基于紅外圖像的掘進機異常工作及災害井下報警系統的制作方法

文檔序號：11181704閱讀：991來源：國知局

本實用新型涉及一種基于紅外圖像的掘進機異常工作及災害井下報警系統，該系統涉及圖像跟蹤和通信等領域。

背景技術：

煤炭是我國重要的基礎能源和原料，以煤為主的能源結構在相當長時間內不會改變，隨著國民經濟的發展，煤炭的需求量越來越大，伴隨的煤礦安全事故也在不斷增多。煤炭資源安全高效開發利用技術成為了國內外學者研究的熱點領域。最有效的解決方案之一是實現煤礦生產裝備機械化及自動化，從而實現井下無人或少人開采。

隨著煤礦安全重要性的提高和煤炭開采技術的發展，井下采煤工作面實現少人或者無人開采是必然趨勢，實現井下少人或者無人開采的必要條件是井下采煤裝備機械化、自動化和對其的實時監控。掘進機是綜采工作面最重要的設備之一，其正常運行是整個綜采工作面完成采掘作業的基礎，故對掘進機工作狀態的監測是煤礦井下綜采工作面的一項重要任務。

目前掘進機監控功能多由傳感器實現完成。現有傳感器模式絕大部分采用有線連接，在實際應用中由于空間有限、工況惡劣，在工程布置及維護中會投入較多精力，且往往會因為機械運動產生連接線路的損壞，影響傳感器的精度。在機器開始工作中，會產生大量的電磁干擾，影響通信信號的傳播。同時，在實際掘進情況下，伴隨著大量的煤塊墜落，安裝在掘進機上的傳感器不可避免的會受到碰撞，雖然有相應的防護措施，但長時間的碰撞仍然會影響傳感器的精度。為避免碰撞、機械振動帶來的影響，需要新的煤礦井下掘進機異常工作監測報警系統，可第一時間準確地對掘進機異常工作進行報警，為井下掘進機安全作業提供一份保障。因此本發明提出一種基于紅外圖像的掘進機異常工作及災害井下報警系統，根據掘進機的不同異常工作狀態，該系統可發出不同報警信號，包括：偏離工作軌道報警信號；切割受阻報警信號。通過監測掘進機各部分的溫度，判斷掘進機發熱情況，根據判斷結果，該系統可發出不同報警信號，包括：本體部溫度過高報警信號；切割頭溫度過高報警信號。根據掘進機跟蹤丟失后監測畫面灰度值處理結果，該系統可發出不同報警信號，包括：突發水災報警信號；瓦斯泄露報警信號。

技術實現要素：

本實用新型提出一種基于紅外圖像的掘進機異常工作及災害井下報警系統，所述系統主要包括：紅外攝像機、視頻分路器、視頻服務器、掘進機控制器、紅外圖像跟蹤監測設備、礦用以太網、存儲服務器、監控終端；其中紅外攝像機、視頻分路器、視頻服務器、紅外圖像跟蹤監測設備、掘進機控制器在井下安裝，存儲服務器和監控終端安裝于井上；紅外攝像機分別安裝于煤礦井下掘進巷道頂部中間和掘進機上，紅外攝像機負責采集掘進工作面現場視頻模擬圖像；掘進機控制器負責采集掘進機設置數據；紅外圖像跟蹤監測設備組成包括：核心處理器、存儲模塊、視頻采集模塊、隔爆殼、電源管理模塊、串口通信模塊、網絡通信模塊；紅外圖像跟蹤監測設備具有將安裝于巷道頂部中間的多部攝像機采集的紅外圖像拼接為一幅紅外圖像的功能，具有跟蹤監測掘進機工作狀態的功能，具有發出不同類型報警信號的功能，具有通過礦用以太網傳輸報警信號至井上監控終端的功能；監控終端負責顯示報警信息，具有通過訪問視頻服務器獲得現場視頻的功能，具有通過訪問存儲服務器獲得歷史現場視頻的功能。

1.該系統進一步包括：在煤礦井下掘進巷道頂部中間均勻安裝多部攝像機，在掘進機上安裝攝像機；攝像機的攝像頭安裝有紅外濾片，用于采集所述掘進機工作的紅外畫面；在攝像機旁安裝紅外補光燈，光投射方向與攝像機視頻采集方向一致。

2.該系統進一步包括：紅外圖像跟蹤監測設備的視頻采集模塊連接攝像機模擬視頻輸出口，視頻采集模塊具有將模擬視頻信號數字化的功能，并將數字視頻數據輸出到核心處理器，處理器具有將采集的圖像拼接為一幅圖像的功能。

3.該系統進一步包括：紅外圖像跟蹤監測設備的串口通信模塊連接掘進機控制器的通信模塊，采集掘進機設置數據水系統噴霧數據。

4.該系統進一步包括：紅外圖像跟蹤監測設備的網絡通信模塊連接礦用以太網，通過礦用以太網與井上的監控終端通信。

5.該系統進一步包括：紅外圖像跟蹤監測設備位于井下，圖像跟蹤監測設備負責對視頻目標分塊跟蹤監測。

6.該系統進一步包括：該系統具有發出不同報警信號功能，報警信號包括：偏離工作軌道報警信號；切割受阻報警信號；本體部溫度過高報警信號；切割頭溫度過高報警信號；突發水災報警信號；瓦斯泄露報警信號。

附圖說明

圖1基于紅外圖像的掘進機異常工作及災害井下報警系統示意圖。

圖2紅外圖像跟蹤監測設備結構示意圖。

圖3掘進機異常工作及災害報警系統的工作流程示意圖。

具體實施方式

基于紅外圖像的掘進機異常工作及災害井下報警系統組成如圖1所示：

1.紅外攝像機(101)，采用符合煤礦隔爆要求的礦用攝像機，帶有紅外補光燈，攝像機的攝像頭安裝有紅外濾片，攝像機安裝在煤礦井下掘進巷道頂部中間和掘進機上，通過同軸電纜與視頻分路器(102)連接。在本實施方案中選用國安GAEX煤礦防爆攝像機GAHC-EX。

2.視頻分路器(102)，負責將攝像機的一路模擬信號輸出分成兩路輸出，其中一路接紅外圖像跟蹤監測設備(103)，另一路接視頻服務器(104)。在本實施方案中選用ADI公司的RF視頻分路器ADA4304-4。

3.紅外圖像跟蹤監測設備(103)，接收由視頻分路器(102)輸出的一路模擬視頻信號，負責對視頻數據進行監控，根據監測結果，向監控終端發出掘進機工作異常報警信號。紅外圖像跟蹤監測設備通過串口連接掘進機控制器(109)采集掘進機數據，通過同軸電纜連接視頻分路器(102)采集視頻。

4.視頻服務器(104)，也稱視頻編碼器，接收由視頻分路器(102)輸出的一路模擬視頻信號，將其數字化并壓縮編碼，通過礦用以太網向井上存儲服務器和監控終端傳輸視頻數據。在本實施方案中選用海康DS-6701HW單路網絡視頻服務器，設置為組播方式。

5.井下交換機(105)，是礦用以太網的井下接入設備，串接形成環網，負責視頻服務器和其它通過網絡通信設備的接入和數據交換，設備接入端一般為RJ45接口，環網接續端為光接口，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。

6.網絡交換機(106)，是礦用以太網的核心管理設備，負責所有接入網絡的設備的管理和數據交換。

7.存儲服務器(107)，負責接收由視頻服務器上傳的視頻數據并存儲，為監控終端提供現場歷史查詢調取服務。

8.監控終端(108)，具有聲光報警功能，接收到紅外圖像跟蹤監測設備(103)的報警數據則聲光報警；監控終端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終端查看由視頻服務器(104)上傳的現場視頻圖像，也可從存儲服務器(107)調取歷史視頻數據。生產管理人員可通過煤礦通信系統發出報警信號，對相關人員下發應急調度指令。監控終端內置井下地理信息，并具有地圖顯示引擎，本實施方案使用Map Info公司的可視化地圖組件Map X，當掘進機工作異常報警時可自動顯示監測到報警的攝像機位置。

9.掘進機控制器(109)，負責采集掘進機設置數據，數據通過工業以太網傳輸至存儲服務器，采用可編程控制器(PLC)，可編程控制器具有通信接口或通信模塊。在本實施方案中使用西門子SIMATIC S7-300，配置CP341模塊通過RS232標準與紅外圖像跟蹤監測設備(103)連接。

紅外圖像跟蹤監測設備組成如圖2所示：

1.核心處理器(201)，采用德州儀器TMS320C6674多核定點和浮點數字信號處理器，TMS320C6674是基于C66x內核的微處理器，通過16位的EMIF與存儲模塊(202)連接，通過16位總線方式連接網絡通信模塊(204)；TMS320C6674還具有I2C接口，SPI接口，TSIP接口，UART接口，RapidIO接口，通過UART接口與串口通信模塊(206)連接通信；通過IIC-BUS接口與視頻采集模塊(203)進行控制通信，使用嵌入式Linux平臺實現驅動控制通信，內置Open CV庫用于視頻數據處理。

2.存儲模塊(202)；包括256M NAND Flash、一片4M NOR Flash、128M SDRAM、一片IIC-BUS接口的EEPROM。

3.視頻采集模塊(203)；主要處理芯片采用SAA7113H視頻輸入處理芯片，SAA7113H是QFP44封裝，電壓3.3V，通過IIC-BUS接口與核心處理器(201)進行控制通信，選擇四路模擬輸入通道一路進行攝像頭模擬場頻視頻信號的采集，通過8位VPO總線向核心處理器(201)輸出標準ITU656格式的數字視頻。

4.網絡通信模塊(204)，主要芯片采用DM9000，DM9000是完全集成的單芯片以太網MAC控制器，上層的網絡協議由核心處理器的內置Linux驅動支持。DM9000支持10/100M自適應，支持3.3V與5V的電源電壓。DM9000通過網絡隔離變壓器接口芯片YL18-1080S連接RJ45網絡接口，實現對網絡的物理連接進行通信。

5.電源與時鐘模塊(205)包括AC/DC開關電源、DC電壓轉換和時鐘管理元件，AC/DC開關電源輸出5V直流電，DC電壓轉換均采用MAX1724電源芯片，為所有芯片供電；選用12MHz晶振。

6.串口通信模塊(206)，使用TI公司的MAX232芯片RS-232標準串口單電源電平轉換芯片，使用5V電源供電，使用轉接電纜連接9針串口實現通信。

7.隔爆殼(207)用于內部電路與外界環境的物理隔離，應符合煤礦井下隔爆要求。掘進機異常工作及災害報警系統的工作過程如圖3所示：

1.(301)紅外攝像機采集視頻圖像，將采集到的現場模擬視頻信號通過同軸電纜傳輸給視頻分路器(102)。

2.(302)視頻分路器將現場模擬視頻信號分成兩路模擬視頻信號，分別傳送給紅外圖像跟蹤監測設備(103)和視頻服務器(104)。

3.(303)視頻服務器(104)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(107)和監控終端(108)。

4.(304)存儲服務器(107)接收現場視頻數據并進行存儲。

5.(305)紅外圖像跟蹤監測設備通過視頻采集模塊(203)將模擬視頻信號數字化。

6.(306)紅外圖像跟蹤監測設備通過串口通信模塊(206)采集掘進機設置數據。

7.(307)紅外圖像跟蹤監測設備通過核心處理器(201)的內置庫處理分析視頻數據，監測掘進工作面視頻中掘進機工作狀態，對分析結果進行判斷。

8.(308)當監測結果滿足報警條件時，則將報警數據使用TCP通信方式通過網絡通信模塊(204)連接礦用以太網的井下交換機(105)上傳至監控終端(108)。

9.(309)監控終端(108)接收到報警數據后，自動根據攝像機編號通過地圖顯示引擎在顯示器上顯示掘進機位置，并聲光報警提示生產管理人員進行處理。