基于紅外圖像的掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害井下報(bào)警系統(tǒng)的制作方法

本實(shí)用新型涉及一種基于紅外圖像的掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害井下報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及圖像跟蹤和通信等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

煤炭是我國重要的基礎(chǔ)能源和原料，以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)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(fā)利用技術(shù)成為了國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。最有效的解決方案之一是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)裝備機(jī)械化及自動(dòng)化，從而實(shí)現(xiàn)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(shù)的發(fā)展，井下采煤工作面實(shí)現(xiàn)少人或者無人開采是必然趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)井下少人或者無人開采的必要條件是井下采煤裝備機(jī)械化、自動(dòng)化和對(duì)其的實(shí)時(shí)監(jiān)控。掘進(jìn)機(jī)是綜采工作面最重要的設(shè)備之一，其正常運(yùn)行是整個(gè)綜采工作面完成采掘作業(yè)的基礎(chǔ)，故對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是煤礦井下綜采工作面的一項(xiàng)重要任務(wù)。

目前掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控功能多由傳感器實(shí)現(xiàn)完成?，F(xiàn)有傳感器模式絕大部分采用有線連接，在實(shí)際應(yīng)用中由于空間有限、工況惡劣，在工程布置及維護(hù)中會(huì)投入較多精力，且往往會(huì)因?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生連接線路的損壞，影響傳感器的精度。在機(jī)器開始工作中，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁干擾，影響通信信號(hào)的傳播。同時(shí)，在實(shí)際掘進(jìn)情況下，伴隨著大量的煤塊墜落，安裝在掘進(jìn)機(jī)上的傳感器不可避免的會(huì)受到碰撞，雖然有相應(yīng)的防護(hù)措施，但長時(shí)間的碰撞仍然會(huì)影響傳感器的精度。為避免碰撞、機(jī)械振動(dòng)帶來的影響，需要新的煤礦井下掘進(jìn)機(jī)異常工作監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可第一時(shí)間準(zhǔn)確地對(duì)掘進(jìn)機(jī)異常工作進(jìn)行報(bào)警，為井下掘進(jìn)機(jī)安全作業(yè)提供一份保障。因此本發(fā)明提出一種基于紅外圖像的掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害井下報(bào)警系統(tǒng)，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的不同異常工作狀態(tài)，該系統(tǒng)可發(fā)出不同報(bào)警信號(hào)，包括：偏離工作軌道報(bào)警信號(hào)；切割受阻報(bào)警信號(hào)。通過監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)各部分的溫度，判斷掘進(jìn)機(jī)發(fā)熱情況，根據(jù)判斷結(jié)果，該系統(tǒng)可發(fā)出不同報(bào)警信號(hào)，包括：本體部溫度過高報(bào)警信號(hào)；切割頭溫度過高報(bào)警信號(hào)。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)跟蹤丟失后監(jiān)測(cè)畫面灰度值處理結(jié)果，該系統(tǒng)可發(fā)出不同報(bào)警信號(hào)，包括：突發(fā)水災(zāi)報(bào)警信號(hào)；瓦斯泄露報(bào)警信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提出一種基于紅外圖像的掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害井下報(bào)警系統(tǒng)，所述系統(tǒng)主要包括：紅外攝像機(jī)、視頻分路器、視頻服務(wù)器、掘進(jìn)機(jī)控制器、紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備、礦用以太網(wǎng)、存儲(chǔ)服務(wù)器、監(jiān)控終端；其中紅外攝像機(jī)、視頻分路器、視頻服務(wù)器、紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備、掘進(jìn)機(jī)控制器在井下安裝，存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)控終端安裝于井上；紅外攝像機(jī)分別安裝于煤礦井下掘進(jìn)巷道頂部中間和掘進(jìn)機(jī)上，紅外攝像機(jī)負(fù)責(zé)采集掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)視頻模擬圖像；掘進(jìn)機(jī)控制器負(fù)責(zé)采集掘進(jìn)機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)；紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備組成包括：核心處理器、存儲(chǔ)模塊、視頻采集模塊、隔爆殼、電源管理模塊、串口通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊；紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備具有將安裝于巷道頂部中間的多部攝像機(jī)采集的紅外圖像拼接為一幅紅外圖像的功能，具有跟蹤監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)的功能，具有發(fā)出不同類型報(bào)警信號(hào)的功能，具有通過礦用以太網(wǎng)傳輸報(bào)警信號(hào)至井上監(jiān)控終端的功能；監(jiān)控終端負(fù)責(zé)顯示報(bào)警信息，具有通過訪問視頻服務(wù)器獲得現(xiàn)場(chǎng)視頻的功能，具有通過訪問存儲(chǔ)服務(wù)器獲得歷史現(xiàn)場(chǎng)視頻的功能。

1.該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：在煤礦井下掘進(jìn)巷道頂部中間均勻安裝多部攝像機(jī)，在掘進(jìn)機(jī)上安裝攝像機(jī)；攝像機(jī)的攝像頭安裝有紅外濾片，用于采集所述掘進(jìn)機(jī)工作的紅外畫面；在攝像機(jī)旁安裝紅外補(bǔ)光燈，光投射方向與攝像機(jī)視頻采集方向一致。

2.該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備的視頻采集模塊連接攝像機(jī)模擬視頻輸出口，視頻采集模塊具有將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化的功能，并將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)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(tǒng)進(jìn)一步包括：紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備的串口通信模塊連接掘進(jìn)機(jī)控制器的通信模塊，采集掘進(jìn)機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)水系統(tǒng)噴霧數(shù)據(jù)。

4.該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信模塊連接礦用以太網(wǎng)，通過礦用以太網(wǎng)與井上的監(jiān)控終端通信。

5.該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備位于井下，圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備負(fù)責(zé)對(duì)視頻目標(biāo)分塊跟蹤監(jiān)測(cè)。

6.該系統(tǒng)進(jìn)一步包括：該系統(tǒng)具有發(fā)出不同報(bào)警信號(hào)功能，報(bào)警信號(hào)包括：偏離工作軌道報(bào)警信號(hào)；切割受阻報(bào)警信號(hào)；本體部溫度過高報(bào)警信號(hào)；切割頭溫度過高報(bào)警信號(hào)；突發(fā)水災(zāi)報(bào)警信號(hào)；瓦斯泄露報(bào)警信號(hào)。

附圖說明

圖1基于紅外圖像的掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害井下報(bào)警系統(tǒng)示意圖。

圖2紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害報(bào)警系統(tǒng)的工作流程示意圖。

具體實(shí)施方式

基于紅外圖像的掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害井下報(bào)警系統(tǒng)組成如圖1所示：

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

2.視頻分路器(102)，負(fù)責(zé)將攝像機(jī)的一路模擬信號(hào)輸出分成兩路輸出，其中一路接紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備(103)，另一路接視頻服務(wù)器(104)。在本實(shí)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(jiān)測(cè)設(shè)備(103)，接收由視頻分路器(102)輸出的一路模擬視頻信號(hào)，負(fù)責(zé)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，向監(jiān)控終端發(fā)出掘進(jìn)機(jī)工作異常報(bào)警信號(hào)。紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備通過串口連接掘進(jìn)機(jī)控制器(109)采集掘進(jìn)機(jī)數(shù)據(jù)，通過同軸電纜連接視頻分路器(102)采集視頻。

4.視頻服務(wù)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(hào)，將其數(shù)字化并壓縮編碼，通過礦用以太網(wǎng)向井上存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)控終端傳輸視頻數(shù)據(jù)。在本實(shí)施方案中選用?？礑S-6701HW單路網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，設(shè)置為組播方式。

5.井下交換機(jī)(105)，是礦用以太網(wǎng)的井下接入設(shè)備，串接形成環(huán)網(wǎng)，負(fù)責(zé)視頻服務(wù)器和其它通過網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)交換，設(shè)備接入端一般為RJ45接口，環(huán)網(wǎng)接續(xù)端為光接口，具有隔爆外殼，符合煤礦井下隔爆要求。

6.網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)(106)，是礦用以太網(wǎng)的核心管理設(shè)備，負(fù)責(zé)所有接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)交換。

7.存儲(chǔ)服務(wù)器(107)，負(fù)責(zé)接收由視頻服務(wù)器上傳的視頻數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，為監(jiān)控終端提供現(xiàn)場(chǎng)歷史查詢調(diào)取服務(wù)。

8.監(jiān)控終端(108)，具有聲光報(bào)警功能，接收到紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備(103)的報(bào)警數(shù)據(jù)則聲光報(bào)警；監(jiān)控終端具有實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和歷史視頻調(diào)取功能，生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控終端查看由視頻服務(wù)器(104)上傳的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像，也可從存儲(chǔ)服務(wù)器(107)調(diào)取歷史視頻數(shù)據(jù)。生產(chǎn)管理人員可通過煤礦通信系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對(duì)相關(guān)人員下發(fā)應(yīng)急調(diào)度指令。監(jiān)控終端內(nèi)置井下地理信息，并具有地圖顯示引擎，本實(shí)施方案使用Map Info公司的可視化地圖組件Map X，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作異常報(bào)警時(shí)可自動(dòng)顯示監(jiān)測(cè)到報(bào)警的攝像機(jī)位置。

9.掘進(jìn)機(jī)控制器(109)，負(fù)責(zé)采集掘進(jìn)機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至存儲(chǔ)服務(wù)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(shí)施方案中使用西門子SIMATIC S7-300，配置CP341模塊通過RS232標(biāo)準(zhǔn)與紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備(103)連接。

紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)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(diǎn)和浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，TMS320C6674是基于C66x內(nèi)核的微處理器，通過16位的EMIF與存儲(chǔ)模塊(202)連接，通過16位總線方式連接網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行控制通信，使用嵌入式Linux平臺(tái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制通信，內(nèi)置Open CV庫用于視頻數(shù)據(jù)處理。

2.存儲(chǔ)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(jìn)行控制通信，選擇四路模擬輸入通道一路進(jìn)行攝像頭模擬場(chǎng)頻視頻信號(hào)的采集，通過8位VPO總線向核心處理器(201)輸出標(biāo)準(zhǔn)ITU656格式的數(shù)字視頻。

4.網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)MAC控制器，上層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由核心處理器的內(nèi)置Linux驅(qū)動(dòng)支持。DM9000支持10/100M自適應(yīng)，支持3.3V與5V的電源電壓。DM9000通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器接口芯片YL18-1080S連接RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理連接進(jìn)行通信。

5.電源與時(shí)鐘模塊(205)包括AC/DC開關(guān)電源、DC電壓轉(zhuǎn)換和時(shí)鐘管理元件，AC/DC開關(guān)電源輸出5V直流電，DC電壓轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)串口單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，使用5V電源供電，使用轉(zhuǎn)接電纜連接9針串口實(shí)現(xiàn)通信。

7.隔爆殼(207)用于內(nèi)部電路與外界環(huán)境的物理隔離，應(yīng)符合煤礦井下隔爆要求。掘進(jìn)機(jī)異常工作及災(zāi)害報(bào)警系統(tǒng)的工作過程如圖3所示：

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

2.(302)視頻分路器將現(xiàn)場(chǎng)模擬視頻信號(hào)分成兩路模擬視頻信號(hào)，分別傳送給紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備(103)和視頻服務(wù)器(104)。

3.(303)視頻服務(wù)器(104)數(shù)字化模擬視頻信號(hào)并進(jìn)行壓縮編碼，通過網(wǎng)線將壓縮編碼后的視頻數(shù)據(jù)以組播方式傳輸給存儲(chǔ)服務(wù)器(107)和監(jiān)控終端(108)。

4.(304)存儲(chǔ)服務(wù)器(107)接收現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。

5.(305)紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備通過視頻采集模塊(203)將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化。

6.(306)紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備通過串口通信模塊(206)采集掘進(jìn)機(jī)設(shè)置數(shù)據(jù)。

7.(307)紅外圖像跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備通過核心處理器(201)的內(nèi)置庫處理分析視頻數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)掘進(jìn)工作面視頻中掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷。

8.(308)當(dāng)監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足報(bào)警條件時(shí)，則將報(bào)警數(shù)據(jù)使用TCP通信方式通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊(204)連接礦用以太網(wǎng)的井下交換機(jī)(105)上傳至監(jiān)控終端(108)。

9.(309)監(jiān)控終端(108)接收到報(bào)警數(shù)據(jù)后，自動(dòng)根據(jù)攝像機(jī)編號(hào)通過地圖顯示引擎在顯示器上顯示掘進(jìn)機(jī)位置，并聲光報(bào)警提示生產(chǎn)管理人員進(jìn)行處理。

10.(310)生產(chǎn)管理人員通過監(jiān)控終端(108)訪問存儲(chǔ)服務(wù)器(107)調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)歷史視頻。

11.(311)生產(chǎn)管理人員同時(shí)觀看由視頻服務(wù)器(104)上傳的現(xiàn)場(chǎng)視頻，確認(rèn)報(bào)警發(fā)生過程和現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)情況。

12.(312)生產(chǎn)管理人員確認(rèn)報(bào)警后，可通過煤礦通信系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，對(duì)相關(guān)人員下發(fā)應(yīng)急調(diào)度指令。