聚引發瓦斯爆炸等嚴重事故，避免或減少人員傷亡。
【專利說明】基于圖像的采煤工作面沖擊地壓報警方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種基于圖像的采煤工作面沖擊地壓報警方法，該方法涉及圖像處理 和通信等領域。
【背景技術】
[0002] 煤炭是我國主要能源，約占一次能源70%。煤炭行業是高危行業，瓦斯、水災、火 災、頂板、煤塵等事故困擾著煤礦安全生產。我國煤礦發生重特大事故中，多數為重特大瓦 斯事故，瓦斯事故所造成的傷亡人數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，在煤礦安全生產工作中發 揮著重要作用。但現有沖擊地壓實時監測與預報方法（包括微震、聲發射、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的需要。
[0004] 煤礦井下的采煤工作面易發生沖擊地壓，當沖擊地壓發生后，易造成工作面現場 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 不暢，使瓦斯積聚，易引發瓦斯爆炸。如能在第一時間快速準確地判定該區域的沖擊地壓， 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。
【發明內容】
[0005] 當采煤工作面發生沖擊地壓情況時，會有大量的煤巖高速向外涌出，并大量堆積 在工作面大部分區域內，甚至通過進風巷和回風巷向外涌出，同時可能對該區域內的各類 電子設備及通信線路造成損壞；本發明根據這一特點提出了一種基于圖像的采煤工作面沖 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，發現監控區域內 異常的大量煤巖的運動與堆積，結合甲烷傳感器的數值情況實現準確地沖擊地壓報警。具 體方法包括：
[0006] 1.煤礦井下，在采煤工作面液壓支架或采煤機上、采煤工作面進風巷中、采煤工作 面回風巷中放置攝像機；實時檢測所采集的各路視頻圖像數據，檢測攝像機及通信線路的 工作情況，同時監測附近區域的甲烷傳感器數值的變化；當檢測到攝像機視頻圖像中設定 區域異常出現物體堆積、或大量物體高速運動時，則判定為數據異常；當檢測到數據異常， 或數據異常與相關設備故障在短時間內相繼出現，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常， 則發出沖擊地壓報警和信號。
[0007] 2.攝像機安裝位置靠近巷道頂部或高度大于2米；手動設定攝像機焦距和曝光 值，并關閉攝像機的自動對焦和自動白平衡功能。
[0008] 3.對采煤工作面液壓支架或采煤機上攝像機監控范圍境內的未被采煤機和刮板 遮擋的部分區域進行設定，在攝像機工作正常及視頻通信正常的條件下，當檢測到設定區 域的視頻圖像數據發生劇烈變化，而且數據變化不可恢復，同時監測到附近區域的甲烷濃 度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
[0009] 4.對采煤工作面液壓支架或采煤機上攝像機采集的視頻圖像與背景圖像的設定 區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對運動物體的分割；當統 計發現發生了物體移動的區域的像素數超過閾值并持續一段時間，同時監測到附近區域的 甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
[0010] 5.當檢測到采煤工作面進風巷和回風巷的攝像機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時，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地 壓報警信號。
[0011] 6.對采煤工作面進風巷和回風巷的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對運動物體的分割；當統計 發現某路圖像中物體移動的區域的像素數均超過相關閾值并持續增大，同時監測到附近區 域的甲烷濃度正常，則發出煤沖擊地壓報警信號。
[0012] 7.當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， 同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
[0013] 8.對監控區域進行設定和靜態背景圖像中的固定物體輪廓形狀預先進行設置； 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 處理實現對運動物體的分割；統計各固定物體輪廓形狀區域與發生了物體移動的區域的交 集像素數，當各交集像素數與各固定物體輪廓形狀區域像素數比值超過相關閾值，并持續 增大，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
[0014] 9.可利用攝像機內置或外置的數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控，當偵測到物體移動時發 出移動報警信號，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1采煤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采煤工作面攝像機視頻圖像分析檢測流程示意圖。
[0021] 圖7進風巷與回風巷內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.采煤工作面液壓支架或采煤機上攝像機（101)。
[0025] 2.采煤工作面回風巷中攝像機（102)。
[0026] 3.采煤工作面進風巷中攝像機（103)。
[0027] 4.采煤工作面上隅角甲烷傳感器（104)
[0028] 5.采煤工作面甲烷傳感器（105)
[0029] 6.采煤工作面進風巷甲烷傳感器（106)
[0030] 7.采煤工作面回風巷甲烷傳感器（107)
[0031] 8.串聯通風的被串工作面的進風巷靠近分風口處甲烷傳感器（108)
[0032] 實施方案1 :
[0033] 如圖2所示系統主要包括：
[0034] 1.視頻識別服務器（201)，視頻識別服務器負責對各路攝像機的視頻圖像進行處 理，通過分析數據變化和故障信息發出報警和斷電閉鎖信號。
[0035] 2.監控主機（202);具有聲光報警功能，生產管理人員通過監控主機查看現場視 頻圖像、傳感器的數據變化與設備故障，可手動發出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井下全 部非本質安全電氣設備電源，下發調度指令通知撤出煤礦井下作業人員。并可從存儲服務 器調取歷史監控數據。
[0036] 3.存儲服務器（203);負責對攝像機信號、各傳感器信號與設備故障信號進行采 集、存儲，并為用戶提供查詢調取服務。
[0037] 4.網絡交換機（204);負責所有接入礦用以太網的設備的管理和數據交換。
[0038] 5.井下交換機（205);負責分站的接入和數據交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下 防爆要求。
[0039] 6.分站（206);負責攝像機和傳感器的接入和數據交換，具有隔爆外殼，符合煤礦 井下防爆要求。
[0040] 7.攝像機（207);采用數字網絡攝像機，配有符合煤礦防爆要求的防爆外殼。
[0041] 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。
[0042] 視頻管理與沖擊地壓報警的工作過程如圖3所示：
[0043] 1. (301)攝像機采集視頻圖像，數字化視頻并壓縮，通過網線將壓縮后的視頻信號 傳輸給分站。
[0044] 2. (302)視頻信號和甲烷傳感器信號通過分站傳輸到井下交換機。
[0045] 3. (303)井下交換機將信號傳輸到井上的網絡交換機，網絡交換機將視頻信號和 甲烷傳感器信號分發給存儲服務器，監控終端和視頻識別服務器。
[0046] 4. (304)視頻識別服務器實時分析檢測視頻圖像和設備工作情況，當滿足報警條 件時，則發出報警和斷電閉鎖信號。
[0047] 5. (305)監控主機實時顯示現場視頻、甲烷傳感器數據和設備工作情況，并接收視 頻識別服務器報警信號，當滿足報警條件時，則自動聲光報警；生產管理人員可查看現場實 時視頻、甲烷傳感器數據、報警情況和設備情況，當視頻和數據采集的硬件被損時，則調取 歷史現場視頻和傳感器數據。生產管理人員可手動發出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤礦井 下全部非本質安全電氣設備電源，下發調度指令通知撤出煤礦井下作業人員。
[0048] 實施方案2 :
[0049] 如圖4所示系統主要包括：
[0050] 1.存儲服務器（401);負責對視頻信號、報警信號、甲烷傳感器信號與設備工作情 況進行采集、存儲，并為用戶提供查詢調取服務。
[0051] 2.監控主機（402);具有聲光報警功能，生產管理人員通過監控主機查看現場視 頻圖像、報警情況、甲烷傳感器數據與設備情況，可手動發出報警和斷電閉鎖信號，切斷煤 礦井下全部非本質安全電氣設備電源，下發調度指令通知撤出煤礦井下作業人員。并可從 存儲服務器調取歷史監控數據。
[0052] 3.監控備用機（403);當監控主機發生故障，通過監控備用機進行工作。
[0053] 4.網絡交換機（404);負責所有接入礦用以太網的設備的管理和數據交換。
[0054] 5.井下交換機（405);負責分站的接入和數據交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下 防爆要求。
[0055] 6.分站（406);負責攝像機和傳感器的接入和數據交換，具有隔爆外殼，符合煤礦 井下防爆要求。
[0056] 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 信號進行數字化和壓縮處理，通過網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，可識別設置區域內的圖像變化和物體移動，當圖像變化和物體移動達到設 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。
[0057] 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。
[0058] 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。
[0059] 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：
[0060] 1. (501)攝像機采集視頻數據，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。
[0061] 2. (502)視頻識別報警裝置對視頻圖像進行分析識別，可識別設置區域內的圖像 變化和物體移動，當圖像變化和物體移動達到設定的報警指標時，自動輸出報警信號到分 站。
[0062] 3. (503)各分站將所采集的各類信號通過礦用以太環網發送給井下交換機。
[0063] 4. (504)網絡交換機接收井下交換機轉發的數據，并將視頻信號、傳感器信號和報 警信號分發給存儲服務器，監控主機和備用主機。
[0064] 5. (505)存儲服務器將視頻信號、傳感器信號和報警信號進行存儲。
[0065] 6. (506)監控主機實時顯示現場視頻，傳感器數據、報警情況和設備工作情況，當 滿足報警條件時，則自動聲光報警；生產管理人員可查看現場實時視頻、報警情況和設備工 作情況，當視頻和數據采集的硬件被損時則調取歷史現場視頻與數據。生產管理人員可手 動發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安全電氣設備電源，下發 調度指令通知撤出煤礦井下作業人員。
[0066] 采煤工作面攝像機視頻圖像的檢測流程如圖6所示：
[0067] 1. (601)對視頻監控范圍內的監控區域A進行設置，每次識別服務器啟動時調取 設置區域數據。
[0068] 2. (602)將標準壓縮視頻流還原為圖像幀。
[0069]當前采集的視頻圖像為：
[0070] F = {f(x，y)，X e M，y e N，MN}
[0071] 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。
[0072] 3. (603)每間隔5幀對的視頻圖像與背景圖像的監控區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。
[0073] 設背景圖像為：
[0074] B = {b (X，y)，X e M，y e N，MN}
[0075] 令當前視頻圖像與背景圖像每個對應像素進行差分運算，得到差分圖像G :
[0076] 差分運算后的差分圖像為：
[0077] G = {g(x，y)，X e M，y e N，MN}
[0078] 運算公式為：
[0079]
【權利要求】
1. 一種基于圖像的采煤工作面沖擊地壓報警方法，其特征在于：煤礦井下，在采煤工 作面液壓支架或采煤機上、采煤工作面進風巷中、采煤工作面回風巷中放置攝像機；實時檢 測所采集的各路視頻圖像數據，檢測攝像機及通信線路的工作情況，同時監測附近區域的 甲烷傳感器數值的變化；當檢測到攝像機視頻圖像中設定區域異常出現物體堆積、或大量 物體高速運動時，則判定為數據異常；當檢測到數據異常，或數據異常與相關設備故障在短 時間內相繼出現，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警和信號。
2. 如權利要求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；手動設定攝像機焦距和曝光值，并關閉攝像機的自動對焦和自動白平衡功能。
3. 如權利要求1所述的報警方法，其特征在于：對采煤工作面液壓支架或采煤機上攝 像機監控范圍境內的未被采煤機和刮板遮擋的部分區域進行設定，在攝像機工作正常及視 頻通信正常的條件下，當檢測到設定區域的視頻圖像數據發生劇烈變化，而且數據變化不 可恢復，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
4. 如權利要求3所述的報警方法，其特征在于：對采煤工作面液壓支架或采煤機上攝 像機采集的視頻圖像與背景圖像的設定區域運用差分算法進行運算；再對差值圖像進行二 值化處理實現對運動物體的分割；當統計發現發生了物體移動的區域的像素數超過閾值并 持續一段時間，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖擊地壓報警信號。
5. 如權利要求1所述的報警方法，其特征在于：當檢測到采煤工作面進風巷和回風巷 的攝像機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時，同時監測到附 近區域的甲烷濃度正常，則發出煤與瓦斯突出報警信號。
6. 如權利要求5所述的報警方法，其特征在于：對采煤工作面進風巷和回風巷的攝像 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 化處理實現對運動物體的分割；當統計發現某路圖像中物體移動的區域的像素數均超過相 關閾值并持續增大，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出煤沖擊地壓報警信號。
7. 如權利要求1所述的報警方法，其特征在于：當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，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出沖 擊地壓報警信號。
8. 如權利要求7所述的報警方法，其特征在于：對監控區域進行設定和靜態背景圖像 中的固定物體輪廓形狀預先進行設置；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對運動物體的分割；統計各固定物體輪廓 形狀區域與發生了物體移動的區域的交集像素數，當各交集像素數與各固定物體輪廓形狀 區域像素數比值超過相關閾值，并持續增大，同時監測到附近區域的甲烷濃度正常，則發出 沖擊地壓報警信號。
9. 如權利要求1所述的報警方法，其特征在于：可利用攝像機內置或外置的數字信號 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 像機進行監控，當偵測到物體移動時發出移動報警信號，同時監測到附近區域的甲烷濃度 正常，則發出沖擊地壓報警信號。
【文檔編號】E21F17/18GK104454011SQ201410799590
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月22日 優先權日:2014年12月22日
【發明者】孫繼平, 劉毅 申請人:中國礦業大學(北京)