基于以太網(wǎng)煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應用

高 強

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著礦井自動化水平的不斷提高，煤礦工業(yè)視頻監(jiān)控技術(shù)是安全防范體系中重要的組成部分，以其方便、直觀、實用而被廣泛使用，成為保障重要崗位的安全生產(chǎn)全程監(jiān)控的重要手段。文中結(jié)合大柳塔煤礦生產(chǎn)自動化、智能化和數(shù)字化進程，設計出一套基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)由調(diào)度室固定式監(jiān)控轉(zhuǎn)為移動式多人隨時隨地視頻監(jiān)控系統(tǒng)和井下變電所、水泵房巡檢機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)了不同協(xié)議攝像儀通過手機終端實時監(jiān)控、遠程圖像預覽、遠程錄像回放、云臺控制、本地圖片和錄像存儲、報警推送信息管理。巡檢機器人實現(xiàn)可靠的變電所無人值守，通過巡檢機器人完成變電所不間斷，關(guān)鍵點無死角，多手段的周期性自動化巡檢的基礎(chǔ)功能，并通過將機器人融入礦區(qū)區(qū)域自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)智能聯(lián)動，智能故障識別判斷，隱患預警等智能化功能。補齊礦井整體系統(tǒng)的短板，提高人員工作效率，降低勞動強度，實現(xiàn)煤礦安全、穩(wěn)定、高效運行。

1 手機電子眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)狀描述及概述

從1988年起，大柳塔煤礦以生產(chǎn)信息化為重點，經(jīng)過基礎(chǔ)網(wǎng)絡建設、成熟軟件應用、系統(tǒng)融合等發(fā)展階段，實現(xiàn)了統(tǒng)一調(diào)度、有線無線融合的一體化移動通信系統(tǒng)，2017建成工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用萬兆骨干、千兆匯聚、百兆到桌面，實現(xiàn)井下、辦公生活區(qū)WiFi全覆蓋。

移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了4個階段，第1個階段1987—2005年，井下固定電話的投入使用，實現(xiàn)了井下和地面遠距離通訊；第2個階段2005—2011年，小靈通投入使用，實現(xiàn)井下無線通訊；第3個階段2011年3G網(wǎng)絡的接入實現(xiàn)井下、地面數(shù)據(jù)傳輸與視頻監(jiān)控；第4個階段2017年接入4G網(wǎng)絡采用萬兆環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)視頻、VR等業(yè)務。

大柳塔煤礦自自動化系統(tǒng)投入運用以來，不斷對主要海量數(shù)據(jù)工程及一些新功能進行二次開發(fā)。工業(yè)視頻信息系統(tǒng)處于孤島，不能共享，只能借助控制指揮中心進行全面監(jiān)控，無法分層讓每個管理人員對井下工業(yè)視頻全面監(jiān)控，導致未跟班隊干部無法對井下工作生產(chǎn)情況實時性的掌握，無法提供有效的決策依據(jù)。大柳塔煤礦目前井下工業(yè)視頻安裝181臺，有5種不同設備廠家的攝像機且有不同的數(shù)據(jù)協(xié)議。系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息相互獨立分散，手機電子眼監(jiān)控系統(tǒng)(iVMS-4500)數(shù)據(jù)無法同時在線共享，5種不同協(xié)議攝像機無法同時在一臺手機軟件中監(jiān)控，導致視頻監(jiān)控系統(tǒng)只能借助調(diào)度室實現(xiàn)監(jiān)控，不利于煤礦安全生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是通過中央控制指揮中心“網(wǎng)絡遠程視頻監(jiān)控管理平臺”實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控，再通過“虛擬矩陣控制中心軟件”拼接到控制指揮中心大屏中實現(xiàn)部分視頻實時監(jiān)控，加之大屏無法容納井下所有工業(yè)視頻，導致部分主運輸系統(tǒng)、供電及供排水系統(tǒng)工業(yè)視頻無法實現(xiàn)實時監(jiān)控。

為解決上述工業(yè)視頻無法共享的問題，提高礦井安全水平，設計出一套能實現(xiàn)工業(yè)視頻移動式多人隨時隨地視頻監(jiān)控系統(tǒng)：手機電子眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)和井下巡檢機器人系統(tǒng)。

1.2 解決問題方案

搭建自動化工業(yè)環(huán)網(wǎng)方案設計：所謂工業(yè)以太網(wǎng)，是將以太網(wǎng)應用于工業(yè)控制的局域網(wǎng)技術(shù)，其拓撲結(jié)構(gòu)可以是總線、星型、環(huán)型等，組成環(huán)形的工業(yè)以太網(wǎng)叫工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，簡稱工業(yè)環(huán)網(wǎng)(圖1)。

圖1 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設計

構(gòu)建綜合自動化工業(yè)環(huán)網(wǎng)，不僅具備容量大、功能強、結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，擴展性強、傳輸性能高等優(yōu)點，而且將連采所有系統(tǒng)接入環(huán)網(wǎng)，利用三網(wǎng)交換機，將電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)融為一體，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、網(wǎng)絡的互聯(lián)互通、資源的合理利用。為工業(yè)視頻系統(tǒng)提供一條高速、安全、可靠的傳輸平臺。

根據(jù)煤礦實際情況建設工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及綜合通信分站系統(tǒng)，環(huán)網(wǎng)的組建包括萬兆環(huán)網(wǎng)和千兆環(huán)網(wǎng)，萬兆環(huán)網(wǎng)由礦用萬兆環(huán)網(wǎng)交換機實現(xiàn)，千兆環(huán)網(wǎng)由綜合通信分站實現(xiàn)。建設綜合通信分站是本安的、模塊化的、標準化的和可管理的，綜合通信分站提供千兆網(wǎng)絡傳輸和組網(wǎng)功能，可以和工業(yè)交換機組網(wǎng)形成環(huán)網(wǎng)或自組環(huán)網(wǎng)，通過插入不同的模塊實現(xiàn)各種業(yè)務系統(tǒng)功能，以光纖為主要連接，雙絞線、無線電可以作為輔助連接。承載無線通訊系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、廣播通訊系統(tǒng)等信息調(diào)制為數(shù)字信息借助光纖網(wǎng)絡傳輸至環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)至井上調(diào)度室核心機房設備進行解析。

手機電子眼視頻監(jiān)控方案設計：井下視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集箱接入網(wǎng)絡交換機，用環(huán)網(wǎng)的形式連接起來，再通過RTU通訊協(xié)議和RS485接口，采用骨干環(huán)網(wǎng)交換機上傳至地面工控機，再將分配好的視頻IP統(tǒng)一集成在PSI平臺，實現(xiàn)調(diào)度室遠程監(jiān)測和控制。

通過建立硬盤錄像機通訊協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)視頻同款軟件同時監(jiān)控。井下工業(yè)視頻有5種不同設備廠家的攝像機且有不同的數(shù)據(jù)協(xié)議。導致工業(yè)視頻數(shù)據(jù)信息不統(tǒng)一，無法在手機電子眼監(jiān)控系統(tǒng)(iVMS-4500)中同時添加使用，為解決5種不同通訊協(xié)議的攝像機能在同款軟件中同時監(jiān)控，在上位機通過4G網(wǎng)絡接口連接海康威視硬盤錄像機，海康威視硬盤錄像機能同時兼容5種不同通訊協(xié)議的攝像機，將井下各種型號工業(yè)視頻添加進硬盤錄像機后上傳手機電子眼監(jiān)控系統(tǒng)(iVMS-4500)，并可根據(jù)用戶需求開放云臺控制、報警推送等功能，從而實現(xiàn)持手機終端的用戶隨時隨地對井下工業(yè)視頻進行實時遠程監(jiān)控。

安裝步驟：通過井下WiFi通信系統(tǒng)，在礦用手機上下載軟件iVMS-4500客戶端運行于Android 4.0及以上版本系統(tǒng)的手機，通過管理員提前設置好的海康威視硬盤錄像機IP地址及用戶名，實現(xiàn)所有持有手機終端的用戶移動式監(jiān)控，見表1。

表1 手機電子眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)安裝步驟

功能介紹：iVMS-4500(Android)客戶端軟件運行于Android 4.0及以上版本系統(tǒng)的手機/平板。本軟件可通過無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)對硬盤錄像機、視頻服務器、網(wǎng)絡攝像機和網(wǎng)絡球機的實時圖像預覽、遠程錄像回放、云臺控制、本地圖片和錄像存儲、報警推送信息管理等功能。同時客戶端軟件支持螢石云，在客戶端上登錄螢石云賬號后，可對與此賬號關(guān)聯(lián)的設備進行管理。 iVMS-4500軟件支持WiFi，3G或4G網(wǎng)絡等連接方式。若設備位于私有局域網(wǎng)，可能為設備的數(shù)據(jù)端口做端口映射。軟件支持域名方式連接設備，方便動態(tài)IP用戶使用。此外，iVMS-4500軟件還支持以下功能：①實時預覽。實時預覽在多屏預覽模式下，可以拖動播放窗口調(diào)整窗口位置，畫面可分割成1/6/9/16多種窗口同時切換游覽，并可手動錄像與抓拍、語音對講，通過云臺控制對攝像機進行畫面質(zhì)量、角度調(diào)整；②遠程回放。遠程回放工業(yè)視頻發(fā)生過的故障點，滑動回放時間軸可以調(diào)整回放時間，拖動回放窗口可以調(diào)整窗口位置，并可調(diào)整回放速度1/16、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、16倍速回放；③報警管理。在報警管理模塊，可開啟報警推送，管理報警信息，查看報警發(fā)生通道對應的實時預覽和遠程回放，選擇設備開啟報警推送，開啟后報警信息會第一時間推送至手機便于管理人員及時制止故障擴散。

手機電子眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要創(chuàng)新點：①通過建立硬盤錄像機通訊協(xié)議來實現(xiàn)不同攝像儀在同款軟件同時監(jiān)控；②改變工業(yè)視頻固定監(jiān)控理念，實現(xiàn)通過手機電子眼監(jiān)控系統(tǒng)讓礦領(lǐng)導、機關(guān)、區(qū)隊負責人持手機終端的用戶隨時隨地對井下工業(yè)視頻進行移動性、實時性的遠程圖像預覽、遠程錄像回放、云臺控制、本地圖片和錄像存儲、報警推送信息管理。

使用效果：2018年公司在上灣煤礦實施了一套關(guān)于手機監(jiān)控工業(yè)視頻的軟件——礦長助手，花費金額約110萬元，到目前為止仍在運用。而大柳塔煤礦手機電子眼監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)項目是自動化系統(tǒng)中的二次開發(fā)項目無需花費。運用手機電子眼監(jiān)控系統(tǒng)不僅打破了傳統(tǒng)固定式的監(jiān)控理念而且使得工業(yè)視頻實現(xiàn)移動式多人隨時隨地監(jiān)控，讓各系統(tǒng)故障消滅在萌芽狀態(tài)，大大降低了設備的故障率，提高了設備的有效開機率，如圖2所示。

圖2 手機電子眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)效果

2 巡檢機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應用

2.1 現(xiàn)狀描述

目前，國內(nèi)外機器人應用已經(jīng)從傳統(tǒng)的工業(yè)焊接、搬運等成熟應用行業(yè)延伸到了各個行業(yè)，機器人發(fā)展的浪潮已經(jīng)開始，但是煤礦機器人的應用目前還主要是用于救援等特殊場合，日常的煤炭生產(chǎn)場合的成熟應用才剛剛開始，巡檢機器人應用于變電所，地下皮帶走廊等高安全防護要求，環(huán)境較為復雜的工業(yè)場合也逐步展開。

煤礦井下水泵房、變電所、大型輸送帶輸送機巷道等場所的巡視和檢修工作大部分都依靠人工進行定時檢查、駐點值守，而該場所中環(huán)境復雜、空間狹小、積水情況常見，對人工巡視造成非常大的阻礙和干擾；使得人工巡檢容易受到個人經(jīng)驗和情緒、主觀意識的影響，受到監(jiān)測手段、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析方面的制約，通常花費大量人力卻不能得到有效的數(shù)據(jù)結(jié)果，且得到的數(shù)據(jù)難以形成系統(tǒng)性，參考意義不大；當設備有問題時不能及時地發(fā)現(xiàn)問題導致問題擴大化；另一方面在復雜的設備運行環(huán)境下多人多頻次巡檢也會增加人員人身安全的不確定性。故研究一種自動巡檢機器人裝置，具有效率高、費用低、實時性好、安全性高等特點，具有非常重要的實際使用意義。

大柳塔煤礦綜合自動化系統(tǒng)從最初的單一礦井自動化，發(fā)展到現(xiàn)在的LCS，區(qū)域自動化，經(jīng)過幾期的建設，目前在通訊網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集，控制系統(tǒng)完善等方面已經(jīng)打下了堅實的基礎(chǔ)。所以目前已經(jīng)具備了向更高的目標邁進的技術(shù)基礎(chǔ)，在神東的技術(shù)規(guī)劃路線中，機器人從礦井到地面各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)對生產(chǎn)人員的輔助已經(jīng)成為了技術(shù)方向，所以目前適時的開始巡檢機器人的應用已經(jīng)具備了技術(shù)條件。以大柳塔煤礦三盤區(qū)變電所為試點場所，建設一套巡檢機器人系統(tǒng)，真正實現(xiàn)可靠的變電所無人值守，通過巡檢機器人完成變電所，不間斷，關(guān)鍵點無死角，多手段的周期性自動化巡檢的基礎(chǔ)功能，并通過將機器人融入礦區(qū)區(qū)域自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)智能聯(lián)動，智能故障識別判斷，隱患預警等智能化功能。補齊礦井整體系統(tǒng)的短板，提高人員工作效率，降低勞動強度，實現(xiàn)變電所的安全、穩(wěn)定、高效運行。

2.2 概述介紹

首先在機器人巡檢區(qū)域規(guī)劃好機器人運行軌道，并且在該區(qū)域內(nèi)安裝無線基站，使機器人巡檢范圍內(nèi)遍布無線網(wǎng)絡信號。之后無線基站與遠程控制站之間通過光纜或礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)進行連接，最終將遠程控制站與機器人本體形成為一個整體。遠程控制站相當于機器人的大腦，機器人可以按照遠程工作站上預設的巡檢模式，沿著巡檢區(qū)域內(nèi)預鋪設的軌跡完成相應的巡檢工作。機器人巡檢過程中可以利用其自身攜帶的環(huán)境檢測傳感器及配套的拾音器、雙視云臺，實時將現(xiàn)場信息傳輸至機器人的遠程控制站處，所有信息經(jīng)過遠程控制站的分析處理，最終實現(xiàn)機器人系統(tǒng)對巡檢現(xiàn)場視覺、聽覺、嗅覺等全方位的巡檢監(jiān)護。機器人巡檢任務結(jié)束后將自動返回機器人軌道終端的充電裝置處，完成井下補電工作。如巡檢過程中發(fā)現(xiàn)設備故障，將第一時間發(fā)出聲光報警。整個過程不需人工干預，如圖3所示。

圖3 軌道巡檢機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

另外，機器人巡檢結(jié)果可以通過機器人遠程控制站處預留的TCP/IP接口，使用Modbus TCP協(xié)議將機器人巡檢結(jié)果上傳至調(diào)度室，實現(xiàn)巡檢信息的合理化利用。

同時，機器人輪式運動底盤采用四輪驅(qū)動形式，每個驅(qū)動配備了大功率電機，通過自身攜帶的大容量電池，也為機器人平臺的自由移動提供了有力的動力支撐。

2.3 巡檢機器人方案設計

大柳塔煤礦三盤區(qū)變電所全長120 m，寬4.8 m，所內(nèi)擁有防爆型高壓柜56臺，共6個進線段，主要承載5-2煤整個采取供配電。變電所實現(xiàn)無人值守后，現(xiàn)場設備硬件發(fā)生故障后，調(diào)度室無法遠程準確查看，因此設計安裝一套智能軌道式巡檢機器人，方便調(diào)度室遠程移動操作監(jiān)控攝像機，實時查看每臺高壓柜的現(xiàn)場顯示狀態(tài)及完好情況。

在變電所內(nèi)搭建巡檢機器人軌道：軌道材質(zhì)采用高強度鋁合金擠壓模型，可以拼接，并且根據(jù)現(xiàn)場地形設計彎曲度。最小彎軌道彎曲半徑為R300 mm，承載重量為50 kg以上，軌道防銹，防腐蝕。如圖5所示。

圖5 軌道巡檢機器人軌道結(jié)構(gòu)

采用無線充電裝置對機器人自動充電：當電量低于預設值時，機器人自動返回充電位置，到達充電位置后，限位開關(guān)閉合，主控制器給電源觸點控制端發(fā)送充電命令，電源觸點控制端開始對機器人進行充電。充電樁采用本安型電源箱作為充電來源，在接觸狀態(tài)下，實時判斷電量狀態(tài)，當電量低于預設值，實現(xiàn)對機器人內(nèi)部電池進行充電。實現(xiàn)了機器人自動補充電能，保證了安全性，充電功率可達20 W。

軌道巡航系統(tǒng)及視頻服務器等硬件設施：軌道巡航系統(tǒng)包括軌道、可移動小車、固定架、控制自檢系統(tǒng)、動力傳感系統(tǒng)和網(wǎng)絡攝像機。首先安裝固定架，將軌道與滑觸線平行安裝在固定架上，將網(wǎng)絡攝像機、動力傳感系統(tǒng)、控制自檢系統(tǒng)安裝在可移動小車上，可移動小車安裝在軌道上，通過皮帶連接可移動小車，點位自檢裝置分別安裝在軌道的兩端與動力傳感系統(tǒng)電信號連接，從功能上分為不定向巡航、控制自檢、承載動力等幾個部分。視頻處理單元是變電站端的核心設備，應用專業(yè)品牌視頻服務器，完成站內(nèi)所有音視頻信號及環(huán)境信息等控制器信息的解編碼、轉(zhuǎn)換處理、存儲和上傳等功能。

智能巡檢系統(tǒng)與自動化系統(tǒng)的聯(lián)動：利用系統(tǒng)高度模塊化、信息化特點，實現(xiàn)與變電所內(nèi)綜合自動化系統(tǒng)的聯(lián)動，當變電所內(nèi)某臺配電柜發(fā)生繼電保護動作、斷路器、隔離開關(guān)變位等事件時，系統(tǒng)主機發(fā)送控制命令至移動小車及攝像機，移動小車根據(jù)控制命令迅速移動至軌道的指定位置，并進行視頻信號采集、傳輸與存儲，從而實現(xiàn)對電氣設備的實時監(jiān)控，如圖6所示。軌道巡檢機器人效果如圖7所示。

圖6 軌道巡檢機器人系統(tǒng)原理

圖7 軌道巡檢機器人效果

3 結(jié)論

(1)通過應用變電所智能軌道巡檢系統(tǒng)，有效解決了無人值守變電所內(nèi)設備多、高壓設備對巡檢人員存在安全隱患，以及時間較長后巡檢人員可能存在惰性，導致巡檢工作疏忽等問題，并實現(xiàn)與自動化系統(tǒng)的聯(lián)動，確保及時發(fā)現(xiàn)設備異常并報警，提高了調(diào)度人員對數(shù)字化變電站的遙視監(jiān)控能力，縮短了變電設備的故障發(fā)現(xiàn)時間與缺陷排除的時間，進一步確保了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。目前該智能軌道式巡檢機器人在大柳塔煤礦三盤區(qū)變電所內(nèi)運行正常，在運行過程中可實時將設備運行情況和保護器顯示的故障原因上傳至智能控制中心，為地面操作人員遠程快速處理故障提供了依據(jù)。同時在員工停送電操作時，可遠程近距離的監(jiān)督現(xiàn)場操作情況，發(fā)現(xiàn)問題，及時糾正，確保員工規(guī)范操作。

(2)手機電子眼視頻監(jiān)控系統(tǒng)和變電所巡檢機器人上線運行，彌補了礦井整體自動化、智能化水平短板，節(jié)約成本200余萬元，提高人員工作效率，降低勞動強度，真正意義上實現(xiàn)了井下變電所的安全、穩(wěn)定、高效運行。