基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法

1.本发明涉及一种基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，尤其是基于图像的目标检测技术、视觉测速技术、煤矿冲击地压识别技术，以及煤与瓦斯突出识别技术。

背景技术：

2.煤炭是我国的主要能源，并且长时间内不会改变，是我国能源的压舱石。煤炭行业属于高危行业，冲击地压、煤与瓦斯突出、火灾、水灾、瓦斯和煤尘爆炸等事故严重威胁着煤矿的安全生产。所以在煤矿生产过程中及时识别出冲击地压、煤与瓦斯突出、火灾、水灾、瓦斯和煤尘爆炸等事故，以便于启动灾害应急预案与应急救援，对于煤矿的安全生产起到重要保障作用。
3.冲击地压、煤与瓦斯突出均是煤矿动力灾害，一旦发生均有可能造成强烈破坏与人员伤亡。目前，能够实现利用图像来识别煤矿动力灾害，但是利用摄像机进行灾害监测过程中，摄像机相对于竖直向下方向的前倾角度越大，监视范围越大，但是相对来说却越不容易识别出灾害造成的速度异常特征；与之相反的是，摄像机相对于竖直向下方向的前倾角度越小，监视范围越小，但是相对来说却越容易识别出灾害造成的速度异常特征。为了更好的识别上述灾害，需要综合权衡增大摄像机监视范围与较好识别监视区域速度异常特征之间的关系。
4.针对现有冲击地压、煤与瓦斯突出灾害监测中存在的问题，本发明实现了一种基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，在利用热红外图像感知煤矿动力灾害过程中，通过确定红外热像仪的最佳倾角，达到以更少的红外热像仪就能够实现灾害的大面积监测，并且也能够很好的实现监视区域物体异常移动速度的识别。该方法能够仅仅通过控制红外热像仪前倾角度，就能有效地降低煤矿动力灾害监测成本，也降低了监测系统复杂程度。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于增大单个红外热像仪监视范围的同时还能够实现监视区域内物体移动速度异常的有效监测，以更好的实现基于热红外图像的冲击地压、煤与瓦斯突出灾害的感知与报警。
6.本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
7.一种基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，其特征在于：煤矿动力灾害包括冲击地压、煤与瓦斯突出，感知报警方法包括以下步骤：
8.步骤1：在煤矿井下监测点位置安装红外热像仪和甲烷传感器；
9.步骤2：采集监视区域内的热红外视频图像，并实时分析采集的各路热红外视频图像中是否存在温度异常的热红外视频图像异常特征；
10.步骤3：循环步骤2，当红外热像仪监视区域内存在温度异常的热红外视频图像异常特征，并且温度异常区域温度不大于设定温度阈值t，则利用红外热像仪监测监视区域内
温度异常物体的移动速度；
11.步骤4：当红外热像仪监测到监视区域内温度异常物体的移动速度大于设定速度阈值u
t
，则获取附近区域的甲烷浓度数据；
12.步骤5：当红外热像仪附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号；当红外热像仪附近区域的甲烷浓度迅速增高或达到报警值，则发出煤与瓦斯突出报警信号。
13.煤矿井下监测点位置安装红外热像仪时，红外热像仪最佳倾角为求解出同时满足下述情况的最大倾角：
14.(1)红外热像仪监视区域只覆盖巷道底部和巷道两帮；
15.(2)红外热像仪监视区域内最远端的物体，在监视图像中经过一帧的时间移动一个像素长度时对应的物体实际移动速度等于设定的速度阈值或者是设定速度阈值的1/n倍(n为正整数)。
16.利用红外热像仪监测监视区域内温度异常物体的移动速度vb的计算公式为：
[0017][0018]
其中，vb为红外热像仪监测识别温度异常物体的移动速度；h为红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度；αb为红外热像仪感知煤矿动力灾害时相对于竖直向下方向设定的前倾角度；θ
c1
为红外热像仪监测到温度异常物体开始移动的位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与红外热像仪光轴的夹角；θ
c2
为红外热像仪监测到温度异常物体经过一段时间δt移动后的位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与红外热像仪光轴的夹角；γ为红外热像仪监测到温度异常物体经过一段时间δt移动后，开始移动位置和最终位置所连直线与巷道底板中轴线的夹角。
[0019]
进一步地，安装红外热像仪的监测点位置包括采煤工作面液压支架上、采煤机上、采煤工作面进风巷中、采煤工作面回风巷中、掘进工作面的掘进巷道中、掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧。
[0020]
进一步地，安装红外热像仪的位置位于巷道顶部，或靠近巷道顶部，或高度大于2米；手动设定红外热像仪的焦距和曝光值，并关闭红外热像仪的自动对焦和自动白平衡功能。
[0021]
进一步地，设定温度阈值t为150℃；设定速度阈值v
t
为13m/s；红外热像仪倾角为红外热像仪光轴与竖直向下方向的夹角。
[0022]
进一步地，红外热像仪最佳倾角为下述约束条件中求得的α最大值：
[0023][0024]
其中，α为红外热像仪感知煤矿动力灾害时相对于竖直向下方向的前倾角度；θ
l
为红外热像仪沿巷道轴线方向的视场角；v为监视区域最远端的物体，在监视图像中经过一帧的时间δt1移动一个像素长度δs时对应的物体实际移动速度；h为红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度；f为红外热像仪的焦距；δs为一个像素长度；δt1为经过一帧的时间；v
t
为设定的速度阈值。
附图说明
[0025]
图1本发明的基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法流程图；
[0026]
图2本发明的红外热像仪识别到的像素速度与真实速度比值关系示意图；
[0027]
图3本发明的红外热像仪最佳倾角确定方法示意图；
[0028]
图4本发明的红外热像仪处于设定倾角时的测速方法示意图。
具体实施方式
[0029]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方法对本发明做详细、完整的描述，实施例不应被视为限制本发明的使用范围。
[0030]
如图1所示基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法流程，包括：
[0031]
1.初始化(101)：在矿井下重点监视区域安装红外热像仪，所述重点监视区域包括采煤工作面液压支架上、采煤机上、采煤工作面进风巷中、采煤工作面回风巷中、掘进工作面的掘进巷道中、掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧。
[0032]
2.监视区域设置(102)：对红外热像仪视频监视范围内的监视区域进行设置，每次识别服务器启动时调取设置区域数据。
[0033]
3.热红外图像监测监视区域温度(103)：利用红外热像仪对监视区域煤岩等物体温度进行监测，主要是监测冲击地压、煤与瓦斯突出灾害发生时抛出温度较高(大于30℃)煤岩造成监视区域温度的异常变化。
[0034]
4.监测到监视区域温度异常？(104)：当监测到监视区域温度异常，那么说明有可能出现冲击地压、煤与瓦斯突出灾害发生时的温度异常情况，那么执行(105)，否则返回执行(103)。
[0035]
5.异常温度小于设定温度阈值t？(105)：温度阈值t可设置为150℃，那么说明温度异常区域温度小于火灾、瓦斯和煤尘爆炸温度，排除火灾、瓦斯和煤尘爆炸对冲击地压、煤与瓦斯突出灾害感知的干扰，那么执行(106)，否则返回执行(103)。
[0036]
6.热红外图像监测监视区域温度异常物体移动速度(106)：利用红外热像仪对监视区域温度异常物体移动速度进行监测，主要是监测冲击地压、煤与瓦斯突出灾害发生时以较高速度抛出的煤岩，造成监视区域温度异常物体移动速度的异常变化。
[0037]
7.温度异常物体移动速度大于设定速度阈值v
t
？(107)：速度阈值v
t
可设定为13m/s，当温度异常物体移动速度大于设定速度阈值v
t
，可排除正常工况下人员、车辆等对冲击地压、煤与瓦斯突出灾害感知的干扰，那么执行(108)，否则返回执行(103)。
[0038]
8.甲烷浓度是否正常？(108)：获取附近区域的甲烷浓度数据，以辨识是冲击地压还是煤与瓦斯突出。
[0039]
9.冲击地压报警(109)：当红外热像仪监测到监视区域内温度异常，并且异常温度小于设定的温度阈值t、温度异常物体移动速度大于设定速度阈值u
t
，与此同时监测到附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警。
[0040]
10.煤与瓦斯突出报警(110)：当红外热像仪监测到监视区域内温度异常，并且异常温度小于设定的温度阈值t、温度异常物体移动速度大于设定速度阈值u
t
，与此同时监测到附近区域的甲烷浓度迅速增高或达到报警值，那么进行煤与瓦斯突出报警。
[0041]
如图2所示红外热像仪识别到的像素速度与真实速度比值关系示意图，包括：
[0042]
1.把红外热像仪安装在巷道顶板中轴线的点o处，那么红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度oo2＝h，红外热像仪光轴oo1分别与成像平面π、巷道底板平面相交于oc、o1，则∠o1oo2为红外热像仪感知煤矿灾害的倾角α，红外热像仪沿巷道走向方向的视场角2θ
l
＝2∠o1oe＝2∠o1of，四边形abcd为红外热像仪监视范围内监测到的巷道底板区域，当红外热像仪监视范围内大面积温度异常物体移动轨迹为从b1移动到c1时，与之对应的红外热像仪成像平面中移动轨迹为从bc移动到cc。
[0043]
2.物体实际移动长度线段b1c1映射到巷道底板中轴线上的投影为线段b1′
c1′
，与之对应的红外热像仪成像平面π中bccc映射到与巷道底板中轴线上的投影为线段bc′cc
′
。c1′
b1″
为投影线段b1′
c1′
在红外热像仪与竖直向下方向有着α角度监视时检测到的长度。
[0044]
3.设物体移动轨迹bccc与bc′cc
′
的夹角为根据巷道空间三角函数关系我们可知，
[0045][0046]
上式进一步整理可得，
[0047][0048]
令那么上式可整理为，
[0049]
t2sin2(θ2+α)-2t cosαsin2(θ2+α)+cos2α-cos2(θ2+α)＝0
[0050]
求解上式可得，
[0051][0052]
由于，δx1与δx2分别为物体实际移动长度b1c1在巷道底板中轴线o1o2上的投影b1c1，以及投影线段b1′
c1′
在红外热像仪与竖直向下方向有着α角度监视时检测到的长度c1′
b1″
。那么对应物体实际移动长度b1c1及其在红外热像仪与竖直向下方向有着α角度监视时检测到的长度分别为
[0053]
4.在相同的时间内物体真实速度比等于物体真实路程比，即
[0054][0055]
其中，
[0056]
5.根据红外热像仪前倾α角度后识别到的物体移动速度u2，以及识别到的与真实的速度比值，我们可知物体真实的移动速度为：
[0057][0058]
其中，
[0059]
式中，v1为物体真实移动速度；v2为红外热像仪识别到的物体移动速度；α为红外热像仪相对于竖直向下的前倾角度；θ2为图像中发现物体移动的初始移动位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与巷道底板中轴线形成的夹角。
[0060]
如图3所示红外热像仪最佳倾角确定方法示意图，包括：
[0061]
1.把红外热像仪安装在巷道顶板中轴线的点o处，那么红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度oo2＝h，红外热像仪光轴oo1分别与成像平面π、巷道底板平面相交于oc、o1，则∠o1oo2为红外热像仪感知煤矿灾害的倾角α，红外热像仪沿巷道走向方向的视场角2θ
l
＝2∠o1oe＝2∠o1of，四边形abcd为红外热像仪监视范围内监测到的巷道底板区域，当红外热像仪监视范围内大面积温度异常物体移动轨迹为从b1移动到c1时，与之对应的红外热像仪成像平面中移动轨迹为从bc移动到cc。
[0062]
2.为了更好地识别速度，那么红外热像仪监视区域需只覆盖巷道底部和两帮，而不包括前方巷道空间，即：
[0063][0064]
整理可得：
[0065][0066]
3.如果监视范围过大，会造成短时间内图像中特征点移动一个像素，进一步求得对应速度值大于设定的速度阈值v
t
，那么会造成速度识别不理想的情况。为了解决此问题，我们可以采用极限状态，监视区域最远端的特征点经过一帧的时间δt1移动一个像素长度δs时对应的速度u应等于设定的速度阈值v
t
或者是设定速度阈值的倍，即(n为正整数)，那么：
[0067][0068]
其中，监视区域最远端角点对应的那么：
[0069][0070]
进一步整理得
[0071][0072]
4.那么，进一步整理可得，基于图像感知煤矿动力灾害的红外热像仪布置方法中，红外热像仪的最佳倾角是满足以下要求中红外热像仪倾角α的最大值：
[0073][0074]
其中，α为红外热像仪感知煤矿动力灾害时相对于竖直向下方向的前倾角度；θ
l
为红外热像仪沿巷道轴线方向的视场角；h为红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度；f为红外热像仪的焦距；δs为一个像素长度；δt1为经过一帧的时间；v为监视区域最远端的物
体，在监视图像中经过一帧的时间δt1移动一个像素长度δs时对应的物体实际移动速度；v
t
为设定的速度阈值。
[0075]
如图4所示红外热像仪处于有设定倾角时的测速方法示意图，包括：
[0076]
1.把红外热像仪安装在巷道顶板中轴线的点o处，那么红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度oo2＝h，红外热像仪光轴oo1分别与成像平面π、巷道底板平面相交于oc、o1，则∠o1oo2为红外热像仪感知煤矿灾害的设定倾角αb(倾角αb等于或小于求得的最佳倾角)，红外热像仪沿巷道走向方向的视场角2θ
l
＝2∠o1oe＝2∠o1of，四边形abcd为红外热像仪监视范围内监测到的巷道底板区域，当红外热像仪监视范围内大面积温度异常物体移动轨迹为从b1移动到c1时，与之对应的红外热像仪成像平面中移动轨迹为从bc移动到cc，那么大面积温度异常物体移动轨迹b1c1映射到巷道底板中轴线上对应的为线段b1′
c1′
，与之对应的红外热像仪成像平面中bccc映射到与巷道底板中轴线对应的线段bc′cc
′
。
[0077]
2.在成像平面中，红外热像仪成像像素尺寸为长(成像平面中红外热像仪沿巷道轴线方向的成像像素尺寸)
×
宽＝lc×
wc，而红外热像仪所采集的热图像实际尺寸为长(热图像中沿巷道轴线方向的图像实际尺寸)
×
宽＝lz×
wz，那么每个像素长度为或(m/像素)。
[0078]
3.进一步根据成像原理可知，点o、cc′
、c1′
共线，点o、bc′
、b1′
共线，那么∠o1ob1′
＝θ
c1
，∠o1oc1′
＝θ
c2
，并且线段bc′cc
′
与bccc的夹角和b1′
c1′
与b1c1的夹角相等为γ。
[0079]
4.那么，映射到巷道底部中轴线上的物体移动距离b1′
c1′
：
[0080][0081]
其中在成像平面坐标系中，bc(x1，y1)，cc(x2，y2)，那么：
[0082][0083][0084]
最终得：
[0085][0086]
5.当检测到温度异常物体温度小于设定温度阈值t时，利用红外热像仪监测识别温度异常物体的移动速度，红外热像仪监测识别温度异常物体移动速度vb的计算公式为：
[0087][0088]
6.因为图像中物体的移动轨迹c
cbc
与成像平面中垂直y轴的中轴线c
cbc
所成的角度为γ，那么在巷道空间中物体真实移动轨迹c1b1与巷道底部中轴线c1′
b1′
的夹角也为γ，那么：
[0089][0090]
即：
[0091][0092]
那么最终物体移动速度：
[0093][0094]
其中，vb为红外热像仪处于有设定倾角时监测识别温度异常物体的移动速度；h为红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度；αb为红外热像仪感知煤矿灾害的设定倾角；δs为一个像素长度；f为红外热像仪的焦距；x1为点bc和点b
′c的横坐标；x2为点cc和点c
′c的横坐标；lc为在成像平面中红外热像仪沿巷道轴线方向的成像像素尺寸；y1为点bc的纵坐标；y2为点cc的纵坐标；θ
c1
为红外热像仪监测到温度异常物体开始移动的位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与红外热像仪光轴的夹角；θ
c2
为红外热像仪监测到温度异常物体经过一段时间δt移动后的位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与红外热像仪光轴的夹角；γ为红外热像仪监测到温度异常物体经过一段时间δt移动后，开始移动位置和最终位置所连直线与巷道底板中线的夹角。

技术特征：

1.一种基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，其特征在于：煤矿动力灾害包括冲击地压、煤与瓦斯突出，感知报警方法包括以下步骤：步骤1：在煤矿井下监测点位置安装红外热像仪和甲烷传感器；步骤2：采集监视区域内的热红外视频图像，并实时分析采集的各路热红外视频图像中是否存在温度异常的热红外视频图像异常特征；步骤3：循环步骤2，当红外热像仪监视区域内存在温度异常的热红外视频图像异常特征，并且温度异常区域温度不大于设定温度阈值t，则利用红外热像仪监测监视区域内温度异常物体的移动速度；步骤4：当红外热像仪监测到监视区域内温度异常物体的移动速度大于设定速度阈值v
t
，则获取附近区域的甲烷浓度数据；步骤5：当红外热像仪附近区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号；当红外热像仪附近区域的甲烷浓度迅速增高或达到报警值，则发出煤与瓦斯突出报警信号。煤矿井下监测点位置安装红外热像仪时，红外热像仪最佳倾角为求解出同时满足下述情况的最大倾角：(1)红外热像仪监视区域只覆盖巷道底部和巷道两帮；(2)红外热像仪监视区域内最远端的物体，在监视图像中经过一帧的时间移动一个像素长度时对应的物体实际移动速度等于设定的速度阈值或者是设定速度阈值的1/n倍(n为正整数)。利用红外热像仪监测监视区域内温度异常物体的移动速度v
b
的计算公式为：其中，v
b
为红外热像仪监测识别温度异常物体的移动速度；h为红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度；α
b
为红外热像仪感知煤矿动力灾害时相对于竖直向下方向设定的前倾角度；θ
c1
为红外热像仪监测到温度异常物体开始移动的位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与红外热像仪光轴的夹角；θ
c2
为红外热像仪监测到温度异常物体经过一段时间δt移动后的位置在巷道底板中轴线上的投影点和红外热像仪位置连线，与红外热像仪光轴的夹角；γ为红外热像仪监测到温度异常物体经过一段时间δt移动后，开始移动位置和最终位置所连直线与巷道底板中轴线的夹角。2.如权利要求1所述的基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，其特征在于：安装红外热像仪的监测点位置包括采煤工作面液压支架上、采煤机上、采煤工作面进风巷中、采煤工作面回风巷中、掘进工作面的掘进巷道中、掘进机上、掘进巷道岔口一侧或两侧。3.如权利要求1所述的基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，其特征在于：安装红外热像仪的位置位于巷道顶部，或靠近巷道顶部，或高度大于2米；手动设定红外热像仪的焦距和曝光值，并关闭红外热像仪的自动对焦和自动白平衡功能。4.如权利要求1所述的基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，其特征在于：设定温度阈值t为150℃；设定速度阈值v
t
为13m/s；红外热像仪倾角为红外热像仪光轴与竖直向下方向的夹角。5.如权利要求1所述的基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，其特征在于：红外热像仪最佳倾角为下述约束条件中求得的α最大值：
其中，α为红外热像仪感知煤矿动力灾害时相对于竖直向下方向的前倾角度；θ
l
为红外热像仪沿巷道轴线方向的视场角；v为监视区域最远端的物体，在监视图像中经过一帧的时间δt1移动一个像素长度δs时对应的物体实际移动速度；h为红外热像仪安装位置距离巷道底板的高度；f为红外热像仪的焦距；δs为一个像素长度；δt1为经过一帧的时间；v
t
为设定的速度阈值。

技术总结

本发明公开了一种基于热红外图像的煤矿动力灾害感知报警方法，主要步骤包括：在煤矿井下监测点位置安装红外热像仪，确定红外热像仪最佳倾角，根据确定的红外热像仪最佳倾角作为参考来设置红外热像仪的设定倾角，利用红外热像仪监测监视区域内温度异常物体，当检测到温度异常物体时，利用红外热像仪监测识别温度异常物体的移动速度。本发明的煤矿动力灾害感知报警方法具有以更少的红外热像仪就能够实现灾害的大面积监测，并且也能够很好的实现监视区域温度异常物体移动速度识别的优点，能够仅仅通过控制红外热像仪前倾角度，就能有效地降低煤矿动力灾害监测成本，也降低了监测系统复杂程度。复杂程度。复杂程度。