CN208280986U - 基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统，所述矿井爆炸监控系统通过在井下安装红外摄像机和环境监测设备，采集矿井下现场红外视频图像和环境数据，通过监测视频图像中异常高温区域温度、面积、环境数据变化等特征识别，并结合设备工作状态判别进行爆炸报警，同时抑爆灭火。所述爆炸监控系统充分考虑了矿井爆炸的特征特点，实施简单，可快速准确地对煤矿井下爆炸进行自动报警和抑爆灭火，为井下遇险人员争取宝贵的救援和逃生时间。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统，该系统涉及数字图像处理技术、传感器技术和通信技术等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产，我国煤矿重特大事故中瓦斯事故死亡人数占总死亡人数的66.5％。瓦斯爆炸和煤尘爆炸等事故，由于创伤和烧伤造成人员死亡人数不足20％，一氧化碳中毒窒息死亡人数达80％多。因此，能够第一时间对井下爆炸灾害进行报警，是及时进行应急救援，挽救井下遇险人员生命的重要保障。目前，矿井安全监测监控系统主要监测瓦斯浓度、风速、风向等，无爆炸灾害自动报警功能；矿井爆炸事故靠人工发现，发现和处置不及时，耽误了宝贵的逃生和救援时间，造成大量人员伤亡。因此，急需矿井爆炸自动报警系统，快速、准确自动发现爆炸事故并报警，为及时进行灾害处置和应急救援提供技术保障。
实用新型内容
本实用新型目的在于提供一种基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统，系统主要包括存储服务器、监控终端、矿用以太网、至少一个红外摄像机、至少一个爆炸监测报警设备、至少一个环境数据监测设备、至少一个抑爆灭火设备、至少一个声光报警设备；其中红外摄像机、爆炸监测报警设备、抑爆灭火设备、声光报警设备、环境数据监测设备在井下安装，存储服务器和监控终端安装于井上；存储服务器负责视频图像数据、环境数据监测数据及爆炸报警数据的存储转发；爆炸监测报警设备组成主要包括：主机、视频采集模块、通信接口模块、网络通信模块；爆炸监测报警设备通过视频采集模块连接红外摄像机采集红外视频图像，并监测红外摄像机工作状态，通过通信接口模块连接环境数据监测设备采集环境数据，并监测环境数据监测设备工作状态；爆炸监测报警设备通过监测红外视频图像中高温区域特征、环境数据变化、红外摄像机及环境数据监测设备工作状态发出预警或爆炸报警信号，预警或爆炸报警信号通过矿用以太网传输至存储服务器，由存储服务器通过矿用以太网转发给监控终端；监控终端负责输出报警信息，通过矿用以太网访问存储服务器获得实时和历史数据；爆炸监测报警设备发出爆炸报警信号的同时声光报警，并控制抑爆灭火设备进行抑爆灭火。
1.所述爆炸监控系统进一步包括：所述环境数据监测设备包括风速传感器、压力传感器、爆炸音传感器、振动传感器、氧气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、紫外线传感器；所述爆炸监测报警设备所监测的环境数据包括：风速传感器、压力传感器、振动传感器的设定时间内的超限波动信号；氧气浓度传感器低限信号；一氧化碳浓度传感器和二氧化碳浓度传感器的超限信号；爆炸音传感器和紫外线传感器的报警信号。
2.所述爆炸监控系统进一步包括：所述爆炸监测报警设备监测内容进一步包括：红外视频图像中高温区域面积、高温区域面积增长速度、高温区域最高温度、高温区域温度分布特征、高温区域最高温度变化速度、环境数据变化异常、红外摄像机工作异常、环境数据监测设备工作异常。
3.所述爆炸监控系统进一步包括：所述红外摄像机安装位置包括井下巷道顶部，镜头沿巷道朝向工作面方向。
4.所述爆炸监控系统进一步包括：所述爆炸监测报警设备具有有线和无线通信功能。
5.所述爆炸监控报警系统进一步包括：所述红外摄像机包括输出的红外视频图像包括灰度视频图像和伪彩视频图像的红外摄像机；爆炸监测报警设备所监测的数据包括红外视频图像亮度和颜色值。
附图说明
图1基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统实施方案示意图。
图2爆炸监测报警设备结构示意图。
图3红外图像监测报警流程示例图。
图4环境数据监测流程示意图。
具体实施方式
图1为基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统的实施示例，主要组成包括：
1.存储服务器(101)，负责存储转发由红外摄像机(107)提供的视频图像数据和所有环境数据监测设备采集的数据，还包括爆炸监测报警设备(108)提供的爆炸报警数据，为监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)提供数据服务。
2.监控终端(102)，负责提供井下环境监控数据显示服务，由存储服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对存储服务器(101)存储的历史数据调取查询。
3.远程监控终端(103)，负责提供井下环境监控数据显示服务，通过互联网接入矿用以太网访问存储服务器(101)，由存储服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据，具有声光报警功能；远程安全生产监督人员可通过远程监控终端对存储服务器(101)存储的历史数据调取查询。
4.用户移动设备(104)，指安装了专用监控应用程序的移动智能设备，包括智能手机、平板电脑等，通过互联网接入矿用以太网访问存储服务器(101)，由存储服务器(101)提供实时、历史数据和爆炸报警数据。
5.核心交换机(105)，矿用以太网的核心管理和交换设备，负责所有接入矿用以太网的设备的管理和数据交换，具有路由功能，连接互联网。
6.环网交换机(106)，矿用以太网的井下交换设备，安装在井下，多个环网交换机以环网方式连接。
7.红外摄像机(107)，安装巷道内，负责采集井下巷道及工作面等易发生爆炸的区域的视频图像，图像可为灰度图像，也可为伪彩图像；采用具有网络输出和模拟视频输出功能的红外热成像摄像机，网络接口直接连接环网交换机(106)，将数字视频图像数据传输给存储服务器(101)，模拟视频输出端口连接爆炸监测报警设备(108)。
8.爆炸监测报警设备(108)负责监测由红外摄像机(107)采集的视频图像及所有环境数据监测设备采集的数据，当数据值或数据变化满足报警条件，则向存储服务器(101)发出爆炸报警数据；具有有线与无线通信功能，可通过有线或无线通信方式与环境数据监测设备、抑爆灭火设备(117)连接通信，在本示例中，爆炸监测报警设备采用有线连接方式连接这些设备的RS485接口；爆炸监测报警设备还负责将接收的环境数据通过矿用以太环网上传至存储服务器(101)；当监测到爆炸报警，则控制声光报警器(118)声光报警，并控制抑爆灭火设备(117)进行抑爆灭火。
9.风速传感器(109)，可采用机械式风速传感器，也可采用一体化超声波风速风向传感器，通过交叉超声波的时间差得到风速及风向。可采用HS-FSSB01一体化超声波风速风向传感器，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
10.压力传感器(110)，用于监测巷道差压采集空气压力数据，可采用GPD10型煤矿用负压传感器，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
11.爆炸音传感器(111)，用于采集监测声音数据，可采用主要由LM393和驻极体话筒组成的声音传感器，可调节触发灵敏度以监测爆炸音，当监测到爆炸音时，发出爆炸音报警信号。爆炸音传感器，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
12.振动传感器(112)，负责采集振动信号，并将信号数字化，再将数字化得到的数据传输至爆炸监测报警设备(108)，可采用BOSCH数字式三轴加速度传感器BMA250，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
13.氧气浓度传感器(113)，负责采集空气中氧气浓度数据，采用数字式矿用氧气传感器，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
14.一氧化碳浓度传感器(114)，负责采集空气中一氧化碳浓度数据，采用数字式矿用一氧化碳传感器，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
15.二氧化碳浓度传感器(115)，负责采集空气中二氧化碳浓度数据，采用数字式矿用二氧化碳传感器，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
16.紫外线传感器(116)，负责监测紫外线，当监测到紫外线超过设定阈值发出报警信号，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
17.抑爆灭火设备(117)，用于抑制爆炸，防止爆炸引起的火灾，减小爆炸影响范围，可根据易爆区域的环境和材料特点选择使用惰性气体喷射设备、岩粉喷射设备或洒水喷淋设备，受爆炸监测报警设备控制(108)进行工作，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
18.声光报警器(118),用于井下声光报警，通过无线通信或有线通信接口与爆炸监测报警设备(108)通信。
如图2所示示例，爆炸监测报警设备主要组成包括：核心处理器、图形处理器、存储单元、时钟单元、电源单元、USB接口单元、视频采集模块、无线通信单元、网络接口单元、SD卡接口单元。
1.核心处理器(201)，采用Broadcom BCM2837处理器，采用ARM Cortex-A53架构，64位四核1.2GHz。
2.图形处理器(202)，采用是Dual Core VideoCore IV GPU处理器。
3.存储单元(203)，采用1GB LPDD2内存。
4.时钟单元(204)，采用19.2MHz晶振。
5.电源单元(205)，采用AC/DC模块，输入100V～240VAC，输出12VDC，用于设备供电。
6.USB接口单元(206)，支持4个USB接口。
7.视频采集模块(207)，将模式视频信号转为数字视频数据，输入连接红外摄像机(107)的模拟视频输出端口，通过USB口将数字视频数据传输给核心处理器(201)。支持多路视频采集。
8.通信模块(208)，负责将RS485通信接口转换为USB通信接口，连接环境数据监测设备、抑爆灭火设备(117)和声光报警器(118)，用于采集环境数据、控制抑爆灭火和声光报警。
9.无线通信单元(209),支持802.11b/g/n协议，用于与支持无线通信的环境数据监测设备进行无线通信。
10.网络接口单元(210)，负责接入矿用以太网，连接环网交换机(106)。
11.SD卡单元(211)，用于存放系统文件、库文件、监控程序文件等，使用Linux系统管理，内置OpenCV库用于视频数据处理，采用不小于4GB的Micro SD卡。
爆炸监测报警设备红外图像监测流程示例如图3所示，包括：
1.(301)爆炸监测报警设备统计红外图像中超过设定温度阈值C1的连通像素点的数目M1，如M1＞MA(MA为设定像素数目阈值)，则进入一级预警，并向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出一级预警信号；
2.(302)爆炸监测报警设备统计红外图像中超过设定温度阈值C2(C2＞C1)的连通像素点的数目M2，如M2＞MB(MB为设定像素数目阈值)，则进入一级预警，并向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104))发出一级预警信号；
3.(303)爆炸监测报警设备统计红外图像中超过设定温度阈值C1的连通像素点的数目M1，如M1＞MC(MC为设定像素数目阈值，MC＜MA)，则记录当前最高温度CM，记录M1当前值为MT，并进入二级预警，且向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出二级预警信号；否则，爆炸监测报警设备统计红外图像中超过设定温度阈值C3(C3＜C1)的连通像素点的数目M3，和超过设定温度阈值CH(CH＞C3)的连通像素点的数目MH，如满查找M3的所有像素点中x和y坐标值最小和最大值xmax、xmin、ymax、ymin，查找MH的所有像素点中x和y坐标值最小和最大值xHmax、xHmin、yHmax、yHmin，如满足xmax＞xHmax且xmin＜xHmin、且ymax＞yHmax且ymin＜yHmin，则记录当前最高温度CM，并记录M3当前值为MT，并进入二级预警，且向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出二级预警信号；进入二级预警状态后的时间T1内，最高温度CMax的增长率超过设定阈值N1，则进入一级预警并发送一级预警信号；否则，监测进入二级预警状态后的时间T2内，超过设定温度阈值C1的连通像素点的数目M1的增长率是否超过设定阈值N2，如超过，爆炸监测报警设备则进入一级预警，向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出发送一级预警信号；
4.(304)监测红外摄像机工作状态，当监测到红外摄像机无法通信，则发出红外摄像机故障报警信号，同时监测环境数据变化，当监测到环境数据变化异常，爆炸监测报警设备向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出爆炸报警信号；爆炸监测报警设备同时控制声光报警器(118)声光报警，并控制抑爆灭火设备(117)进行抑爆灭火；
5.(305)爆炸监测报警设备同时监测环境数据变化和环境数据监测设备工作状态，当监测到环境数据变化异常或环境数据监测设备工作异常，且一级预警，爆炸监测报警设备向存储服务器(101)、监控终端(102)、远程监控终端(103)及用户移动设备(104)发出爆炸报警信号；爆炸监测报警设备同时控制声光报警器(118)声光报警，并控制抑爆灭火设备(117)进行抑爆灭火.
在以上示例中，红外图像可为灰度图像，也可为伪彩图像，由于热成像图像的亮度和色彩与温度存在对应关系，所以以上监测流程中的所有温度值可由对应的亮度和色彩值进行替代进行处理。
图4为环境数据监测流程示意图，此监测过程与红外图像监测同时运行。
1.(401)爆炸监测报警设备通过通信模块采集风速传感器(109)上传的风速数据，监测风速值是否超过设定阈值，并定时监测风速值变化，当监测到风速值超过设定阈值，或风速值增长率超过设定阈值，则记录当前风速值用于轮询监测风速值变化率，当在轮询中监测到在设定时间TF内风速值下降率超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；
2.(402)爆炸监测报警设备通过通信模块采集压力传感器(110)上传的气压数据，监测气压值是否超过设定阈值，并定时监测气压值变化，当监测到气压值超过设定阈值，或气压值增长率超过设定阈值，则记录当前气压值用于轮询监测气压值变化率，当在轮询中监测到在设定时间TY内气压值下降率超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；
3.(403)爆炸监测报警设备通过通信模块采集爆炸音传感器(111)的数据，当接收到爆炸音报警信号，则判定环境数据变化异常；
4.(404)爆炸监测报警设备通过通信模块采集振动传感器(112)上传的振动数据，监测振动幅度是否超过设定阈值，并定时监测振动幅度变化，当监测到振动幅度超过设定阈值，或振动幅度增长率超过设定阈值，则记录当前振动幅度值用于轮询监测振动幅度值变化率，当在轮询中监测到在设定时间TZ内振动幅度值下降率超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；
5.(405)爆炸监测报警设备通过通信模块采集氧气浓度传感器(113)上传的氧气浓度数据，当监测到氧气浓度低于设定阈值或氧气浓度降低速度超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；
6.(406)爆炸监测报警设备通过通信模块采集一氧化碳浓度传感器(114)上传的一氧化碳浓度数据，当监测到一氧化碳浓度高于设定阈值或一氧化碳浓度升高速度超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；
7.(407)爆炸监测报警设备通过通信模块采集二氧化碳浓度传感器(115)上传的二氧化碳浓度数据，当监测到二氧化碳浓度高于设定阈值或二氧化碳浓度升高速度超过设定阈值，则判定环境数据变化异常；
8.(408)爆炸监测报警设备通过通信模块采集紫外线传感器(116)上传的数据，当接收到紫外线传感器报警信号，则判定环境数据变化异常。
Claims (6)
1.基于红外图像监测设备的矿井爆炸监控系统，其特征在于：系统主要包括存储服务器、监控终端、矿用以太网、至少一个红外摄像机、至少一个爆炸监测报警设备、至少一个环境数据监测设备、至少一个抑爆灭火设备、至少一个声光报警设备；其中红外摄像机、爆炸监测报警设备、抑爆灭火设备、声光报警设备、环境数据监测设备在井下安装，存储服务器和监控终端安装于井上；存储服务器负责视频图像数据、环境数据监测数据及爆炸报警数据的存储转发；爆炸监测报警设备组成主要包括：主机、视频采集模块、通信接口模块、网络通信模块；爆炸监测报警设备通过视频采集模块连接红外摄像机采集红外视频图像，并监测红外摄像机工作状态，通过通信接口模块连接环境数据监测设备采集环境数据，并监测环境数据监测设备工作状态；爆炸监测报警设备通过监测红外视频图像中高温区域特征、环境数据变化、红外摄像机及环境数据监测设备工作状态发出预警或爆炸报警信号，预警或爆炸报警信号通过矿用以太网传输至存储服务器，由存储服务器通过矿用以太网转发给监控终端；监控终端负责输出报警信息，通过矿用以太网访问存储服务器获得实时和历史数据；爆炸监测报警设备发出爆炸报警信号的同时声光报警，并控制抑爆灭火设备进行抑爆灭火。
2.如权利要求1所述爆炸监控系统，其特征在于：所述环境数据监测设备包括风速传感器、压力传感器、爆炸音传感器、振动传感器、氧气浓度传感器、一氧化碳浓度传感器、二氧化碳浓度传感器、紫外线传感器；所述爆炸监测报警设备所监测的环境数据包括：风速传感器、压力传感器、振动传感器的设定时间内的超限波动信号；氧气浓度传感器低限信号；一氧化碳浓度传感器和二氧化碳浓度传感器的超限信号；爆炸音传感器和紫外线传感器的报警信号。
3.如权利要求1所述爆炸监控系统，其特征在于：所述爆炸监测报警设备监测内容进一步包括：红外视频图像中高温区域面积、高温区域面积增长速度、高温区域最高温度、高温区域温度分布特征、高温区域最高温度变化速度、环境数据变化异常、红外摄像机工作异常、环境数据监测设备工作异常。
4.如权利要求1所述爆炸监控系统，其特征在于：所述红外摄像机安装位置包括井下巷道顶部，镜头沿巷道朝向工作面方向。
5.如权利要求1所述爆炸监控系统，其特征在于：所述爆炸监测报警设备具有有线和无线通信功能。
6.如权利要求1所述爆炸监控系统，其特征在于：所述红外摄像机包括输出的红外视频图像包括灰度视频图像和伪彩视频图像的红外摄像机；爆炸监测报警设备所监测的数据包括红外视频图像亮度和颜色值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN111322104A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-06-23 | 河南理工大学 | 一种井下巷道智能灭火装置 |
| CN111322104B (zh) * | 2020-02-26 | 2021-08-06 | 河南理工大学 | 一种井下巷道智能灭火装置 |
| CN112451873A (zh) * | 2020-11-24 | 2021-03-09 | 临沂矿业集团菏泽煤电有限公司 | 一种基于物联网的矿井防灭火系统及方法 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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