井下綜采工作面無線視頻監控系統研究

張東軍

陜西煤礦安全監察局榆林監察分局

井下綜采工作面無線視頻監控系統研究

張東軍

陜西煤礦安全監察局榆林監察分局

隨著煤礦井下信息化通信的不斷升級，對礦井監控系統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的第一線---采煤工作面，集中了大量的人員、設備，根據相關數據表明，采煤工作面是煤礦安全事故的主要發生地點之一。為了確保采煤工作面的安全生產，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控系統具有重要的現實意義。本文采用理論分析、實驗研究和模擬現場安裝測試的方法，研制和開發了井下無線視頻監控系統，對系統中的現場安裝方案進行了深入研究。

無線電波；無線網橋；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，對礦井監控系統的可靠性和實用性的要求越來越高，尤其在礦井采煤作業的第一線---采煤工作面，集中了大量的人員、設備，根據相關數據表明，采煤工作面是煤礦安全事故的主要發生地點之一[1]。為了確保采煤工作面的安全生產，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控系統具有重要的現實意義。

無線視頻監控相對傳統的有線視頻監控而言優勢非常明顯：

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

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

無線視頻監控系統是傳統的視頻監控和無線電波信號傳輸技術的結合，通過模擬攝像機實時監控現場的圖像信息，然后經無線傳輸設備(無線網橋)處理以后傳至監控中心。項目驗收成功后，較為直觀的監控采煤工作面生產現場的各種情況，還能及時發現各種安全事故，而且可以給事后調查事故提供相關的現場視頻圖像資料[4]。

二、項目載體

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

圖2-1 無線網橋功能框架圖

當無線網橋處于發射功能時，視頻服務器把輸入的視頻信號處理成數字信號，通過網線傳輸給無線網橋的發射機，發射機把數字信號處理成無線電波信號，再通過天線向外發射。

當無線網橋處于接受功能時，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字信號。

2.無線攝像儀。無線攝像儀是井下無線視頻監控系統的核心載體，一臺完整的無線攝像儀由無線網橋、視頻服務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，視頻服務器處理視頻信號，然后再輸入無線網橋，由天線發射、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)，監控待采區煤層、刮板運輸機軌道、液壓支架頂板、采煤機工作情況，把監控到的圖像經總網交換機實時傳輸至地面監控中心。

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 的總網交換機距離工作面約50米，之間有各種設備，布線難度大，因此在總網交換機旁邊安裝一臺只內置無線網橋的無線攝像儀AP0(所有無線攝像儀用AP代替)，AP0用網線與總網交換機連接，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把所有視頻信號經網線傳輸至總網交換機，最后傳到地面監控中心[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，并且設置成自由連接狀態，即哪個接入點模式的無線攝像儀發出的無線信號最強，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射塔(相當于基站)向別人的手機發射信號的，打電話過程中可能會經過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 四級拓撲結構

圖3-2 中繼連接結構

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、出現的問題。在井下無線視頻監控系統的方案三運行一段時間后，發現兩個問題：

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，未達到預期效果。

2、分析原因。

1.AP1作為整個系統的中繼，無線覆蓋不夠穩定，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.對本系統的各種路徑損耗和干擾嚴重時，系統的帶寬不足(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內的無線網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器換成一個四路視頻服務器。四個模擬攝像機裝在各自的防爆外殼內，四路視頻服務器、12V電源和無線網橋裝在一個防爆外殼內，12V電源同時給四臺模擬攝像機、四路視頻服務器和無線網橋供電，無線網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器，經視頻服務器處理以后傳輸給無線網橋，無線網橋設置無限客戶端模式，通過兩個定向天線發射給最近的基站。

實施效果：信號穩定，視頻清晰通暢，延時中斷現象大幅度減少。

五、項目實施效果

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

六、項目展望

本課題研究的井下無線視頻監控系統，基于無線攝像儀核心載體設計四級拓撲無線連接結構，有效地克服了采煤工作面無線傳輸所存在的問題，但由于無線網橋仍存在的不穩定性---較高故障率，由各種衰減引發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.實施礦山數字化技術的問題及策略[J]. 礦業快報，2008(3)： 21-23.

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

[3]張勇.網絡數字視頻監控系統在礦井安全生產中的應用[J].煤炭工程， 2003(7)：11-12

[4] 邵子健.基于3G移動通信的視頻監控系統研究[M]. 長安大學出版社， 2011：168-175

圖5-1 地面服務器的視頻監控圖像