一種煤礦井下工作麵粉塵濃度的監測及測量方法
2023-06-06 06:16:01 1
專利名稱：一種煤礦井下工作麵粉塵濃度的監測及測量方法
技術領域：
本發明涉及煤礦監測及測量粉塵濃度的方法。特別是特大型礦井綜採、綜掘工作面、巷道粉塵分布監測及運動規律監測的方法。
背景技術：
伴隨著高效綜採裝備不斷升級，開採技術和工藝不斷完善。特大型礦井作業點隨著機械化程度的提高，工作麵粉塵的生成量也大大增大。煤塵的時域及空域分布規律相當複雜。雖然己有多種降除塵技術和措施，對粉塵的防治起到一定作用，但由於對特大型礦井綜採、綜掘工作面、巷道風流分布和粉塵分布情況認識模糊缺乏定量分析，各種除塵技術和設備都未能達到預期的降塵效果，不能適應日益複雜的工作點防塵需要，成為高效安全生產的瓶頸。研究採煤工作面的粉塵分布規律，對於採取相應的防塵措施具有重要的指導意義。掌握採煤工作麵粉塵的分布、運動規律，就能夠針對不同的環境採用合適的除塵方法， 降低工作面的粉塵濃度，完善綜合防塵措施。從上述國內的發展情況來看，我國目前現有的各類粉塵監測儀器和手段中，各煤礦日前普遍使用的都是粉塵採樣器，並被列入我國粉塵排放測試方法國家標準，其餘各種方法的儀器目前在這方面還停留在比較落後的水平上。粉塵採樣器的優點是測量精度較高，理論上能達到士 10%，但其缺點也較多，如影響測量精度的因素較多、佔用房間和設備較多、採樣時間較長、操作程序繁雜、儀器維修量大、花費成本較高等等。國內各煤礦井下粉塵檢測點很多，一般都在100個左右，而按照有關規定，每個測塵點每月要測塵兩次，測塵採樣、稱重、計算等一系列工作相當繁瑣。粉塵採樣器測塵方法，遠遠滿足不了測塵工作的需要。難以滿足日益增長的環境保護和安全生產在線監測的要求。
發明內容
為了克服上述不足，本發明利用煤礦井下現有的井下視頻監視系統、粉塵分散度測量系統，提出基於暗原色先驗原理對特大型礦井粉塵分布及運動規律監測方法。依據暗原色先驗原理，對現有視頻監視系統的圖像進行處理得到透射率，基於構建的粉塵環境下的圖像退化模型，計算粉塵質量濃度，其動態數據結合初始數據形成原位測量，獲得粉塵的分布及運動規律。暗原色先驗理論是由何愷明(He Kaiming)等人於2009年基於對大量室外無霧圖像的統計分析而得到的一種物理規律，即在無霧圖像的絕大部分局部圖像塊內存在這樣的一些像素，它們至少在一個顏色通道內的灰度值非常小，被稱為暗原色。暗元色源於陰影、 彩色物體和黑暗的物體表面。本發明基於上述暗原色先驗原理對視頻監視系統實時採集獲取的工作麵粉塵環境下的退化圖進行處理，在井下粉塵環境中，粉塵能以固體微粒形式在空氣中懸浮一段時間，是一種氣溶膠(即粉塵的表面附著水分子)。對入射光線產生散射與吸收作用，那些平時暗的像素會變亮，從而弱化了圖像的色彩及對比度，引起圖像退化，通過這些暗像素的變化情況即可直接得到粉塵環境下的光傳輸量，構建的粉塵環境下的圖像退化依據一級多次散射近似法和輻射傳輸理論建立的透射率、消光係數、輻射長度、粉塵相函數構成的計算方程，獲得到圖像中各個像素點處對應的透射率，得不同區域的粉塵濃度。最終實現煤礦井下工作麵粉塵濃度的監測及測量。本發明實現發明目的採用的技術方案是，實現該方法包括煤礦井下視頻監視系統、測量工作面與視頻監視系統中攝像頭距離測量系統和粉塵分散度測量系統，該方法由以下步驟實現
⑴、對視頻監視系統實時採集獲取的工作麵粉塵環境下的退化圖像劃分為一組面積相同的方塊區域，設置每個方塊區域具有相同的深度，透射率在每個方塊區域內為一常量，每個方塊區域的相函數取近似常量，對每個方塊區域的像素塊R G B三通道同時取最小化操作，得具有塊效應的粗略傳輸⑵、對步驟⑴獲取的粗糙傳輸圖進行精細化處理。所述的精細化處理是採用對由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數構成的方程進行能量最小化處理，實現對粗糙傳輸圖進行細化，其中拉普拉斯修補矩陣由克羅內克函數及待修復傳輸圖窗口的均值、協方差矩陣構成，經過修補之後的粗糙傳輸圖，可精確反應粉塵環境中空氣光的傳輸過程，得到圖像中各個像素點處對應的透射率；
(3)、按Vander Hulst近似計算出吸收因子和散射因子，通過粉塵分散度測量系統測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar )分布的微粒分布函數和吸收因子，利用吸收係數積分方程計算出吸收係數，通過粉塵分散度測量系統測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar) 分布的微粒分布函數和散射因子，利用散射係數積分方程計算出散射係數，吸收係數與散射係數之和得粉塵的質量消光係數或利用吸收因子和散射因子之和得消光因子，通過粉塵分散度測量系統測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar)分布的微粒分布函數和消光因子，利用消光係數積分方程計算出消光係數；
⑷、距離測量系統測得視頻監視系統實時採集獲取的工作麵粉塵環境下的退化圖像的深度，得輻射通道長度；
(5)、根據步驟⑵得到的圖像中各個像素點處對應的透射率、步驟⑶得到的消光係數和步驟⑷得到的輻射長度即可計算出就可以得出粉塵質量濃度，獲得的視頻監視系統實時採集獲取的工作面監測區域的粉塵濃度變化過程，各個時刻信息其動態變化數據與初始靜態數據結合起來形成原位測量，從而獲得粉塵分布及運動規律，所述的粉塵質量濃度計算方法為依據一級多次散射近似法和輻射傳輸理論建立的透射率、消光係數、輻射長度、粉塵相函數構成的計算方程獲得。本發明的有益效果是，測量迅速，滿足實時動態測量要求。本發明的粉塵濃度測量過程只是對視頻監控設施採集的待測量區域圖像進行相應的計算依據構建粉塵環境下的圖像退化模型確定透射率、質量消光係數、輻射通道長度(可用普通長度測量工具獲得或三維掃描設備獲取)都確定後，得出粉塵質量濃度。整個計算過程在視頻監控伺服器上每秒可完成數次。監測數據完備、監測區域廣，能夠獲得監測區域粉塵的分布及運動變化規律。空域監測方面，能夠完全獲得視頻監控系統能夠監測的區域的粉塵濃度信息產生監測區域完整的粉塵濃度分布數據。時域監測方面，本發明能夠獲得監測區域的粉塵濃度變化過程各個時刻信息，其動態變化數據與初始靜態數據結合起來形成原位測量。從而獲得分布及運動規律，以便採用合適的除塵方法，降低工作面的粉塵濃度，完善綜合防塵措施，克服現有傳感器試驗測試的空域抽樣缺陷。監測實施方便，自動化程度高，成本低。由於基於視頻監控系統獲得的數據故實施本項目監測方法，不需添加設備，實施便捷，只需在視頻伺服器或監控系統的伺服器上安裝相應的測量軟體，成本較低。實現監測數據的數位化、可視化，獲得人性化、直觀的人機互動方式。能夠實現自動、連續操作以及數據的自動記錄和傳輸的需要，克服現有傳感器體積龐大，不便實施，價格昂貴的弊端。下面結合附圖對本發明進行詳細描述。
附圖為粉塵環境下的退化圖像，基於暗原色先驗原理，由透射率、消光係數、輻射長度和粉塵相函數獲得粉塵質量濃度、粉塵分布及運動規律流程圖。
具體實施方式
參看附圖
實現該方法包括煤礦井下視頻監視系統、測量工作面與視頻監視系統中攝像頭距離測量系統和粉塵分散度測量系統，該方法由以下步驟實現
(1)、對視頻監視系統實時採集獲取的工作麵粉塵環境下的退化圖像劃分為一組面積相同的方塊區域，設置每個方塊區域具有相同的深度，透射率在每個方塊區域內為一常量，每個方塊區域的相函數取近似常量，對每個方塊區域的像素塊R G B三通道同時取最小化操作，得具有塊效應的粗略傳輸⑵、對步驟⑴獲取的粗糙傳輸圖進行精細化處理。所述的精細化處理是採用對由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數構成的方程進行能量最小化處理，實現對粗糙傳輸圖進行細化，其中拉普拉斯修補矩陣由克羅內克函數及待修復傳輸圖窗口的均值、協方差矩陣構成，經過修補之後的粗糙傳輸圖，可精確反應粉塵環境中空氣光的傳輸過程，得到圖像中各個像素點處對應的透射率。該步驟的實現，完全基於暗原色先驗理論獲得。首先假設粉塵環境下的退化圖像局部方塊區域，具有相同的深度，透射率在一個方塊區域內為常量，相函數也近似為常數， 即對每個方塊區域退化模型是一致的，對每個像素塊(每個方塊區域)RGB三通道同時取最小化操作，得到具有明顯的塊效應的粗略傳輸圖。其次，為了有效細化透射率，通過最小化由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數構成的能量方程對粗糙的傳輸圖進行細化。經過細化之後的傳輸圖，能夠精確反應粉塵環境中空氣光的傳輸過程，進而得到圖像中各個像素點處對應的透射率。通過統計表明，暗元色源於陰影、彩色物體、黑暗的物體表面.在粉塵環境中由於空氣光的存在，那些平時暗的像素會變亮，通過這些暗像素可直接得到粉塵環境下的光傳輸量，這就是暗元色先驗的圖像恢復原理，暗元色可用下式描述
1S χ)= rn in (m inC^〔>，))) -^0(8)
式中指原圖像中暗元色光強；K指原圖像中色彩通道光強；指以像素坐標X 為中心的一個小區域。假設傳輸量在一個小區域內為常量，相函數ρ也近似為常數，將監控系統圖像在區域與色彩通道中求最小值得
權利要求
1. 一種煤礦井下工作麵粉塵濃度的監測及測量方法，實現該方法包括煤礦井下視頻監視系統、測量工作面與視頻監視系統中攝像頭距離測量系統和粉塵分散度測量系統，其特徵在於該方法由以下步驟實現(1)、對視頻監視系統實時採集獲取的工作麵粉塵環境下的退化圖像劃分為一組面積相同的方塊區域，設置每個方塊區域具有相同的深度，透射率在每個方塊區域內為一常量，每個方塊區域的相函數取近似常量，對每個方塊區域的像素塊R G B三通道同時取最小化操作，得具有塊效應的粗略傳輸圖；⑵、對步驟⑴獲取的粗糙傳輸圖進行精細化處理，所述的精細化處理是採用對由粗糙傳輸圖，拉普拉斯修補矩陣，單位矩陣，歸一化參數構成的方程進行能量最小化處理，實現對粗糙傳輸圖進行細化，其中拉普拉斯修補矩陣由克羅內克函數及待修復傳輸圖窗口的均值、協方差矩陣構成，經過修補之後的粗糙傳輸圖，可精確反應粉塵環境中空氣光的傳輸過程，得到圖像中各個像素點處對應的透射率；(3)、按Vander Hulst近似計算出吸收因子和散射因子，通過粉塵分散度測量系統測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar)分布的微粒分布函數和吸收因子，利用吸收係數積分方程計算出吸收係數，通過粉塵分散度測量系統測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar) 分布的微粒分布函數和散射因子，利用散射係數積分方程計算出散射係數，吸收係數與散射係數之和得粉塵的質量消光係數或利用吸收因子和散射因子之和得消光因子，通過粉塵分散度測量系統測得的按羅森一拉姆勒(Rosion-Rammar)分布的微粒分布函數和消光因子，利用消光係數積分方程計算出消光係數；⑷、距離測量系統測得視頻監視系統實時採集獲取的工作麵粉塵環境下的退化圖像的深度，得輻射通道長度；(5)、根據步驟⑵得到的圖像中各個像素點處對應的透射率、步驟⑶得到的消光係數和步驟⑷得到的輻射長度即可計算出就可以得出粉塵質量濃度，獲得的視頻監視系統實時採集獲取的工作面監測區域的粉塵濃度變化過程，各個時刻信息其動態變化數據與初始靜態數據結合起來形成原位測量，從而獲得粉塵分布及運動規律，所述的粉塵質量濃度計算方法為依據一級多次散射近似法和輻射傳輸理論建立的透射率、消光係數、輻射長度、粉塵相函數構成的計算方程獲得。
全文摘要
一種煤礦井下工作麵粉塵濃度的監測及測量方法，解決現有粉塵採樣速度慢，而且採用複雜，不能滿足安全生產在線監測的要求。採用的監測及測量方法是⑴依據工作麵粉塵環境下的退化圖像，得具有塊效應的粗略傳輸圖。⑵對粗糙傳輸圖進行精細化處理，得圖像中各個像素點處對應的透射率。⑶計算出吸收因子和散射因子，計算出吸收係數和散射係數，計算出消光係數。⑷測得輻射通道長度。⑸根據透射率、消光係數和輻射長度得出粉塵質量濃度及粉塵濃度變化過程。本發明的有益效果是，測量迅速，滿足實時動態測量要求，為煤礦井下採取相應的防塵措施具有重要意義。掌握採煤工作麵粉塵的分布、運動規律，就能夠針對不同的環境採用合適的除塵方法。
文檔編號G01N15/06GK102353622SQ201110182879
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者劉丹丹, 湯春瑞, 趙燦 申請人:黑龍江科技學院