井下綜采工作面無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

張東軍

陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局

井下綜采工作面無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

張東軍

陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局

隨著煤礦井下信息化通信的不斷升級，對礦井監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實用性的要求越來越高，以此同時煤礦安全生產(chǎn)事故也不斷引起全社會和各級政府的高度重視，尤其在礦井采煤作業(yè)的第一線---采煤工作面，集中了大量的人員、設(shè)備，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，采煤工作面是煤礦安全事故的主要發(fā)生地點之一。為了確保采煤工作面的安全生產(chǎn)，減少煤礦安全事故的傷亡率，研究新型的、高性能的井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。本文采用理論分析、實驗研究和模擬現(xiàn)場安裝測試的方法，研制和開發(fā)了井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的現(xiàn)場安裝方案進行了深入研究。

無線電波；無線網(wǎng)橋；無線攝像儀；延時時間；采煤工作面

一、項目背景

隨著煤礦井下信息化通信的不斷升級，對礦井監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實用性的要求越來越高，尤其在礦井采煤作業(yè)的第一線---采煤工作面，集中了大量的人員、設(shè)備，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，采煤工作面是煤礦安全事故的主要發(fā)生地點之一[1]。為了確保采煤工作面的安全生產(chǎn)，減少煤礦安全事故的傷亡率，研究新型的、高性能的井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

無線視頻監(jiān)控相對傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控而言優(yōu)勢非常明顯：

1.安裝無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需線路較少，線路開通速度快，在寬帶允許的情況下，可以根據(jù)實際需要隨時架設(shè)，隨時增加線路，安裝、擴容方便。

2.有線視頻監(jiān)控的檢修維護需沿電纜線路查找故障點[2]，出現(xiàn)中斷、斷路等故障時，不能夠快捷迅速地找到原因，而無線視頻監(jiān)控的維修主要是檢查接收機和發(fā)射機(系統(tǒng)中的網(wǎng)橋)，出現(xiàn)故障時可及時查出原因[3]。

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和無線電波信號傳輸技術(shù)的結(jié)合，通過模擬攝像機實時監(jiān)控現(xiàn)場的圖像信息，然后經(jīng)無線傳輸設(shè)備(無線網(wǎng)橋)處理以后傳至監(jiān)控中心。項目驗收成功后，較為直觀的監(jiān)控采煤工作面生產(chǎn)現(xiàn)場的各種情況，還能及時發(fā)現(xiàn)各種安全事故，而且可以給事后調(diào)查事故提供相關(guān)的現(xiàn)場視頻圖像資料[4]。

二、項目載體

1.無線網(wǎng)橋。本課題所采用的無線網(wǎng)橋同時包含接收機和發(fā)射機，圖2-1是無線網(wǎng)橋的功能框架圖。

圖2-1 無線網(wǎng)橋功能框架圖

當(dāng)無線網(wǎng)橋處于發(fā)射功能時，視頻服務(wù)器把輸入的視頻信號處理成數(shù)字信號，通過網(wǎng)線傳輸給無線網(wǎng)橋的發(fā)射機，發(fā)射機把數(shù)字信號處理成無線電波信號，再通過天線向外發(fā)射。

當(dāng)無線網(wǎng)橋處于接受功能時，天線接收到無線電波信號，接收機把無線電波信號處理成數(shù)字信號。

2.無線攝像儀。無線攝像儀是井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心載體，一臺完整的無線攝像儀由無線網(wǎng)橋、視頻服務(wù)器和模擬攝像機組成，然后12V防爆電源同時給三者供電。模擬攝像機進行采集視頻信號，視頻服務(wù)器處理視頻信號，然后再輸入無線網(wǎng)橋，由天線發(fā)射、接收視頻信號。

下圖分別是在采煤工作面同一位置用防爆相機和無線攝像儀與筆記本連接所取得的照片。

圖2-2 防爆相機所拍圖像

圖2-3 無線攝像儀所攝圖像

三、解決方案

采煤工作面安裝28臺無線攝像儀，工作面大概三百米長，174臺液壓支架，其中24臺無線攝像儀安裝在液壓支架上，4臺安裝在采煤機上(如圖2-4防爆相機所拍圖像)，監(jiān)控待采區(qū)煤層、刮板運輸機軌道、液壓支架頂板、采煤機工作情況，把監(jiān)控到的圖像經(jīng)總網(wǎng)交換機實時傳輸至地面監(jiān)控中心。

液壓支架上24臺無線攝像儀采用的是四級拓撲中繼連接方式(如圖3-1，3-2)。

圖3-1中標(biāo) 的總網(wǎng)交換機距離工作面約50米，之間有各種設(shè)備，布線難度大，因此在總網(wǎng)交換機旁邊安裝一臺只內(nèi)置無線網(wǎng)橋的無線攝像儀AP0(所有無線攝像儀用AP代替)，AP0用網(wǎng)線與總網(wǎng)交換機連接，采煤工作面的28臺無線攝像儀無線通信后，再通過AP1與AP0無線通信，AP0把所有視頻信號經(jīng)網(wǎng)線傳輸至總網(wǎng)交換機，最后傳到地面監(jiān)控中心[7]。

第一級無線攝像儀AP0是無限客戶端模式，第二級無線攝像儀AP1是中繼模式，第三級無線攝像儀AP2、AP3、AP4、AP5、都是接入點模式(相當(dāng)于四個“基站”)，其他所有無線攝像儀都是無線客戶端模式，并且設(shè)置成自由連接狀態(tài)，即哪個接入點模式的無線攝像儀發(fā)出的無線信號最強，無線客戶端就連接哪個。液壓支架上安裝19臺設(shè)置無限客戶端模式的攝像儀，工作時無線連接最近(信號最強)的基站，而采煤機從工作面最左端到最右端來回運動時，采煤機上面的四臺無限客戶端模式的攝像儀也同樣連接距離最近的基站。這就好比坐汽車時用手機打電話，手機的信號是通過無線發(fā)射塔(相當(dāng)于基站)向別人的手機發(fā)射信號的，打電話過程中可能會經(jīng)過N個信號塔，那么手機就會不斷自動切換所連接的基站，接入信號最強的基站來傳輸信號，這也是所謂的“無縫連接”功能。

圖3-1 四級拓撲結(jié)構(gòu)

圖3-2 中繼連接結(jié)構(gòu)

采煤機在不斷運動時，無線攝像儀會自動切換到連接最近的“基站”，即使采煤機在工作面兩端，之間通信距離最遠也不超過60米。

四、后期改進措施

1、出現(xiàn)的問題。在井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方案三運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)兩個問題：

1. AP4、AP5及所帶的第四級客戶端上傳的視頻圖像不連貫，容易延時中斷。

2.采煤機上的四臺無線攝像儀上傳的視頻圖像也容易延時中斷，未達到預(yù)期效果。

2、分析原因。

1.AP1作為整個系統(tǒng)的中繼，無線覆蓋不夠穩(wěn)定，和距離最遠的AP4、AP5無線通信較易中斷，尤其在液壓支架移位時。

2.對本系統(tǒng)的各種路徑損耗和干擾嚴(yán)重時，系統(tǒng)的帶寬不足(延時中斷的主要原因)。

3、改進措施。

1.增加AP1覆蓋范圍：更換AP0、AP1、AP4、AP5的天線，將原來的全向天線換成功率和增益更高的定向天線，譬如在AP1內(nèi)的無線網(wǎng)橋天線接口安裝一個微帶二公分，連接兩個定向天線，其中一個定向天線指向輔巷的AP0，另外一個指工作面的基站。

2.降低系統(tǒng)所占用帶寬：更改采煤機上面四臺無線攝像儀的連接方式，將四個單路視頻服務(wù)器換成一個四路視頻服務(wù)器。四個模擬攝像機裝在各自的防爆外殼內(nèi)，四路視頻服務(wù)器、12V電源和無線網(wǎng)橋裝在一個防爆外殼內(nèi)，12V電源同時給四臺模擬攝像機、四路視頻服務(wù)器和無線網(wǎng)橋供電，無線網(wǎng)橋連接兩個定向天線，指向采煤機的兩端。

工作原理：四臺模擬攝像機監(jiān)控采煤機運行狀況，采集視頻信號，并且處理成電信號后傳輸給四路視頻服務(wù)器，經(jīng)視頻服務(wù)器處理以后傳輸給無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋設(shè)置無限客戶端模式，通過兩個定向天線發(fā)射給最近的基站。

實施效果：信號穩(wěn)定，視頻清晰通暢，延時中斷現(xiàn)象大幅度減少。

五、項目實施效果

通過一年多對無線攝像儀一系列的設(shè)計、測試以及整個系統(tǒng)在地面和采煤工作面的實驗、試運行，本系統(tǒng)把采煤工作面監(jiān)控到的所有視頻信號經(jīng)總網(wǎng)交換機進入礦局域網(wǎng)，然后傳到地面調(diào)度室監(jiān)控中心的服務(wù)器(圖5-1)和調(diào)度大屏，在客觀條件限制的最大范圍內(nèi)，把采煤機工作面的視頻圖像穩(wěn)定地傳至地面監(jiān)控中心，系統(tǒng)達到驗收條件。

六、項目展望

本課題研究的井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于無線攝像儀核心載體設(shè)計四級拓撲無線連接結(jié)構(gòu)，有效地克服了采煤工作面無線傳輸所存在的問題，但由于無線網(wǎng)橋仍存在的不穩(wěn)定性---較高故障率，由各種衰減引發(fā)的井下無線帶寬不足，等等這些問題有待于深入研究，因此本系統(tǒng)還有非常大的擴展空間，其可靠性和實用性還需要進一步提高。

[1]胡達濤等.實施礦山數(shù)字化技術(shù)的問題及策略[J]. 礦業(yè)快報，2008(3)： 21-23.

[2]吳東旭等. ImPact綜合通訊系統(tǒng)在地下礦山的應(yīng)用研究[J]. 礦業(yè)工程， 2008(3)：6-7

[3]張勇.網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在礦井安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].煤炭工程， 2003(7)：11-12

[4] 邵子健.基于3G移動通信的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[M]. 長安大學(xué)出版社， 2011：168-175

圖5-1 地面服務(wù)器的視頻監(jiān)控圖像