煤礦無人工作面中視頻監控系統的研究

何 芳，王俊娟

（1.山西職工醫學院，山西 太原 030012；2.聞喜縣西官莊中學，山西 聞喜 043800）

煤礦無人工作面中視頻監控系統的研究

何 芳1，王俊娟2

（1.山西職工醫學院，山西 太原 030012；2.聞喜縣西官莊中學，山西 聞喜 043800）

文章對無人工作視頻監控系統進行了深入的、全面的分析與研究，并根據井下無人工作面的實際情況和需求對工作面視頻監控系統進行了設計。

無人工作面；視頻監控

在煤礦安全生產綜合監控系統中，煤礦監控系統是其非常重要的一個組成部分。當前，煤礦監控系統分為井下監控和井上監控兩大類。煤礦井下作業因為其離地面遠，地形復雜多變，環境惡劣，而經常引發事故，造成重大財產損失。利用遠程視頻監控系統，地面調度室工作人可以直接對井下情況進行實時監控，能直觀地記錄和監視井下工作現場的生產和安全狀況，還能及時發現事故隱患、及時處理，得到事后分析事故的第一手影像資料，為今后的安全生產提供保障。目前，網絡技術的迅速發展已經滲透到了各個領域，基于TCP/IP協議的網絡視頻監控系統在各行各業中得到廣泛應用。網絡遠程視頻監控系統就是其應用的一個重要方面。因此，將現代網絡遠程視頻監控系統引入煤礦監控系統中是一種很有效的方法。

1 工作面視頻監控的條件

井下工作面環境相對巷道視頻監測要困難和復雜的多。大型設備較多，并且在不斷向前推移，給設備布線增加了很大的難度，電磁干擾較多；粉塵多、水霧大，使得監測效果不是很理想。根據煤礦監控系統建設的要求和國家有關法規，煤礦監控系統的建設方案要具有以下條件：

（1）布線簡單、安裝方便、損害率低。

（2）開放性原則：設計的現場總線結構是開放性系統，實現與未來設備的更多互連和互操作，且能方便地融于城市信息網絡中。

（3）先進性：煤礦監控系統應盡量采用先進技術產品設備，只有采用先進技術設備，才能保證系統的先進性。

（4）可靠性：系統的可靠性是第一位的，在方案設計中必須充分考慮系統的安全，依照安全國家標準采取安全管理措施，保證監控系統安全可靠運行。

（5）經濟性：系統的經濟性是一個重要因素，使系統具有良好的性能價格比是監控系統設計的一個重要原則。

（6）可擴展性：在系統需要擴展時，前端設備數量將靈活增加，不改變系統的運行方式，以保證用戶的投資安全。

（7）實用性：采用高科技手段，進行智能化設計，盡量減少系統操作的復雜性，并做到系統工作穩定可靠，維護簡單；軟件使用界面良好，完全達到智能化控制。

2 視頻傳輸技術的分類

煤礦監控的系統組成包括監控前端、傳輸方式、監控中心、監控終端等部分。監控前端包括防爆攝像機、模擬攝像機、視頻編碼器、網絡攝像機、報警輸入/輸出設備等。還可以根據用戶及環境的不同需求，另外加配護罩等。

此外，根據監控傳輸方式的不同，還可以分為以下3種：

2.1 同軸電纜傳輸

用同軸電纜作為傳輸介質，將模擬信號直接傳輸優點是不會產生電磁干擾，相對于其他傳輸方式，也不會產生電火花，避免了可能引發的瓦斯爆炸。但也有缺點，包括有的礦井長達幾千米，傳統的布線方式無法滿足；布線困難，如果按著傳統布線方式，有幾路監測點，就要拉幾條視頻線，在井上尚且困難，在井下工作面就會更加困難。

2.2 雙絞線傳輸

通過雙絞線傳輸的網絡視頻監控系統，已經較為成熟，它可將多個網絡攝像機通過雙絞線連接在交換機上，構成一個星型結構的系統。該系統具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、布線容易、價格低廉等許多優點。由于工作面是直線排列，不僅傳輸線多，而且要加多個交換機和電源，安裝不便，維護難。

2.3 光纖傳輸

可以使布線方便，傳輸的路數多，不會造成傳輸信號堵塞。其缺點是煤礦井下環境特殊，不允許在井下進行融接，所以必須在井上融接好后再到井下，這無疑增加了施工的難度；總裁工作面支架經常移動，而光纖較脆，易折斷，如果光纖斷裂，就需要將所有監測點光纖拉到井上重新進行融接，這無疑又會增加額外的人力、物力、財力，同時也會造成監控的盲區；由于光端機成本很高，這無疑會增加工程的成本；后期增加監控點不容易。

2.4 無線監控

它的布線簡單，成本低：信號通過微波傳輸，降低了系統成本和施工難度；信號抗干擾性強，不易失真，傳輸無延時；系統設備可以將800線的攝像頭信號高保真地傳送，其傳輸速度快，沒有延時；采用頻率2.4G和5.8G技術，可以在較遠的范圍內傳輸，而且可以添加放大器或者無線數字微波中繼傳輸機以延長傳輸距離，監控距離可達數10 km；后期維護簡單方便：系統結構簡單，如果有新增節點加入不用重新布線，只需插入到主干電纜上即可，出現故障查找容易，維護方便，簡單可靠。該技術在地面已經成熟，但在井下還處于實驗階段。

3 工作面監測系統的設計

井下綜采工作面是個狹長的空間，一般在200 m~300 m左右，在這個工作區域里需要安裝20~30個視頻監測設備，并均勻分布在支架上。采用現有的網絡結構都不適合這樣的工作環境，所以本文提出了一種新的網絡結構，即基于交換機的工作面寬帶多媒體總線網絡。

圖2 基于交換機總線式網絡結構

由圖1和圖2可以看出，基于交換機的總線式網絡結構是將傳統的星型結構變形而成。每個網絡節點都有個交換芯片，在超大規模集成電路飛速發展的今天，這種高性能、低功耗、低成本芯片很容易集成到現場監控設備中。交換芯片上有3個端口，一個端口與節點的網絡接口相連，交換芯片與節點上都有物理層，通過短的雙絞線直連，另外兩個端口與左右交換機相連。這種結構與傳統的交換機區別不大，但只用一條信道就實現所有攝像機聯網。這樣既簡化了布線，又利于維護，但要求這條信道的帶寬要足夠大，要達到百兆甚至千兆。當節點數量只有幾十個時，百兆信道帶寬可以滿足實時性。當節點數達到百個時，占用的信道資源難以維持如此巨大的開銷，可通過增大信道的帶寬解決網絡阻塞問題，將交換節點從100 MBps提高到1 Gbps。為了防止某個節點故障，而引起通訊中斷，可在節點電路上增加繼電器，使通信自動旁路通過，保證整個網絡信道暢通。

為了整個監控系統布線方便，本設計將攝像頭、網絡視頻服務器、電源模塊以及交換芯片整合在一個防爆腔體內。見圖3，電源模塊為攝像頭、網絡視頻服務器和交換芯片提供電源，攝像儀采集到得圖像信號，經視頻線傳輸給網絡視頻服務器，由其進行模數轉換及壓縮，然后通過雙絞線連接在交換芯片上，經過網絡傳輸到監視器上。這樣的機械結構方便安裝，只需將多個設備安裝至支架上，用礦用阻燃網線和電源線串聯起來即可。工作面安裝布置方案見圖4。

圖3 監控節點內部結構

圖4 工作面安裝布置方案

4 結論

本文設計的基于交換機的工作面寬帶多媒體總線網絡的視頻監測系統具有以下特點：

（1）將多個監控點信號共用一根電纜傳輸，大大節省了線纜數量和施工時間，降低了系統成本和施工難度。

（2）該系統以雙絞線為傳輸介質，抗干擾性強、價格低廉、性能可靠。有效抑制共模干擾，即使在強干擾環境下，雙絞線也能傳送極好的圖像信號。

（3）傳輸距離遠，采用頻率拓展技術，可以在較遠的范圍內傳輸，而且可以添加中繼器以延長傳輸距離，監控距離可達數千米。

（4）系統結構簡單，維護、擴展簡單方便，有新增節點加入不用重新布線，只需插入到主干電纜上即可，出現故障查找容易，維護方便，簡單可靠。

（5）系統特別適合煤礦井下采煤工作面、掘進工作面的監視點位置經常的動態檢測點。

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[2]田聰敏，季仰，周潤才.井下光纖視頻測井系統及其應用[J].國外油田工程，2003，19（6）,26-27

The Research on Video Surveillance of no one Work Area in Coal Mine

He Fang，Wang Junjuan

In this paper,we conducted a comprehensive and in-depth research about videosurveillance ofnoone work area,.Accordingtoworking environment and requirement,we designed a videosurveillance system.

noone work area；videosurveillance

TD654

A

1000-8136(2010)08-0020-02