CN110397474B - 一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统。所述方法以历史上发生过的矿井水害特征为根据，通过连接现有矿井监控摄像头实时监测井下巷道迎头、顶板、底板和两帮共5个区域的出水信息，实时判别井下是否产生突水征兆情况；井下一旦发生突水征兆甚至水害，能够快速识别并及时提取突水点相关信息(比如位置、突水量大小等)，并通过三维信息化的手段实时再现水害的发生过程，采用三维仿真技术推演矿井水蔓延过程和淹没范围，并在三维巷道场景中分析矿井现状和人员设备分布情况，从而为规划人员逃生路线、应急指挥救援提供技术支持。

Description

一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统

技术领域

本发明涉及地下工程仿真监控技术领域，特别是涉及一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统。

背景技术

矿井水害会造成大量的人员伤亡，是煤矿特大事故之一。矿井水害监控和预警是减少矿井水害事故人员伤亡的有效措施。目前水害监测和预警方式以水文探测预防、井下探水、先兆现象观测等为主。水文探测和井下探放水可预防井下水害事故，但由于水文情况复杂、设计不当、措施不力、管理不善和人的思想麻痹等原因，水文探测和井下探放水并不能完全防止突水的发生，更不能对突发的井下水害进行报警。先兆现象观测以人为经验判断为主，存在较大的主观因素。目前对于矿井突水事故，主要依靠现场人员的人工报警，但当突水造成现场人员伤亡，或者现场人员匆忙逃离而未能主动报警，调度室就无法及时地获得已发生突水的信息，无法及时地通知井下其他作业人员，以致不能对突水事故及时采取应急措施，易造成水害失控和人员伤亡。为有效减少水害引起的矿山财产损失和大量人员伤亡，需要新的井下巷道水害监测预警方法，可第一时间对井下巷道突水进行报警，为不在突水现场的其他井下作业人员争取宝贵的逃生和救灾时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统，以解决目前矿井生产过程中无法实时监控水害情况，易造成水害失控和人员伤亡的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法，所述方法包括：

获取未发生水害时井下监控摄像头采集的历史图像和所述井下监控摄像头采集的当前图像；

根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果；

若所述第一判断结果为当前井下发生水害，获取井下场景的三维模型并进行水害预警；所述三维模型中包括井下人员和设备位置以及所有所述井下监控摄像头的位置；

根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点；

根据所述当前图像计算水害水量；

根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围；

根据所述水情蔓延将要淹没的范围指挥井下人员和设备的撤离。

可选的，所述根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果，具体包括：

获取所述历史图像和所述当前图像上标注的多个关键点的图像颜色值；多个所述关键点均匀分布在图像上井下场景的迎头表面、顶板表面、底板表面和两帮表面五个区域；

判断所述历史图像上预设数量关键点的图像颜色值与所述当前图像上预设数量关键点的图像颜色值之间的色差值是否均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值是否也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，获得第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则所述第一判断结果为当前井下发生水害；

若所述第二判断结果为否，则所述第一判断结果为当前井下未发生水害。

可选的，所述根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点，具体包括：

根据所述当前图像对应的井下监控摄像头的位置在所述三维模型中确定水害发生大概地点；

根据所述当前图像上与所述历史图像上色差值大于预设色差值的关键点位置在所述三维模型中确定水害发生确切地点。

可选的，所述根据所述当前图像计算水害水量，具体包括：

根据所述当前图像及所述三维模型确定当前巷道淹没表面积及水深高度；

根据所述当前巷道淹没表面积及所述水深高度计算当前巷道淹没体积；

根据所述当前巷道淹没体积计算总水量；

根据所述总水量及水害已经发生的时间计算每分钟涌水量。

可选的，所述根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围，具体包括：

在所述三维模型中，将所述水害发生确切地点作为涌水口，根据所述三维模型中巷道位置、大小及所述每分钟涌水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围。

一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统，所述系统包括：

图像获取模块，用于获取未发生水害时井下监控摄像头采集的历史图像和所述井下监控摄像头采集的当前图像；

水害发生判断模块，用于根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果；

水害预警模块，用于若所述第一判断结果为当前井下发生水害，获取井下场景的三维模型并进行水害预警；所述三维模型中包括井下人员和设备位置以及所有所述井下监控摄像头的位置；

水害定位模块，用于根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点；

水害水量计算模块，用于根据所述当前图像计算水害水量；

水情蔓延预测模块，用于根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围；

水害救援模块，用于根据所述水情蔓延将要淹没的范围指挥井下人员和设备的撤离。

可选的，所述水害发生判断模块具体包括：

图像关键点颜色值获取单元，用于获取所述历史图像和所述当前图像上标注的多个关键点的图像颜色值；多个所述关键点均匀分布在图像上井下场景的迎头表面、顶板表面、底板表面和两帮表面五个区域；

色差值判断单元，用于判断所述历史图像上预设数量关键点的图像颜色值与所述当前图像上预设数量关键点的图像颜色值之间的色差值是否均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值是否也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，获得第二判断结果；

水害发生判断单元，用于若所述第二判断结果为是，则所述第一判断结果为当前井下发生水害；

水害未发生判断单元，用于若所述第二判断结果为否，则所述第一判断结果为当前井下未发生水害。

可选的，所述水害定位模块具体包括：

水害发生大概地点定位单元，用于根据所述当前图像对应的井下监控摄像头的位置在所述三维模型中确定水害发生大概地点；

水害发生确切地点定位单元，用于根据所述当前图像上与所述历史图像上色差值大于预设色差值的关键点位置在所述三维模型中确定水害发生确切地点。

可选的，所述水害水量计算模块具体包括：

当前淹没数据获取单元，用于根据所述当前图像及所述三维模型确定当前巷道淹没表面积及水深高度；

当前巷道淹没体积计算单元，用于根据所述当前巷道淹没表面积及所述水深高度计算当前巷道淹没体积；

总水量计算单元，用于根据所述当前巷道淹没体积计算总水量；

每分钟涌水量计算单元，用于根据所述总水量及水害已经发生的时间计算每分钟涌水量。

可选的，所述水情蔓延预测模块具体包括：

水情蔓延预测单元，用于在所述三维模型中，将所述水害发生确切地点作为涌水口，根据所述三维模型中巷道位置、大小及所述每分钟涌水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统，所述方法以历史上发生过的矿井水害特征为根据，通过连接现有矿井监控摄像头实时监测井下巷道迎头、顶板、底板和两帮共5个区域的出水信息，实时判别井下是否产生突水征兆情况；井下一旦发生突水征兆甚至水害，能够快速识别并及时提取突水点相关信息(比如位置、突水量大小等)，并通过三维信息化的手段实时再现水害的发生过程，采用三维仿真技术推演矿井水蔓延过程和淹没范围，并在三维巷道场景中分析矿井现状和人员设备分布情况，从而为规划人员逃生路线、应急指挥救援提供技术支持。采用本发明方法能够实时监控矿井巷道掘进过程中的水害信息、模拟仿真灾情蔓延情况，利于水害发生前技术管理者对矿井地下水害信息的实时掌握，还可以实时模拟仿真水害一旦灾变可能造成的后果，利于技术管理人员采取更加有针对性的救援措施或及时通知井下工作人员安全撤离，可以有效减少人员伤亡和财产损失。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法的流程图；

图2为本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法的原理图；

图3为本发明提供的关键点标注过程示意图；

图4为本发明提供的水情蔓延过程示意图；

图5为本发明提供的井下场景三维模型的仿真界面示意图；

图6为本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统的结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统，以解决现有矿井水害水情系统无法实时监控水害情况，易造成水害失控和人员伤亡的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

现有矿井水害水情监控系统大部分都只能使用摄像头监控，监控区间是固定的无法监控所有地下矿井区间情况；一旦掘进头发生水害，充分利用分布在该区域的摄像头监测影像数据，实现快速、实时的水害判别和水害后果预评价就显得非常重要。为了解决现有矿井水害水情监测存在的以上问题，本发明提供一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法及系统，专门针对矿井地下发生水害水情蔓延时，用于计算涌水量的大小，并根据水情淹没范围对灾情后果进行评价。本发明方法及系统同样适用于各类矿井、地铁、地下勘探等地下工程的水害水情蔓延监控及报警。

图1为本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法的流程图。图2为本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法的原理图。参见图1和图2，本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法具体包括：

步骤101：获取未发生水害时井下监控摄像头采集的历史图像和所述井下监控摄像头采集的当前图像。

在视频监控摄像头上标注关键点：本发明方法是建立在井下监控系统完好的情况下。常用井下监控摄像头采集视频数据，正常情况下同一位置所有的视频数据是相同的，当有人员或车辆经过时，视频会发生改变，当发生水害时也会改变视频的图像内容。为了将人员与水害的情况区别出来进行水害预警，本发明运用了在监控视频图像里用仿真软件系统标注四十五个关键点来区别。

图3为本发明提供的关键点标注过程示意图。如图3所示，本发明视频图像中关键点标注过程如下：

1.1首先通过监控摄像头的SDK(Software Development Kit，软件开发工具包)读取视频数据，将视频数据调用展示在仿真系统窗口中；

1.2系统里分出两个窗口，一个窗口显示实时视频的当前图像，一个窗口显示头一天同一时间段未发生水害时的视频历史图像；

1.3在实时视频上标记多个关键点，视频图像拍摄的一般为井下巷道的图像，井下巷道的关键区域包括迎头表面区域、顶板表面区域、底板表面区域、两帮(即两侧墙面)区域，共五个区域(两帮为两侧墙面)。在实际应用中，一般在迎头表面均匀分布9个关键点，顶板表面均匀分布9个关键点，底板表面均匀分布9个关键点，两帮墙面各分布9个关键点，一共标记45个关键点。优选的，每一面墙上标注的9个关键点以三行三列的形式均匀分布。

标记关键点本身不影响实时视频，但每一个监控摄像头在世界座标里有自己的XYZ轴坐标，并且每一个监控摄像头已经编号且记录好了安装位置。后面在制作矿井三维场景模型时，对应摄像头也制作三维模型，而关键点在三维场景中采用制作小透明盒的方式表示，同时记录下各关键点的x、y、z坐标及对应的监控摄像头编号，方便系统发生预警时能快速找到发生水害情况的是哪一个矿的哪一个井中哪一个摄像头的哪一个关键点对应的位置，再通过三维场景模型立体展示出来。标注关键点最大的好处就是能够通过仿真系统知道发生水害的坐标位置。

步骤102：根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果。

根据实时视频与头一天同一时段的历史视频分析图像发生改变的原理为：人员或车辆经过只会影响地面一到两个关键点，当巷道表面大部分区域的关键点(例如超过10个以上关键点)都有影响时，具体表现为当前图像和历史图像对应关键点位置的颜色色差值改变了大于100时，确认图像发生了改变，则表明发生水害，此时可以开始进行水害预警，通知管理人员及时处理水情。进一步的，为了避免虚警情况，在收到预警信号后，管理人员可以进一步通过视频来确认是否发生水害，保证水害预警的准确性。

判断水害发生的方法具体为：

获取所述历史图像和所述当前图像上标注的多个关键点的图像颜色值；

判断所述历史图像上预设数量(大于10个)关键点的图像颜色值与所述当前图像上预设数量关键点的图像颜色值之间的色差值是否均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，获得第二判断结果；

若所述历史图像上预设某一个面上的一个或多个关键点颜色值与所述当前图像上对应关键点的图像颜色值之间的色差值大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值也开始发生改变，但最先发生改变的关键点又回归正常图像颜色值时，这种情况可能是人员或车辆通过，则所述第二判断结果为否，表示当前井下未发生水害；

若所述历史图像上预设某一个面上的多个(大于10个)关键点颜色值与所述当前图像上对应关键点的图像颜色值之间的色差值均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，此类情况极有可能是水害问题，则所述第二判断结果为是，认为当前井下发生水害，先发出预警。当然，此类情况也可能是断电、或是监控信号出现问题，也有可能是监控图像被遮挡，因此当发出预警后，还需要管理人员通过监控视频做出进一步确认，避免虚警。

其中，所述图像颜色值可以为视频图像的RGB值或CMYK值，所述预设色差值为100，所述预设数量优选为10个。

步骤103：若所述第一判断结果为当前井下发生水害，获取井下场景的三维模型并进行水害预警。

若所述第一判断结果为当前井下发生水害，系统就开始预警，通知管理人员及时处理灾情。进一步的，为了避免虚警情况，在收到预警信号后，管理人员可以进一步通过视频来确认是否发生水害，保证水害预警的准确性。

获取三维井下场景模型：目前市面上有很多三维软件(如3Dmax、MAYA、ProE、AutoCAD等等)都可以建立井下场景，也可以用三维扫描技术得出井下三维场景模型，三维模型格式主要使用FBX、OBJ两种格式，方便平台读取。井下场景三维模型的建立以米为单位，井下场景三维模型的比例大小一定要与真实井下场景呈一比一的比例，并要求设定的关键点位置误差不能大于0.1米。井下所用的真实设备、各类管道、配电站等等都需要三维创建出来，可能有小误差，但三维场景的结构、各类模型的位置都不能有错误(误差要小于0.1米)。所述三维模型中包括所有巷道位置、井下人员和设备位置、所有所述井下监控摄像头的位置以及所有关键点的位置。在整个三维场景中每一个模型、每一处巷道、每一个摄像头、每一个关键点都有自己的三维坐标。

步骤104：根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点。

水害发生后在三维场景中对应体现：当发生水害时，通过监控摄像头能捕捉到水害发生地点。当然有一种情况下是监测不到的，即水害发生地点没有摄像头的情况，在此种情况下，当发生水情最近有摄像头的地方发现有水流情况时才预警，这种情况比一开始就有摄像头的情况会慢一些。从三维模型中找到摄像头的位置，就可以进行水害情况模拟，管理者可以通过模拟水害信息来做出相应反应。

图像里的水害位置确认：本发明方法运用迎头表面、底板表面、两帮墙面表面、顶板表面五个面的关键点颜色值的变化来做水害判断；如人和车辆经过监控区域时，关键点颜色值发生改变后又会回归之前的情况，那么关键点色差如果没有保持三秒长时间的改变，同时在色差又在蔓延的话，视为人员和车辆经过；如果是水害，是从迎头表面、底板表面、两帮墙面表面、顶板表面五个区域的表面出来的，同时还会向附近的关键点其它地方蔓延，并且蔓延区域色差会稳定保持在三秒以上。因为视频一般一秒钟的图像是25张到30张之间，所以图像上很容易就对比出了从哪一张图像上，是地面还是墙面还是顶面发生了改变，就可以知道是哪一个监控摄像头下的发生的水害，从三维仿真场景里找到相应的摄像头下的关键点，对相应的关键点做出响应，三维场景就开始模拟那个关键点的位置开始发生水害。

具体的，所述根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点，包括：

根据所述当前图像对应的井下监控摄像头的位置在所述三维模型中确定水害发生大概地点；水害发生大概地点就是当前图像拍摄的巷道地点，根据编号可以找到拍摄当前图像的监控摄像头，根据该监控摄像头的位置可以确定水害发生的大概地点。

根据所述当前图像上与所述历史图像上色差值大于预设色差值的关键点位置在所述三维模型中确定水害发生确切地点。色差值发生变化的关键点的位置就是水害发生的确切位置，将关键点位置在三维模型中标注出来，就可以在三维模型中定位涌水口位置。

步骤105：根据所述当前图像计算水害水量。

水害水量判断：每一个摄像头在井下的摄像范围是固定的(如正前方拍摄的范围只有5米长，4.5米高)，可以通过监控拍摄到的图像中巷道实际被淹没的体积来计算每分钟涌出的水量。

所述根据所述当前图像计算水害水量，具体包括：

根据所述当前图像及所述三维模型确定当前巷道淹没表面积及水深高度；将当前图像拍摄的涌水量图像对应至三维模型中，三维模型中各个位置具有相应的坐标值，根据涌水位置的坐标可以确定当前巷道淹没表面积及水深高度。

根据所述当前巷道淹没表面积及所述水深高度计算当前巷道淹没体积；具体为当前巷道淹没表面积*水深高度＝当前巷道淹没体积；

根据所述当前巷道淹没体积计算总水量；具体为1立方米的当前巷道淹没体积对应一吨水量，则：当前巷道淹没体积*1吨/立方米＝总水量。

根据所述总水量及水害已经发生的时间计算每分钟涌水量；当判断水害发生时，平台开始计时，可以得到水害已经发生的时间，则：总水量/水害已经发生的时间(分钟)＝每分钟涌水量。

步骤106：根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围。

水情蔓延过程：国内所有的煤矿建设时，巷道都会以水平面倾斜角度0.1度来建造地下巷道，同时在巷道两侧有排水渠；通常发生水害时，水会流向下方进入排水渠，再由排水渠流向储水区；只有水害情况特别严重时，排水渠的排水量小于突水量、储水区容量小于涌水量，则矿井水就会蔓延淹没地势较低的地点。正常情况下管理人员很难看到这一现象，但是本发明通过三维仿真监控技术可以实现。

根据已经建立好的三维模型，水害发生后，将所述水害发生确切地点作为涌水口，在水害发生的确切位置模拟一个三维水源点，给水源赋予一些属性：重力、水源的每分钟涌水量、水源的碰撞检测。有重力的三维水会向低处流动，通过碰撞检测，水遇到地面突出的三维模型就向两边流动，水量越多就会累积成更大的面积水，就有可能会淹没一些巷道和设备。管理人员通过三维仿真的场景就能很直观的了解当前时水害的情况，同时还可以在仿真软件系统里加快时间，模拟未来几小时的水情蔓延情况，从而预测水情蔓延将要淹没的范围，水情蔓延情况预测如图4所示。

当水害发生后，只要没有被人为阻止水害，那么随着时间的不断增加，涌出的水量会越来越多，顺着地下通道会向低处蔓延；整个过程摄像头只能拍摄一部分，还有一部分，可以通过仿真的形式进行推断：

6.1：水情蔓延会淹没多少巷道体积：三维模型中，三维巷道地面每处都由点、线、面组成，每个点都有三维坐标，通过多个点与点之间的距离可以求出地面的面积(多点组成一个多边形)。

多边形求面积公式：设巷道地面面积为S，因为算面积时只算平面坐标，所以只需用X、Y轴计算。如巷道地面多边形有n个点，坐标分别为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，…，(X_n,Y_n)；则巷道地面面积：

S＝1/2×((X₁*Y₂-X₂*Y₁)+…+(X_k*Y_(k+1)-X_(k+1)*Y_k)+…+(X_n*Y₁-X₁*Y_n))

其中，X_k*Y_(k+1)指多边形第k个点的Y轴序列比X轴序列要大一个号；X_(k+1)*Y_k指多边形第k个点的X轴序列比Y轴序列要大一个号；X_n*Y₁是因为巷道地面多边形最后一点是n，比n大一个号的就是回到了起始点，即第1个点；X₁*Y_n是因为巷道地面多边形起始点是1，比1小的那个点就是最后的点n。

根据水害已经发生的时间(分钟)乘以每分钟涌水量，可以得到当前涌水口涌出的总水量。根据巷道地面的多边形面积和巷道高度可以计算出每段巷道体积，根据每段巷道体积和涌出的总水量就可以计算出水情蔓延会淹没多少巷道体积。

当前涌水口涌出的总水量计算出来后，水会往低处蔓延；水情蔓延会淹没多少巷道体积也已经计算出来，只需仿真控制水往低处淹没地方就可以了；从而在三维模型中可以模拟出每个时间段会淹没的位置，供管理人员参考。

6.2水情蔓延如何流向：在水害发生的确切位置模拟一个三维水源点，给水源赋予一些属性：重力、水源的每分钟涌水量、水源的碰撞检测。有重力的三维水会向低处流动，通过碰撞检测，水遇到高的模型就向两边流动，水量越多就会累积成更大面积水，就有可能会淹没一些巷道和设备。本发明把流动的水都添加碰撞属性，水往低处流动时遇到其它的物体阻挡就会停下来，直到它能淹没时再继续流动，从而可以模拟真实的水害情况。

本发明采用的三维物体碰撞检测方法：

目前最常用的图元求交方法是利用射线与三角形面片的相交检测来精确判断三维对象碰撞位置。假设C0、C1、C2分别为图元的三个顶点，三个顶点的法向量分别用B1、B2、B3表示，代入公式：C0×B1+C1×B2+C2×B3+X＝0，即YZ+X＝0，可以求得X值。根据Y、Z与X的关系可以判断平面是否相交。

其中Y＝(B1，B2，B3)，表示为平面的法向量；Z＝(C0，C1，C2)指的是平面中的点。当YZ+X≤0，且法向指向平面前方时，Z点在平面后，就认为相交点在平面内，即视为此面是相交的；反之YZ+X＞0时，Z点在平面前，认为此平面无相交。

以上是将水情蔓延通过三维表现的形式碰撞检测巷道底面的求交过程，同时可以确定三维对象的具体相交位置，按此方法水情可以遍历它所有无法向量阻挡的巷道底面。

步骤107：根据所述水情蔓延将要淹没的范围指挥井下人员和设备的撤离。

响应安全指挥：一旦水害发生后，管理人员可以从本发明三维模型的仿真界面(如图5所示)中清楚的了解井下人员、设备情况和水情蔓延将要淹没的范围，可以通过井下通信设备向井下工作人员发出信息，让地下工作人员做出正确的处理方式，对井下作业人员进行调动指挥或协助在水害区域的工作人员逃离现场。具体包括：

7.1管理人员通过三维仿真场景可以很清楚的发现水情蔓延将要淹没的范围；

7.2管理人员通过三维仿真场景可以很清楚的发现水情蔓延将要淹没的各类设备等(井下资产)；

7.3目前井下工作人员都佩戴有GPS或北斗导航等通信设备，三维仿真系统可以通过通信设备的SDK读取人员的移动位置，指挥人员撤离。当然在每天的工作当中，矿工都有记录会在哪一块地方工作，管理人员可以直接通过矿用对讲机指挥人员撤离。

7.4当发生一些倒塌、阻挡现象时，管理人员可以从三维仿真场景中发现还能从哪个位置撤离、从哪个位置救援最近，从而有效指挥救援工作，最大程度减少人员伤亡和财产损失。

地下矿井是一个容易发生水害、塌方、火灾、瓦斯爆炸等灾害的场所，采用本发明方法可以很好的将矿井水害的后果降底到最小化。本发明方法利用矿井的监控摄像头以及一比一建立的矿井场景三维模型实时监控水害发生情况，在水害发生后第一时间进行预警，通知管理人员监控区域的异常情况；并且可以计算水害发生后的每段时间产生的水量，从而预测水害发生后矿井水的流向及影响范围，令管理人员更加直观的做出处理判断。

基于本发明提供的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法，本发明还提供一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统，如图6所示，所述系统包括：

图像获取模块601，用于获取未发生水害时井下监控摄像头采集的历史图像和所述井下监控摄像头采集的当前图像；

水害发生判断模块602，用于根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果；

水害预警模块603，用于若所述第一判断结果为当前井下发生水害，获取井下场景的三维模型并进行水害预警；所述三维模型中包括井下人员和设备位置以及所有所述井下监控摄像头的位置；

水害定位模块604，用于根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点；

水害水量计算模块605，用于根据所述当前图像计算水害水量；

水情蔓延预测模块606，用于根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围；

水害救援模块607，用于根据所述水情蔓延将要淹没的范围指挥井下人员和设备的撤离。

其中，所述水害发生判断模块602具体包括：

图像关键点颜色值获取单元，用于获取所述历史图像和所述当前图像上标注的多个关键点的图像颜色值；多个所述关键点均匀分布在图像上井下场景的迎头表面、顶板表面、底板表面和两帮表面五个区域；

色差值判断单元，用于判断所述历史图像上预设数量关键点的图像颜色值与所述当前图像上预设数量关键点的图像颜色值之间的色差值是否均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值是否也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，获得第二判断结果；

水害发生判断单元，用于若所述第二判断结果为是，则所述第一判断结果为当前井下发生水害；

水害未发生判断单元，用于若所述第二判断结果为否，则所述第一判断结果为当前井下未发生水害。

所述水害定位模块604具体包括：

水害发生大概地点定位单元，用于根据所述当前图像对应的井下监控摄像头的位置在所述三维模型中确定水害发生大概地点；

水害发生确切地点定位单元，用于根据所述当前图像上与所述历史图像上色差值大于预设色差值的关键点位置在所述三维模型中确定水害发生确切地点。

所述水害水量计算模块605具体包括：

当前淹没数据获取单元，用于根据所述当前图像及所述三维模型确定当前巷道淹没表面积及水深高度；

当前巷道淹没体积计算单元，用于根据所述当前巷道淹没表面积及所述水深高度计算当前巷道淹没体积；

总水量计算单元，用于根据所述当前巷道淹没体积计算总水量；

每分钟涌水量计算单元，用于根据所述总水量及水害已经发生的时间计算每分钟涌水量。

所述水情蔓延预测模块606具体包括：

水情蔓延预测单元，用于在所述三维模型中，将所述水害发生确切地点作为涌水口，根据所述三维模型中巷道位置、大小及所述每分钟涌水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围。

与现有矿井水情监测与水害预警系统相比，本发明方法及系统至少具有以下优点：

1、本发明提出了用软件在原有的监控视频上设置多个关键点，作为后期判断的依据，从而可以准确判断水害发生地点。

2、矿井是一个很复杂的系统，且设备多样化。本发明提出了真实的监控数据与虚拟的三维场景结合、互动的监控方式，可以多元化的监控、管理所有地下矿井区间情况。虚实结合的仿真系统能更全面的展现矿井水害情况，并且仿真水害情况与人员通信指挥结合，更加智能化。

3、本发明可以实时模拟三维矿井水害水情蔓延过程，可以直观展示井下工作人员的情况和井下设备的工作情况，供管理者参考、指挥，所以管理人员可以更好的做出应急处理。

4、本发明的三维仿真模型可以在安全的环境中进行互动体验矿井的培训。

5、本发明可以连接矿上已有的通信、监控设备进行互动，设计合理，不浪费资源。

本发明利用图形开发的软件仿真系统与矿井下监控设备、人员GPS定位设备联通互动为基础，解决了矿井里发生水害后管理者对矿井地下水情无法及时了解的问题，便于管理人员采取措施救援或通知井下工作人员进行逃生。本发明根据以往发生过的矿井水害为根据，连接现有矿井监控摄像头观察每一个点的动向，实时监测水害发生情况；一旦发生水害，通过三维信息化的手段实时还原水害的发生情况，通过三维技术推演水情蔓延过程，在三维场景中展示矿井现状及人员分布情况，方便管理人员指挥救援、规划人员逃生路线，最大程度避免人员伤亡、减少财产损失。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法，其特征在于，所述方法包括：

获取未发生水害时井下监控摄像头采集的历史图像和所述井下监控摄像头采集的当前图像；

根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果；所述根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果，具体包括：

获取所述历史图像和所述当前图像上标注的多个关键点的图像颜色值；多个所述关键点均匀分布在图像上井下场景的迎头表面、顶板表面、底板表面和两帮表面五个区域；

判断所述历史图像上预设数量关键点的图像颜色值与所述当前图像上预设数量关键点的图像颜色值之间的色差值是否均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值是否也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，获得第二判断结果；

若所述第二判断结果为是，则所述第一判断结果为当前井下发生水害；

若所述第二判断结果为否，则所述第一判断结果为当前井下未发生水害；

若所述第一判断结果为当前井下发生水害，获取井下场景的三维模型并进行水害预警；所述三维模型中包括井下人员和设备位置以及所有所述井下监控摄像头的位置；

根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点；

根据所述当前图像计算水害水量；

根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围；

根据所述水情蔓延将要淹没的范围指挥井下人员和设备的撤离。

2.根据权利要求1所述的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法，其特征在于，所述根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点，具体包括：

根据所述当前图像对应的井下监控摄像头的位置在所述三维模型中确定水害发生大概地点；

根据所述当前图像上与所述历史图像上色差值大于预设色差值的关键点位置在所述三维模型中确定水害发生确切地点。

3.根据权利要求2所述的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法，其特征在于，所述根据所述当前图像计算水害水量，具体包括：

根据所述当前图像及所述三维模型确定当前巷道淹没表面积及水深高度；

根据所述当前巷道淹没表面积及所述水深高度计算当前巷道淹没体积；

根据所述当前巷道淹没体积计算总水量；

根据所述总水量及水害已经发生的时间计算每分钟涌水量。

4.根据权利要求3所述的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的方法，其特征在于，所述根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围，具体包括：

在所述三维模型中，将所述水害发生确切地点作为涌水口，根据所述三维模型中巷道位置、大小及所述每分钟涌水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围。

5.一种矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统，其特征在于，所述系统包括：

图像获取模块，用于获取未发生水害时井下监控摄像头采集的历史图像和所述井下监控摄像头采集的当前图像；

水害发生判断模块，用于根据所述历史图像和所述当前图像判断当前井下是否发生水害，获得第一判断结果；所述水害发生判断模块具体包括：

图像关键点颜色值获取单元，用于获取所述历史图像和所述当前图像上标注的多个关键点的图像颜色值；多个所述关键点均匀分布在图像上井下场景的迎头表面、顶板表面、底板表面和两帮表面五个区域；

色差值判断单元，用于判断所述历史图像上预设数量关键点的图像颜色值与所述当前图像上预设数量关键点的图像颜色值之间的色差值是否均大于预设色差值，同时附近其它多个关键点颜色值是否也发生改变并且改变保持在3秒钟以上，获得第二判断结果；

水害发生判断单元，用于若所述第二判断结果为是，则所述第一判断结果为当前井下发生水害；

水害未发生判断单元，用于若所述第二判断结果为否，则所述第一判断结果为当前井下未发生水害；

水害预警模块，用于若所述第一判断结果为当前井下发生水害，获取井下场景的三维模型并进行水害预警；所述三维模型中包括井下人员和设备位置以及所有所述井下监控摄像头的位置；

水害定位模块，用于根据所述当前图像及所述三维模型定位水害发生地点；

水害水量计算模块，用于根据所述当前图像计算水害水量；

水情蔓延预测模块，用于根据所述三维模型、所述水害发生地点及所述水害水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围；

水害救援模块，用于根据所述水情蔓延将要淹没的范围指挥井下人员和设备的撤离。

6.根据权利要求5所述的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统，其特征在于，所述水害定位模块具体包括：

水害发生大概地点定位单元，用于根据所述当前图像对应的井下监控摄像头的位置在所述三维模型中确定水害发生大概地点；

水害发生确切地点定位单元，用于根据所述当前图像上与所述历史图像上色差值大于预设色差值的关键点位置在所述三维模型中确定水害发生确切地点。

7.根据权利要求6所述的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统，其特征在于，所述水害水量计算模块具体包括：

当前淹没数据获取单元，用于根据所述当前图像及所述三维模型确定当前巷道淹没表面积及水深高度；

当前巷道淹没体积计算单元，用于根据所述当前巷道淹没表面积及所述水深高度计算当前巷道淹没体积；

总水量计算单元，用于根据所述当前巷道淹没体积计算总水量；

每分钟涌水量计算单元，用于根据所述总水量及水害已经发生的时间计算每分钟涌水量。

8.根据权利要求7所述的矿井水害监测预警及灾情蔓延模拟仿真的系统，其特征在于，所述水情蔓延预测模块具体包括：

水情蔓延预测单元，用于在所述三维模型中，将所述水害发生确切地点作为涌水口，根据所述三维模型中巷道位置、大小及所述每分钟涌水量模拟水情蔓延过程，预测水情蔓延将要淹没的范围。

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