煤礦綜采工作面全自動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 波，吳曉娥

(1.神華神東煤炭集團(tuán)公司，陜西 神木 719315；2.神木職教中心機(jī)電系，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦是我國國民經(jīng)濟(jì)不可缺少的基礎(chǔ)性行業(yè)，然而煤礦事故的頻繁發(fā)生使得它成為高危行業(yè)。所以煤礦生產(chǎn)少人值守、無人值守是煤礦生產(chǎn)發(fā)展的必由之路，是解決目前煤礦事故頻發(fā)這一難題的最佳辦法。隨著煤炭工業(yè)信息化融合速度的加快，煤炭生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化已經(jīng)具備了可行的條件。在煤礦所有生產(chǎn)過程中采掘工作面的自動(dòng)化又是整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的重中之重[1]。因?yàn)榫C采是我國煤礦最主要的采煤工藝，所以綜采工作面的少人化和無人化就成了解決煤礦安全的核心課題。

綜采工作面是煤礦生產(chǎn)最前沿的工作環(huán)節(jié)，也是最復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)。以往煤礦采掘面監(jiān)控系統(tǒng)雖然有各種數(shù)據(jù)、信息的反饋，卻沒有最直觀、真實(shí)的視頻信息和良好的視頻采集方式及視頻管理方式。工作面可視化系統(tǒng)是打造全自動(dòng)無人工作面的關(guān)鍵。該系統(tǒng)也相當(dāng)于無人工作面整套系統(tǒng)的眼睛，也使得煤礦綜采工作面全自動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有非常重要的意義[2]。

1 工作面視頻傳輸技術(shù)與系統(tǒng)構(gòu)成

由于井下綜采工作面的環(huán)境相比井下其他地方要困難和復(fù)雜，其設(shè)備數(shù)量多、體積龐大，設(shè)備之間互相制約，這給井下的布線帶來了較大的困難。在采煤工作面粉塵和水霧大、電磁干擾多、能見度低、某些大型設(shè)備在不斷往前移動(dòng)，這也使得視頻數(shù)據(jù)采集較為困難，視頻監(jiān)測(cè)效果較差。所以綜采工作面視頻圖像的高質(zhì)量采集和遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸與處理也成為了綜采工作面全自動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心。

1.1 視頻信號(hào)傳輸方式

同軸電纜傳輸：用同軸電纜傳輸[3]的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，不會(huì)產(chǎn)生電火花，這在井下使用是比較安全的，防止引發(fā)瓦斯等易燃性氣體爆炸。但它的缺點(diǎn)是布線困難，尤其是在大型設(shè)備較多的綜采工作面。

雙絞線或光纖數(shù)字傳輸：在井下巷道內(nèi)，通過使用雙絞線和光纖[4]與井上連接而成的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前在國內(nèi)一些煤礦已經(jīng)成功使用，且較為穩(wěn)定安全。在綜采工作面采用雙絞線和光纖進(jìn)行視頻傳輸和控制也應(yīng)用較為廣泛。相比同軸電纜，優(yōu)點(diǎn)是布線較為容易，傳輸距離遠(yuǎn)。但缺點(diǎn)是井下布線較多，施工難度大。特別是光纖的成本較高，維護(hù)性較差。

無線傳輸：最近隨著無線通信技術(shù)在煤礦安全生產(chǎn)方面的應(yīng)用[5]，無線傳輸在井下視頻監(jiān)控方面也有著很好的發(fā)展前景。相對(duì)于其他幾種傳輸方式，無線傳輸有著布線簡單、成本低、施工難度小、信號(hào)傳輸較穩(wěn)定、傳輸速度快、后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

一個(gè)完整的井下全自動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為3大部分，即井下綜采面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地面視頻處理系統(tǒng)、遠(yuǎn)程視頻訪問系統(tǒng)；這3部分系統(tǒng)分別為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，可以串聯(lián)或者并聯(lián)成系統(tǒng)使用。

井下綜采面視頻監(jiān)控系統(tǒng)是用來采集井下視頻信號(hào)，同時(shí)將所采集到的信息通過隔爆計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示。視頻信息可以單畫面或多畫面同時(shí)顯示。同時(shí)井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)將所采集到的原始數(shù)據(jù)通過光纜發(fā)送到地面視頻處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

地面視頻處理系統(tǒng)將井下發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、還原至調(diào)度室監(jiān)控計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以對(duì)視頻信息進(jìn)行存儲(chǔ)、錄像反調(diào)等。

通過遠(yuǎn)程視頻訪問系統(tǒng)，用戶可以在個(gè)人電腦、手機(jī)等終端設(shè)備上查看工作面的視頻信息。

2 工作面自動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

系統(tǒng)應(yīng)滿足：①前端監(jiān)控?cái)z像機(jī)和液壓支架一體化，攝像機(jī)需滿足井下粉塵多、能見度低、水霧大等惡劣條件；②傳輸性能要能滿足實(shí)時(shí)性傳輸，布線維護(hù)方便；③井下終端設(shè)備要滿足防爆要求；④能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)跟隨采煤機(jī)軌跡，顯示滾筒運(yùn)行情況；⑤支持多通道輸出等。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

一套完整的綜采工作面自動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由井下綜采面視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地面視頻處理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程視頻訪問系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 綜采工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

綜采工作面的視頻傳輸技術(shù)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過合理的安裝攝像機(jī)對(duì)工作面的每個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。使監(jiān)控人員在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心有身臨其境的感覺，能夠全面反映綜采現(xiàn)場所有設(shè)備的運(yùn)行情況，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制提供可視化的效果。但是視頻圖像的信息量較大，要求傳輸網(wǎng)絡(luò)有足夠的帶寬，系統(tǒng)要能讓監(jiān)控操作人員根據(jù)現(xiàn)場的需求實(shí)現(xiàn)快速靈活的畫面切換。根據(jù)綜采工作面的實(shí)際情況，一般的工作面150～400 m左右，每個(gè)液壓支架的寬度一般在1.5 m左右，根據(jù)實(shí)際要求，每隔幾個(gè)支架安裝一個(gè)隔爆攝像機(jī)，攝像機(jī)安裝示意圖如圖2所示。系統(tǒng)根據(jù)采煤機(jī)的定位信號(hào)，通過自動(dòng)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的初步定位、自動(dòng)切換跟蹤和顯示。每臺(tái)攝像機(jī)在自己的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)可以做小范圍精確自動(dòng)巡航，最后通過視頻傳輸將距離采煤機(jī)最近的畫面上傳到視頻監(jiān)視器上，由監(jiān)控中心的監(jiān)控人員對(duì)其進(jìn)行操作和控制。視頻監(jiān)視器可以安裝在井下順槽控制中心或地面調(diào)度中心。

圖2 前端攝像機(jī)安裝位置示意圖

通過礦井自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，工作面井下視頻信息可以傳輸給地面視頻處理系統(tǒng)以供地面控制調(diào)度中心查看。另外，通過遠(yuǎn)程視頻訪問系統(tǒng)，可將井下視頻信息發(fā)送給個(gè)人電腦、手機(jī)，工業(yè)服務(wù)器等客戶端，從而方便地面用戶查看井下工作面視頻信息。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

相比以往的采掘面監(jiān)控系統(tǒng)，綜采工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠提供最直觀、最真實(shí)的視頻信息和良好的視頻采集、管理方式。該系統(tǒng)的主要工作是完成工作面情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。根據(jù)需要可以實(shí)時(shí)地反映到工作面控制中心操作平臺(tái)上，供操作人員分析使用。該系統(tǒng)通過在液壓支架和采煤機(jī)上分別安裝隔爆攝像機(jī)，并根據(jù)采煤機(jī)的位置控制攝像機(jī)交替工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤采煤機(jī)行走，以保證最佳的視頻效果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：①系統(tǒng)前端隔爆攝像機(jī)采用360°全方位、全自動(dòng)攝像機(jī)；②前端隔爆攝像機(jī)要能滿足工作面多粉塵、多水霧、能見度低等特殊環(huán)境要求；③攝像機(jī)有自動(dòng)巡航、外置燈補(bǔ)光、圖像清晰等特點(diǎn)；④系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)“跟隨”采煤機(jī)行走，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，且具有局部放大和自動(dòng)切換等功能；⑤工作面采用光纖傳輸方案，傳輸線路要簡單，方便快速故障維護(hù)和緊急處理；⑥隔爆攝像機(jī)、隔爆計(jì)算機(jī)等井下設(shè)備具有較強(qiáng)散熱功能，在一定高溫下能正常工作；⑦地面視頻處理系統(tǒng)可擴(kuò)展多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)和訪問；⑧支持用戶手機(jī)、電腦等終端設(shè)備的地面遠(yuǎn)程訪問功能；⑨系統(tǒng)需滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，圖像顯示流暢無阻滯，無延時(shí)，畫面清晰；⑩系統(tǒng)所有控制通過上位機(jī)的客戶端執(zhí)行控制。

3 結(jié)論

(1)煤礦生產(chǎn)的無人值守是煤礦生產(chǎn)發(fā)展的最終目標(biāo)。綜采工作面是煤礦生產(chǎn)最前沿、最復(fù)雜的工作環(huán)節(jié)，所以怎樣實(shí)現(xiàn)工作面的少人化、無人化，提高綜采工作面的全自動(dòng)化水平是實(shí)現(xiàn)整個(gè)煤礦生產(chǎn)無人值守最終目標(biāo)的關(guān)鍵。工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)是打造全自動(dòng)無人工作面的關(guān)鍵部分，該系統(tǒng)就相當(dāng)于無人工作面整套系統(tǒng)的眼睛。

(2)井下的視頻傳輸可以通過雙絞線、光纖或者無線進(jìn)行傳輸。由于采煤機(jī)不斷移動(dòng)的特點(diǎn)，采用移動(dòng)無線視頻傳輸技術(shù)比較好，使得整個(gè)工作面達(dá)到無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，該技術(shù)在煤礦具有較好的發(fā)展和應(yīng)用前景。

(3)綜采工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了各種先進(jìn)的圖像采集技術(shù)、圖像控制技術(shù)[6]、光信號(hào)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等。在煤礦井下綜采工作面實(shí)現(xiàn)圖像的采集、跟蹤、畫面智能切換、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)裙δ埽⒛茉诘孛鎸?shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

(4)雖然目前國內(nèi)在該領(lǐng)域已有幾宗比較成功的案例，但如何解決前端攝像機(jī)的防塵、提高圖像清晰度，并且如何實(shí)現(xiàn)工作面無線網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋等技術(shù)難點(diǎn)也有待于進(jìn)一步研究與實(shí)踐。