基于智能视频识别技术的煤矿井下空顶作业告警应用研究

张广山，杨富强，彭 伟，付文俊

（1.昊华能源红庆梁煤矿，鄂尔多斯 010321；2.天地科技建井研究院，北京 100013）

1 空顶作业检测算法的原理与实现

通过“背景自我学习算法”对支护区域图像进行自我学习，从而找到空顶区域的危险边界，并自动动态标记此时的危险边界，结合人体特征识别算法，检测出人员经过，最终实现空顶作业危险识别检测。

其中对空顶边界的识别主要通过对锚杆和保护网的图像识别，从而得出空顶作业的距离范围，由于锚杆之间的距离和保护网的网格宽度是固定的，所以可以通过锚杆和保护网网格在前进方向上数量的变化得出已支护范围的距离，而距离之外则被定义为空顶区域，并结合煤矿使用的精确人员定位系统和人体视频识别系统，可得出是否有工作人员已进入到空顶区域，从而进行报警。

1.1 锚杆和网格数量的计算

首先利用色彩和梯度信息建立自适应的背景模型，并且利用背景减除方法提取运动区域，有效地消除了影子的影响；然后，跟踪过程在区域、边界、物体三个抽象级别上执行，区域可以合并和分离，而物体（锚杆和网格）是由许多部分区域在满足几何约束的条件下组成的，同时边界又是由单个的物体组成的，因此利用区域跟踪器并结合物体的表面灰度模型，在遮挡情况下也能够较好地完成多个对象的跟踪。采用自组织理论和Minkowsld不规则维度理论从图像纹理特征预测锚杆和网格密度，结合Harr小波变换（HWT）和支持向量机（SVM）进行行物体轮廓检测，从而达到锚杆和网格数量统计的目的。使用一种基于形状描述的快速弧形结构提取方法实现锚杆和网格检测。通过多尺度分析方法，根据灰度和空间上的相似性将目标分割为多个区域，每个区域由一个团块表示，团块包含了该区域所有像素的灰度均值、形状和位置，根据团块特征构造目标的外观模型，定义团块的匹配准则，通过团块匹配进行目标跟踪。[2]

从控制的观点来看，空顶（锚杆数量和网格数量）跟踪问题所面临的主要难点可以归结为对视觉跟踪算法在三个方面的要求，即对算法的鲁棒性、准确性和快速性。[3]

综合以上论述，在得到锚杆数量和网格数量后，基本可以确定摄像到前方空顶区域边界的距离，从而可得出空顶作业预警的边界范围。

1.2 人体智能视频识别

人体运动目标检测是在输入图像中确定运动人体的过程，是整个人体运动分析系统的第一部分，运动目标检测的目的是将运动人体部分从图像中提取出来，能否正确地分离运动人体是整个系统成败的关键。运动目标检测由运动物体分割和运动物体分类两部分组成。

运动物体的分割就是把图像中的运动部分，比如掘进机、行人等分离出来，因为只有运动的部分才是能够跟踪的部分。运动部分的分割常常受到光线变化、影子和遮挡等因素的影响。因此选用一种稳定可靠的分割方法是很重要的。常用的分割方法有以下两种。

（1）背景减法

在运动检测中，背景减法（Background Subtraction）是一种常用的技术，尤其是对于静态场景。它首先建立背景模型作为参考图像，通过将含有运动物体的图像与事先通过背景模型得到的背景图像相减得到运动部分。这种方案简单易行，但是极易受到光照等外部环境变化的影响，必须配合其他方法进行修正。

（2）统计方法

统计学方法是基于像素的统计特性从背景中提取运动信息。它首先计算背景像素的统计信息（颜色、灰度、边界等），使用个体的像素或一组像素的特征来建立一个较为高级的背景模型，而且背景的统计值可以动态地更新。通过对比当前背景模型的统计值，图像中每一个像素被分成前景或是背景，为每一个像素建立一个混合高斯模型，并且用在线估计对它进行更新，并且运用自适应混合模型的高斯分布来评估并决定该像素是前景还是背景，可以有效的处理光线变化和背景混乱，设计出了一整套可靠、实时性强的井下跟踪系统。通过计算每个像素点所具有的3个值：最小强度、最大强度和在训练期观测到的连续帧之间的最大强度差分值来描述每一个像素，背景模型参数可以周期性地更新。

经过中值滤波和数学形态学处理后得到的前景图像主要包含对应于运动者的活动区域和大面积的非人体活动区域，接下来从处理后的前景图像中找出运动者的准确位置。采用的投影宽高比分析，不同物体横向和纵向投影的宽高比是不同的（人体宽高比大约在0.24到0.36之间），所以就可以通过检测运动区域的投影来区别人体和非人体。所谓运动区域的投影就是将运动区域所对应的二值化图像投影到水平轴或垂直轴上，通过观察其中各个位置上的投影值的数量变化来分析运动区域的特征。当运动区域包含多个运动者时，可以进一步将前景区域分割成对应不同运动者的小区域。

综上所述，通过人体智能识别算法可以得出人体大致的活动范围。

2 井下空顶作业报警系统的实现

井下空顶作业预警系统由无线摄像机、机身固定支架、热点分站及天线和电源箱组成。无线摄像机负责将工作的情况回传，由调度人员监控，在系统中占最重要的地位。其余系统各部分都是对摄像机工作的保障。机身固定支架主要是将摄像机悬挂在预先定好的位置，热点分站及天线则是将网络信号覆盖至工作面，确保网络信号的稳定。电源箱则负责对于分站的供电。通过以上各部分组成系统，井上人员可以实时看到工作面情况，配合智能视频监控系统，实现对于井下空顶作业的预警。

3 红庆梁煤矿井下空顶作业报警系统的建设与应用

通过在红庆梁煤矿的301和302两个工作面安装无线摄像机组成视频监控系统得以实现。在胶运巷的破碎机上安装并固定无线摄像机的热点分站，通过分站相连接的棒状天线，使无线信号强度增加，在前方的工作面也可以接收到无线信号。距工作面前端16到17m处，在巷道的右侧壁约2.5-3m高处固定无线摄像机支架。支架由不锈钢焊接而成，上方设计有两个挂钩，便于固定在巷道侧壁的铁丝网上，将摄像机放入支架内，打开机身开关，便可连接预先设置好的WIFI网络，将画面信息上传至井上调度中心。调度中心电脑安装智能视频监控软件，当发生空顶作业，井上人员可通过智能视频识别系统得到报警信息，如果连采工作面确实出现空顶作业行为，可以及时作出相应处理。

红庆梁煤矿煤矿井下智能视频系统包括：空顶作业告警、超循环作业预警、皮带堆煤告警及危险区域告警等多种自动视频识别功能。系统投入使用以来，有效的监控了井下工作的不安全行为，基本杜绝了掘进工作面的超循环作业和空顶作业安全隐患，实现了预期的效果。