基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統，本報警系統通過煤礦井下掘進工作面、采煤工作面或其它可能發生透水事故的作業面等地點放置攝像機，并在攝像機所監測巷道放置水浸傳感器；攝像機采集現場視頻圖像并傳送給水災監測服務器，水災監測服務器監測視頻和水浸狀態數據，根據監測結果向監控主機發送水災報警信號，監控主機向井下不同工作區域廣播設備發送相應語音信息，控制廣播設備發出水災報警。本報警系統充分考慮了煤礦井下水災的特征特點，實施簡單，自動及時采取相應措施，可第一時間準確地對礦井突水進行報警，為未在突水發生現場的其它區域井下人員爭取寶貴的救災和逃生時間。
【專利說明】
基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統，該系統涉及圖像模式識別和通信等領域。
【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，礦井水災時對礦井危害性較大的自然災害，以煤礦事故死亡的人數計算，水害事故占15.72%，僅次于瓦斯和頂板事故，位居第三，礦井發生水災事故后，其危害包括:
[0003]1、沖毀巷道，埋壓、淹沒和封堵人員。
[0004]2、伴隨突水，會有大量的煤泥和巖石淤積巷道，給人員逃生造成困難。
[0005]3、損壞設備。井下電器，電纜被水浸泡后，其絕緣能力迅速下降，給井下的運輸、通風、排水等造成困難，使未及時逃離人員的生還幾率降低。
[0006]4、涌出大量的有毒有害氣體，使未及時逃離人員的生存條件環境更加惡化。
[0007]綜上所述，礦井水災是煤礦嚴重的災害，在煤礦生產中對礦井水災的報警必須做到及時準確。目前水災預警以水文探測預防、井下探水、先兆現象觀測和為主，水文探測和井下探水可預防井下水災事故，但由于還可能存在水文情況復雜、設計不當、措施不力、管理不善和人的思想麻痹等原因，水文探測和井下探水并不能完全防止突水的發生，更不能對突發的井下突水進行報警;先兆現象觀測以人為經驗判斷為主，存在較大的主觀因素。目前對于現場突水事故，主要依靠現場人員的人工報警，但當突水發生在無人值守的時間或區域，或者現場人員匆忙逃離而未能主動報警，調度室就無法及時的獲得已發生突水的信息，無法及時地通知井下相關工作人員，以致不能對突水事故及時采取應急措施，易造成水害失控和人員傷亡。為有效減少水災引起的礦山財產損失和人員傷亡，需要新的煤礦井下水災報警系統，可第一時間準確地對煤礦井下突水進行報警，為未在突水發生現場的其它區域井下人員爭取寶貴的救災和逃生時間。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型提出一種基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統，系統主要包括存儲服務器、監控主機、水災監測服務器、地理信息服務器、網絡交換機、井下交換機、分站、攝像機、視頻服務器、水浸傳感器、廣播設備;在煤礦井下掘進工作面、采煤工作面或其它可能發生透水事故的作業面等地點放置攝像機;攝像機采集現場模擬視頻信號，由視頻服務器數字化并壓縮編碼發送給存儲服務器、水災監測服務器和監控主機;水浸傳感器負責監測攝像機所在巷道的水浸狀態；網絡交換機、井下交換機和分站負責數據傳輸;存儲服務器負責接收攝像機視頻數據、巷道的水浸狀態數據并進行存儲，同時提供數據查詢調取服務;水災監測服務器負責監測工作面視頻中突發且持續水流和巷道水浸狀態數據，根據監測結果向監控主機發送水災報警信號;監控主機負責控制廣播系統在井下發出水災報警信號及各區域逃生路線;地理信息服務器為監控主機提供地理信息服務，并根據突水位置為各區域提供逃生路線信息。
[0009]1.所述系統進一步包括:攝像機安裝位置靠近巷道頂部或高度大于2米，在攝像機旁安裝輔助光源，光投射方向與攝像機視頻采集方向一致;關閉攝像機的自動對焦和自動白平衡功能。
[0010]2.所述系統進一步包括:水浸傳感器的探頭安裝于攝像機所在巷道的巷道壁，探頭不少于2組，由低到高順序安裝，每組探頭間隔不小于5厘米，最低一組探頭距巷道底部距離不大于5厘米;水浸傳感器的電路盒安裝固定在巷道墻壁或巷道頂部，安裝高度不低于1.5 米。
[0011 ] 3.所述系統進一步包括:視頻服務器通過礦用以太網絡以組播方式將視頻數據傳輸到存儲服務器、水災監測服務器和監控主機，井下交換機和井上的網絡交換機需采用支持組播網絡通信的交換設備。
[0012]4.水浸所述系統進一步包括:感器負責采集攝像機所轄巷道巷道的水浸數據，并具有手動報警開關，可采集手動報警數據;水浸傳感器數據最終通過工業以太網傳輸至存儲服務器;水浸傳感器通過通信線纜與分站連接通信，采用RS-485標準通信。
[0013]5.所述系統進一步包括:廣播設備通過工業以太網接收監控主機下發的語音信號;廣播設備與井下交換機的連接通信方式包括:廣播設備通過通信線纜與分站連接，再由分站與井下交換機連接通信;廣播設備直接與井下交換機連接通信。
【附圖說明】
[0014]圖1基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統示意圖。
[0015]圖2水浸傳感器結構示意圖。
[0016]圖3水災報警工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0017]所述基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統組成主要包括:
[0018]1.存儲服務器(101)，負責接收由攝像機視頻、水浸狀態數據并存儲，為監控主機和水災監測服務器提供查詢調取服務。
[0019]2.水災監測服務器(102)，接收攝像機采集的數字視頻流，對攝像機的視頻圖像進行處理，監測攝像機視頻圖像中設定區域出現的異常持續變化，并參考存儲服務器存儲的相應巷道水浸狀態數據，如滿足報警條件則向監控主機輸出突水報警信號。當監測視頻路數過多服務器處理能力不足時，可放置多臺服務器分別對視頻進行監測。
[0020]3.地理信息服務器(103)，負責為監控主機提供地理信息服務，使用ArcGIS平臺，并存儲礦井的相關地理信息數據、攝像機(107)及水浸傳感器(110)的位置數據;服務器具有水災模擬分析功能，可根據突水位置分析水災發展情況，根據分析結果為井下各工作區域提供逃生路線信息，并發送給監控主機。
[0021 ] 4.監控主機(104)，具有聲光報警功能，接收水災監測服務器(102)的報警信號則聲光報警;具有語音合成及數字語音壓縮編碼功能，當從地理信息服務器(103)獲得井下各工作區域的逃生路線信息后，將突水位置和逃生路線的文本信息合成語音并壓縮編碼，下發至各廣播設備進行廣播;具有實時視頻監控和歷史視頻調取功能，生產管理人員通過監控主機查看現場視頻圖像并可從存儲服務器(101)調取歷史監控數據。
[0022]5.網絡交換機(105)，負責所有接入礦用以太網的設備的管理和數據交換。
[0023]6.井下交換機(106)，負責分站和其它通過網絡通信設備的接入和數據交換，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。
[0024]7.攝像機(107);采用符合煤礦隔爆要求的礦用攝像機，帶有輔助光源，安裝在煤礦井下掘進工作面、采煤工作面或其它可能發生透水事故的作業面等地點上，通過同軸電纜與視頻服務器(108)連接。
[0025]8.視頻服務器(108)，也稱視頻編碼器，將攝像機采集的模擬視頻圖像數字化并壓縮編碼，通過礦用以太網向井上存儲服務器、水災監測服務器、監控主機傳輸視頻數據。
[0026]9.分站(109)，也稱數據采集站，負責接收水浸傳感器(110)上傳的水浸狀態數據，并將數據上傳至水災監控服務器。分站與水浸傳感器(110)采用RS-485標準通過雙絞線通信，可連接多個水浸傳感器;分站通過雙絞線或光纜與最近的井下交換機連接，采用TCP方式與井上的存儲服務器通信，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。
[0027]10.水浸傳感器(110)，用于檢測巷道浸水情況，采用多路輸入水浸傳感器，每路對應安裝I組探頭;探頭安裝于巷道壁，探頭數目不少于2組，即水浸傳感器不少于2路輸入;探頭由低到高順序安裝，每組探頭間隔不小于5厘米，最低一組探頭距巷道底部距離不大于5厘米;水浸傳感器的電路盒安裝固定在巷道墻壁或巷道頂部，安裝高度不低于1.5米。
[0028]11.廣播設備(111)，用于井下語音廣播，具有數字語音解碼功能，將通過數字語音壓縮編碼的數據還原成語音，并放大播放;廣播設備與分站采用RS-485標準通過雙絞線連接通信。
[0029]水浸傳感器組成如圖3所示，電路設計應滿足井下本質安全要求:
[0030]1.處理器(201)選擇TI公司的MSP430F147單片機。該型號為16位RISC結構，具有32k Flash，IkRAM;并有5種低功耗模式，豐富的片內外圍模塊，靈活的時鐘系統等諸多優點。MSP430可在1.8?3.6V低電壓下工作，系統采用3.3V工作電壓。
[0031]2.探頭(202)，采用梳型線感應回路，是用絲網印刷技術印制在陶瓷基片上的鈀銀線條，高溫處理后接點連接牢固，抗氧化和抗外界環境影響能力強，在無浸水情況下兩根感應線間電阻為無窮大，浸沒在水中也需2-3s的時間才能達到低阻的穩定狀態，有助于避免潮濕露水的干擾。
[0032]3.檢測電路(203)，主要包括串聯電阻，將探頭感應回路有水和無水的電阻值變化轉換為處理器(201)可采集的電壓變化信號。
[0033]4.通信接口(204)，采用RS-485標準通信方式，通信芯片使用MAX485與MSP430F147連接。
[0034]5.電源(205)，包括AC/DC模塊和DC電源轉換兩部分，DC電源轉換芯片采用MAX1724EZK33、MAX1724EZK50，轉換得到3.3V和5V穩定的工作電壓，分別為處理器和通信接口供電。
[0035]6.報警開關(206)，采用按鈕元件，用于水災手動報警。
[0036]水災報警的工作過程如圖3所示:
[0037]1.(301)攝像機采集視頻圖像，將模擬視頻信號通過同軸電纜傳輸給視頻服務器。
[0038]2.(302)視頻服務器數字化模擬視頻信號并進行壓縮編碼，通過網線將壓縮編碼后的視頻數據以組播方式傳輸給存儲服務器，監控主機和水災監測服務器。
[0039]3.(303)水災監測服務器實時分析由視頻服務器發送的視頻圖像數據，監測視頻中的異常水流。
[0040]4.(304)水浸傳感器采集浸水狀態數據，通過RS-485通信接口模塊發送至分站。
[0041]5.(305)分站通過RS-485接口接收浸水狀態數據，將數據根據設定的通信協議進行打包，將數據包通過網絡接口以TCP客戶端方式傳送到存儲服務器。
[0042]6.(306)存儲服務器以TCP服務器方式接收由分站上傳的浸水狀態數據，并存入數據庫。
[0043]7.(307)水災監測服務器通過訪問存儲服務器獲得浸水狀態數據，對視頻圖像監測(303)結果和浸水狀態數據進行綜合監測，當滿足報警條件時向監控主機發出水災報警信號，同時將所監測攝像機編號發送給監控主機。
[0044]8.(308)當現場工作人員發現水災，按下浸水傳感器的報警開關按鈕時，浸水傳感器發送手動報警信號，分站采集報警信號，將數據根據設定的通信協議進行打包，將數據包通過網絡接口以TCP客戶端方式傳送到存儲服務器。
[0045]9.(309)存儲服務器存儲報警數據，并轉發報警信號給監控主機。
[0046]10.(310)當監控主機接到水災監測服務器或存儲服務器的報警信號時，將攝像機的或報警開關的編號發送給地理信息服務器。
[0047]11.(311)地理信息服務器根據報警攝像機或浸水傳感器的編號確定突水位置，根據突水位置和浸水高度分析水災發展情況，再根據分析結果為井下各工作區域提供逃生路線信息，并發送給監控主機。
[0048]12.(312)監控主機實時顯示現場視頻并自動聲光報警，將突水位置和逃生路線的文本信息合成語音并壓縮編碼，下發至各廣播設備進行廣播。生產管理人員可查看現場實時視頻、報警情況和設備情況，當視頻和數據采集的硬件被損壞時，則調取歷史現場視頻數據。
[0049]13.(313)井下廣播設備接收包含突水位置和逃生路線信息的語音數據，解碼還原為語音信號放大播報。
【主權項】
1.一種基于圖像和水浸監測的井下水災報警系統，其特征在于:系統主要包括存儲服務器、監控主機、水災監測服務器、地理信息服務器、網絡交換機、井下交換機、分站、攝像機、視頻服務器、水浸傳感器、廣播設備;在煤礦井下掘進工作面、采煤工作面放置攝像機；攝像機采集現場模擬視頻信號，由視頻服務器數字化并壓縮編碼發送給存儲服務器、水災監測服務器和監控主機;水浸傳感器負責監測攝像機所在巷道的水浸狀態;網絡交換機、井下交換機和分站負責數據傳輸;存儲服務器負責接收攝像機視頻數據、巷道的水浸狀態數據并進行存儲，同時提供數據查詢調取服務;水災監測服務器負責監測工作面視頻中突發且持續水流和巷道水浸狀態數據，根據監測結果向監控主機發送水災報警信號；監控主機負責控制廣播系統在井下發出水災報警信號及各區域逃生路線;地理信息服務器為監控主機提供地理信息服務，并根據突水位置為各區域提供逃生路線信息。2.如權利要求1所述的報警系統，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，在攝像機旁安裝輔助光源，光投射方向與攝像機視頻采集方向一致;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所述的報警系統，其特征在于:水浸傳感器的探頭安裝于攝像機所在巷道的巷道壁，探頭不少于2組，由低到高順序安裝，每組探頭間隔不小于5厘米，最低一組探頭距巷道底部距離不大于5厘米;水浸傳感器的電路盒安裝固定在巷道墻壁或巷道頂部，安裝高度不低于I.5米。4.如權利要求1所述的報警系統，其特征在于:視頻服務器通過礦用以太網絡以組播方式將視頻數據傳輸到存儲服務器、水災監測服務器和監控主機，井下交換機和井上的網絡交換機需采用支持組播網絡通信的交換設備。5.如權利要求1所述的報警系統，其特征在于:水浸傳感器負責采集攝像機所轄巷道巷道的水浸數據，并具有手動報警開關，可采集手動報警數據;水浸傳感器數據最終通過工業以太網傳輸至存儲服務器;水浸傳感器通過通信線纜與分站連接通信，采用RS-485標準通?目O6.如權利要求1所述的報警系統，其特征在于:廣播設備通過工業以太網接收監控主機下發的語音信號;廣播設備與井下交換機的連接通信方式包括:廣播設備通過通信線纜與分站連接，再由分站與井下交換機連接通信;廣播設備直接與井下交換機連接通信。
【文檔編號】E21F11/00GK205638557SQ201620002476
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年1月4日
【發明人】孫繼平, 劉毅
【申請人】中國礦業大學(北京)