基于掩埋特征的煤矿动力灾害感知报警方法

1.本发明涉及一种基于掩埋特征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.煤炭是我国的主体能源，起到能源压舱石的重要作用。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、煤与瓦斯突出均为典型煤矿动力灾害，灾害发生时大量煤岩抛向采掘工作面和巷道空间，造成采掘工作面和巷道空间的物体被遮挡、覆盖或掩埋，一旦发生均有可能造成强烈破坏、人员伤亡与财产损失。目前，能够实现基于速度、加速度、温度、深度、颜色、亮度等特征来进行煤矿动力灾害的感知报警，但热红外图像和深度图像分别率相对较低，信息较为单一，而彩色图像相对分辨率高、信息丰富，有利于捕捉细节信息。除此之外，煤矿井下掘进工作面的悬臂式掘进机、连续采煤机、液压锚杆钻车、履带式转载破碎机、锚杆转载机组、掘锚机、梭车、皮带输送机、风筒，采煤工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、转辙机、破碎机，以及平巷的移动变电站，都与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异，可以上述设备为背景来进行灾害抛出煤岩颜色和掩埋特征的识别。
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以及煤矿井下环境特征，本发明实现了一种基于掩埋特征的煤矿动力灾害感知报警方法，在利用彩色图像感知煤矿动力灾害过程中，通过监测监视区域内的彩色图像来感知大量煤岩抛向巷道空间的颜色和掩埋特征，提供了简单鲜明的大量抛出煤岩信息，具有成本低、非接触、监测范围广、信息丰富、处理速度快和稳定可靠的优点。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景，利用彩色摄像机监测监视区域的颜色变化、亮度和掩埋特征，以实现基于掩埋特征的煤矿冲击地压、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：
7.1.一种基于掩埋特征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，煤矿动力灾害发生时会出现掩埋异常特征，掩埋异常特征包括：采掘工作面和巷道空间的颜色异常，颜色异常区域面积变化异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，颜色异常区域数量变化异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，颜色异常区域形状变化异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，并且掩埋位置异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，并且掩埋方向异常；
8.感知报警方法包括以下步骤：
9.步骤1：在煤矿井下监测点位置安装彩色摄像机和甲烷传感器；
10.步骤2：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现掩埋异常特征；
11.步骤3：循环步骤2，当彩色视频图像出现掩埋异常特征，则进行彩色视频图像平均亮度识别；
12.步骤4：当彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值，则获取彩色摄像机监视区域的甲烷浓度数据，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警；
13.步骤5：当彩色摄像机监视区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号；当彩色摄像机监视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。
14.进一步地，安装彩色摄像机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；安装彩色摄像机的位置位于巷道顶部，或靠近巷道顶部，或高度大于2米；手动设定彩色摄像机的焦距和曝光值，并关闭彩色摄像机的自动对焦和自动白平衡功能；安装彩色摄像机的位置包括掘进巷道顶板、掘进巷道两帮靠近顶板、采煤工作面液压支架顶部、采煤工作面液压支架液压立柱侧靠近顶板、平巷的巷道顶板、平巷的巷道两帮靠近顶板。
15.进一步地，背景设备包括：掘进工作面的悬臂式掘进机、连续采煤机、液压锚杆钻车、履带式转载破碎机、锚杆转载机组、掘锚机、梭车、皮带输送机、风筒；采煤工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、转辙机、破碎机；平巷的移动变电站。
16.进一步地，掩埋异常特征包括：采掘工作面和巷道空间的颜色异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色颜色变化异常；颜色异常区域面积变化异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域面积变化异常；颜色异常区域数量变化异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域数量变化异常；颜色异常区域形状变化异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域形状变化异常；掩埋位置异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化位置异常；掩埋方向异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化方向异常。
17.进一步地，掩埋异常特征包括：彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域面积变化异常包括非黑色区域面积减少异常，非黑色区域面积减少速度、加速度异常；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域数量变化异常包括非黑色区域数量减少异常，非黑色区域数量减少速度、加速度异常；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域形状变化异常包括非黑色区域轮廓的圆形度、矩形度和面积周长比变化异常，非黑色区域轮廓的圆形度、矩形度和面积周长比变化的速度、加速度异常；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化位置异常包括煤矿井下人员、液压支架顶部以及靠近顶部位置被煤岩掩埋；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化方向异常包括煤矿井下煤岩运动方向与煤矿井下落煤或煤岩运输固定方向有明显差别或完全相反。
18.进一步地，基于hsv颜色模型来图像分割出彩色图像的黑色区域；通过监测彩色图像的黑色区域是否增加，来监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像颜色发生较大变化；通过利用vibe算法识别彩色图像的黑色区域发生变化面积是否出现较大增加，如果出现较大增加，说明出现彩色图像的黑色区域发生较大变化；通过监测监视区域内彩色图像的hsv
颜色模型中平均明度的大小，来监测识别是否出现彩色图像平均亮度小于设定的亮度阈值；利用背景设备的颜色特征来分割图像，提取监视区域内背景设备被掩埋前后的轮廓，以进一步计算轮廓周长、面积、圆形度、矩形度和面积周长比。
附图说明
19.图1本发明的基于颜色及其图形面积变化特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图；
20.图2本发明的基于颜色及其图形数量变化特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图；
21.图3本发明的基于颜色及其图形形状变化特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图；
22.图4本发明的基于颜色及其掩埋位置异常特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图；
23.图5本发明的基于颜色及其掩埋方向异常特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图。
具体实施方式
24.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。
25.如图1所示基于颜色及其图形面积变化特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图，包括：
26.1.初始化(101)：在矿井下重点监视区域安装彩色摄像机，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。
27.2.监视区域设置(102)：以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为主要背景，对彩色摄像机的监视区域进行设置。
28.3.监测识别彩色图像中非黑色面积变化(103)：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像中非黑色面积变化。
29.4.面积减少大于设定面积阈值(104)：当监测到监视区域彩色图像非黑色面积减少大于设定面积阈值，那么进行非黑色面积减少速度和减少加速度识别(105)，否则返回执行(103)。
30.5.监测识别非黑色面积的减少速度和加速度(105)：当监测到监视区域彩色图像非黑色面积减少大于设定面积阈值，则进行非黑色面积的减少速度和加速度监测识别。
31.6.减少速度大于设定速度阈值(106)：当非黑色面积的减少速度大于设定速度阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(108)，否则返回执行(103)。
32.7.减少加速度大于设定加速度阈值(107)：当非黑色面积的减少加速度大于设定加速度阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(108)，否则返回执行(103)。
33.8.监测识别图像平均亮度(108)：当非黑色面积的减少速度大于设定速度阈值，或
非黑色面积的减少加速度大于设定加速度阈值，说明出现煤矿动力灾害发生时的颜色及其图形面积变化特征，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别。
34.9.平均亮度小于设定阈值(109)：当彩色图像平均亮度小于设定平均亮度阈值，那么说明图像颜色发生较大变化区域的平均亮度小于瓦斯和煤尘爆炸平均亮度，没有出现亮度异常情况，排除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，那么进行判断甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警(111)。
35.10.甲烷浓度迅速升高或达到报警值(110)：获取彩色摄像机附近区域的甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，以辨识是冲击地压还是煤与瓦斯突出。
36.11.瓦斯和煤尘爆炸报警(111)：当平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警。
37.12.煤与瓦斯突出报警(112)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色面积减少大于设定面积阈值，并且彩色图像的非黑色面积减少速度大于设定速度阈值，或彩色图像的非黑色面积减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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。
38.13.冲击地压报警(113)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色面积减少大于设定面积阈值，并且彩色图像的非黑色面积减少速度大于设定速度阈值，或彩色图像的非黑色面积减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警。
39.如图2所示基于颜色及其图形数量变化特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图，包括：
40.1.初始化(201)：在矿井下重点监视区域安装彩色摄像机，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。
41.2.监视区域设置(202)：以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为主要背景，对彩色摄像机的监视区域进行设置。
42.3.监测识别彩色图像中非黑色图形数量变化(203)：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像中非黑色图形数量变化。
43.4.数量减少大于设定数量阈值(204)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形数量减少大于设定数量阈值，那么进行非黑色图形数量减少速度和减少加速度识别(205)，否则返回执行(203)。
44.5.监测识别非黑色图形数量的减少速度和减少加速度(205)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形数量减少大于设定数量阈值，则进行非黑色图形数量的减少速度和加速度监测识别。
45.6.减少速度大于设定速度阈值(206)：当非黑色图形数量的减少速度大于设定速度阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(208)，否则返回执行(203)。
46.7.减少加速度大于设定加速度阈值(207)：当非黑色图形数量的减少加速度大于设定加速度阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(208)，否则返回执行
(203)。
47.8.监测识别图像平均亮度(208)：当非黑色图形数量的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形数量的减少加速度大于设定加速度阈值，说明出现煤矿动力灾害发生时的颜色及其图形数量变化特征，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别。
48.9.平均亮度小于设定阈值(209)：当彩色图像平均亮度小于设定平均亮度阈值，那么说明图像颜色发生较大变化区域的平均亮度小于瓦斯和煤尘爆炸平均亮度，没有出现亮度异常情况，排除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，那么进行判断甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警(211)。
49.10.甲烷浓度迅速升高或达到报警值(210)：获取彩色摄像机附近区域的甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，以辨识是冲击地压还是煤与瓦斯突出。
50.11.瓦斯和煤尘爆炸报警(211)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形数量减少大于设定数量阈值，并且彩色图像的非黑色图形数量减少速度大于设定速度阈值，或彩色图像的非黑色图形数量减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警。
51.12.煤与瓦斯突出报警(212)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形数量减少大于设定数量阈值，并且彩色图像的非黑色图形数量减少速度大于设定速度阈值，或彩色图像的非黑色图形数量减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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。
52.13.冲击地压报警(213)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形数量减少大于设定数量阈值，并且彩色图像的非黑色图形数量减少速度大于设定速度阈值，或彩色图像的非黑色图形数量减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警。
53.如图3所示基于颜色及其图形形状变化特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图，包括：
54.1.初始化(301)：在矿井下重点监视区域安装彩色摄像机，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。
55.2.监视区域设置(302)：以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为主要背景，对彩色摄像机的监视区域进行设置。
56.3.监测识别彩色图像中非黑色图形形状变化(303)：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像中非黑色图形形状变化。
57.4.面积周长比小于设定阈值(304)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形面积周长比小于设定阈值，那么进行非黑色图形面积周长比减少速度和减少加速度识别(307)，否则返回执行(303)。
58.5.矩形度小于设定阈值(305)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形矩形度小
于设定阈值，那么进行非黑色图形矩形度减少速度和减少加速度识别(307)，否则返回执行(303)。
59.6.圆形度小于设定阈值(306)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形圆形度小于设定阈值，那么进行非黑色图形圆形度减少速度和减少加速度识别(307)，否则返回执行(303)。
60.7.监测识别非黑色图形对应特征的减少速度和减少加速度(307)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形面积周长比小于设定阈值、或非黑色图形矩形度小于设定阈值、或非黑色图形圆形度小于设定阈值，则进行非黑色图形对应特征的减少速度和减少加速度监测识别。
61.8.减少速度大于设定速度阈值(308)：当非黑色图形面积周长比的减少速度大于设定速度阈值、或非黑色图形矩形度的减少速度大于设定速度阈值、或非黑色图形圆形度的减少速度大于设定速度阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(310)，否则返回执行(303)。
62.9.减少加速度大于设定加速度阈值(309)：当非黑色图形面积周长比的减少加速度大于设定加速度阈值、或非黑色图形矩形度的减少加速度大于设定加速度阈值、或非黑色图形圆形度的减少加速度大于设定加速度阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(310)，否则返回执行(303)。
63.10.监测识别图像平均亮度(310)：当非黑色图形面积周长比的减少速度大于设定速度阈值、或非黑色图形矩形度的减少速度大于设定速度阈值、或非黑色图形圆形度的减少速度大于设定速度阈值、或非黑色图形面积周长比的减少加速度大于设定加速度阈值、或非黑色图形矩形度的减少加速度大于设定加速度阈值、或非黑色图形圆形度的减少加速度大于设定加速度阈值，说明出现煤矿动力灾害发生时的颜色及其图形形状变化特征，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别。
64.11.平均亮度小于设定阈值(311)：当彩色图像平均亮度小于设定平均亮度阈值，那么说明彩色图像形状异常变化区域的平均亮度小于瓦斯和煤尘爆炸平均亮度，没有出现亮度异常情况，排除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，那么进行判断甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警(313)。
65.12.甲烷浓度迅速升高或达到报警值(312)：获取彩色摄像机附近区域的甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，以辨识是冲击地压还是煤与瓦斯突出。
66.13.瓦斯和煤尘爆炸报警(313)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形面积周长比小于设定阈值，并且非黑色图形面积周长比的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形面积周长比的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警；当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形矩形度比小于设定阈值，并且非黑色图形矩形度的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形矩形度的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警；当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形圆形度小于设定阈值，并且非黑色图形圆形度的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形圆形度的减少加速度大于设定加速度阈
值，与此同时彩色视频图像平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警。
67.14.煤与瓦斯突出报警(314)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形面积周长比小于设定阈值，并且非黑色图形面积周长比的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形面积周长比的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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；当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形矩形度比小于设定阈值，并且非黑色图形矩形度的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形矩形度的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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；当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形圆形度小于设定阈值，并且非黑色图形圆形度的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形圆形度的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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。
68.15.冲击地压报警(315)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形面积周长比小于设定阈值，并且非黑色图形面积周长比的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形面积周长比的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警；当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形矩形度比小于设定阈值，并且非黑色图形矩形度的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形矩形度的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警；当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形圆形度小于设定阈值，并且非黑色图形圆形度的减少速度大于设定速度阈值，或非黑色图形圆形度的减少加速度大于设定加速度阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警。
69.如图4所示基于颜色及其掩埋位置异常特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图，包括：
70.1.初始化(401)：在矿井下重点监视区域安装彩色摄像机，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。
71.2.监视区域设置(402)：以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为主要背景，对彩色摄像机的监视区域进行设置，设置彩色摄像机监视区域为煤矿井下人员工作区域、液压支架顶部区域以及靠近顶部区域。
72.3.监测识别彩色图像中非黑色面积变化(403)：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像中非黑色面积变化。
73.4.面积减少大于设定面积阈值(404)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形面积减少大于设定面积阈值，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(405)，否则返回
执行(403)。
74.5.监测识别图像平均亮度(405)：当非黑色图形面积减少大于设定面积阈值，说明出现煤矿动力灾害发生时的颜色及其掩埋位置异常特征，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别。
75.6.平均亮度小于设定阈值(406)：当彩色图像平均亮度小于设定平均亮度阈值，那么说明图像颜色发生较大变化区域的平均亮度小于瓦斯和煤尘爆炸平均亮度，没有出现亮度异常情况，排除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，那么进行判断甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警(408)。
76.7.甲烷浓度迅速升高或达到报警值(407)：获取彩色摄像机附近区域的甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，以辨识是冲击地压还是煤与瓦斯突出。
77.8.瓦斯和煤尘爆炸报警(408)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形面积减少大于设定面积阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警。
78.9.煤与瓦斯突出报警(409)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形面积减少大于设定面积阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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。
79.10.冲击地压报警(410)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色图形面积减少大于设定面积阈值，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警。
80.如图5所示基于颜色及其掩埋方向异常特征的煤矿动力灾害感知报警方法流程图，包括：
81.1.初始化(501)：在矿井下重点监视区域安装彩色摄像机，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。
82.2.监视区域设置(502)：以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为主要背景，对彩色摄像机的监视区域进行设置。
83.3.监测识别彩色图像中非黑色面积变化(503)：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像中非黑色面积变化。
84.4.面积减少大于设定面积阈值(504)：当监测到监视区域彩色图像非黑色图形面积减少大于设定面积阈值，那么进行监视区域彩色图像中非黑色变化方向监测识别。
85.5.监测识别彩色图像中非黑色变化方向(505)：正常工况下，煤矿井下会沿固定的方向落煤或煤岩运输等，当出现煤岩运动方向与煤矿井下落煤或煤岩运输等固定方向有明显差别或完全相反，那么说明非黑色变化方向异常。
86.6.非黑色变化方向异常(506)：当监测到监视区域彩色图像中非黑色变化方向与煤矿井下落煤或煤岩运输等固定方向有明显差别或完全相反，说明非黑色变化方向异常，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别(507)，否则返回执行(503)。
87.7.监测识别图像平均亮度(507)：当非黑色变化方向异常，说明出现煤矿动力灾害发生时的颜色及其掩埋方向异常特征，那么进行监视区域彩色图像平均亮度监测识别。
88.8.平均亮度小于设定阈值(508)：当彩色图像平均亮度小于设定平均亮度阈值，那么说明图像非黑色变化方向异常区域的平均亮度小于瓦斯和煤尘爆炸平均亮度，没有出现亮度异常情况，排除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，那么进行判断甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警(510)。
89.9.甲烷浓度迅速升高或达到报警值(509)：获取彩色摄像机附近区域的甲烷浓度是否迅速升高或达到报警值，以辨识是冲击地压还是煤与瓦斯突出。
90.10.瓦斯和煤尘爆炸报警(510)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色变化方向异常，与此同时彩色视频图像平均亮度大于等于设定平均亮度阈值，那么说明出现亮度异常情况，那么直接进行瓦斯和煤尘爆炸报警。
91.11.煤与瓦斯突出报警(511)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色变化方向异常，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机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。
92.12.冲击地压报警(512)：当彩色摄像机监测到监视区域内出现彩色图像的非黑色变化方向异常，与此同时彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值、彩色摄像机附近区域的甲烷浓度正常，那么进行冲击地压报警。

技术特征：
1.一种基于掩埋特征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，煤矿动力灾害发生时会出现掩埋异常特征，掩埋异常特征包括：采掘工作面和巷道空间的颜色异常，颜色异常区域面积变化异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，颜色异常区域数量变化异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，颜色异常区域形状变化异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，并且掩埋位置异常；采掘工作面和巷道空间的颜色异常，并且掩埋方向异常；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彩色摄像机和甲烷传感器；步骤2：采集监视区域内的彩色视频图像，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，监测识别彩色视频图像是否出现掩埋异常特征；步骤3：循环步骤2，当彩色视频图像出现掩埋异常特征，则进行彩色视频图像平均亮度识别；步骤4：当彩色视频图像平均亮度小于设定的亮度阈值，则获取彩色摄像机监视区域的甲烷浓度数据，否则进行瓦斯和煤尘爆炸报警；步骤5：当彩色摄像机监视区域的甲烷浓度正常，则发出冲击地压报警信号；当彩色摄像机监视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。2.如权利要求1所述的感知报警方法，其特征在于：安装彩色摄像机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；安装彩色摄像机的位置位于巷道顶部，或靠近巷道顶部，或高度大于2米；手动设定彩色摄像机的焦距和曝光值，并关闭彩色摄像机的自动对焦和自动白平衡功能；安装彩色摄像机的位置包括掘进巷道顶板、掘进巷道两帮靠近顶板、采煤工作面液压支架顶部、采煤工作面液压支架液压立柱侧靠近顶板、平巷的巷道顶板、平巷的巷道两帮靠近顶板。3.如权利要求1所述的感知报警方法，其特征在于：背景设备包括：掘进工作面的悬臂式掘进机、连续采煤机、液压锚杆钻车、履带式转载破碎机、锚杆转载机组、掘锚机、梭车、皮带输送机、风筒；采煤工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、转辙机、破碎机；平巷的移动变电站。4.如权利要求1所述的感知报警方法，其特征在于：掩埋异常特征包括：采掘工作面和巷道空间的颜色异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色颜色变化异常；颜色异常区域面积变化异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域面积变化异常；颜色异常区域数量变化异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域数量变化异常；颜色异常区域形状变化异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域形状变化异常；掩埋位置异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化位置异常；掩埋方向异常包括彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化方向异常。5.如权利要求1所述的感知报警方法，其特征在于：掩埋异常特征包括：彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域面积变化异常包括非黑色区域面积减少异常，非黑色区域面积减少速度、加速度异常；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域数量变化异常包括非黑色区域数量减少异常，非黑色区域数量减少速度、加速度异常；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域形状变化异常包括非黑色区域轮廓的圆形度、矩形度和面积周长比变
化异常，非黑色区域轮廓的圆形度、矩形度和面积周长比变化的速度、加速度异常；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化位置异常包括煤矿井下人员、液压支架顶部以及靠近顶部位置被煤岩掩埋；彩色摄像机监视区域彩色图像中非黑色区域颜色变化方向异常包括煤矿井下煤岩运动方向与煤矿井下落煤或煤岩运输固定方向有明显差别或完全相反。6.如权利要求1所述的感知报警方法，其特征在于：基于hsv颜色模型来图像分割出彩色图像的黑色区域；通过监测彩色图像的黑色区域是否增加，来监测识别彩色视频图像是否出现彩色图像颜色发生较大变化；通过利用vibe算法识别彩色图像的黑色区域发生变化面积是否出现较大增加，如果出现较大增加，说明出现彩色图像的黑色区域发生较大变化；通过监测监视区域内彩色图像的hsv颜色模型中平均明度的大小，来监测识别是否出现彩色图像平均亮度小于设定的亮度阈值；利用背景设备的颜色特征来分割图像，提取监视区域内背景设备被掩埋前后的轮廓，以进一步计算轮廓周长、面积、圆形度、矩形度和面积周长比。

技术总结
本发明公开了一种基于掩埋特征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彩色摄像机，以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差异的设备为背景设备，当监测识别彩色视频图像出现颜色异常区域面积变化异常、或颜色异常区域数量变化异常、或颜色异常区域形状变化异常、或颜色异常区域掩埋位置异常、或颜色异常区域掩埋方向异常的掩埋异常特征，以及彩色图像的平均亮度小于设定的亮度阈值，则获取彩色摄像机附近区域的甲烷浓度数据，当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，反之，则发出冲击地压报警信号。冲击地压报警信号。冲击地压报警信号。


技术研发人员：孙继平 程继杰
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/26