采煤機視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

周國慧，儲婷婷

（1.上海寅唯訊包裝機械有限公司，上海 201401；2.天地上海采掘裝備科技有限公司，上海 201401）

0 引言

視頻監(jiān)控在地面上是非常成熟的技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。煤礦井下的大巷、變電所等場所已經(jīng)廣泛使用這項技術(shù)但是在采煤機中，由于其在工作中常處于移動狀態(tài)，且受采煤惡劣工作環(huán)境的限制，目前國內(nèi)很少有使用集成攝像機的采煤機。而遠程視頻監(jiān)控是實現(xiàn)采煤機自動化少人甚至無人生產(chǎn)的一個必要條件[2]，因此研究并設(shè)計適合于采煤機使用的機載攝像機及視頻傳輸系統(tǒng)，其不僅對于提高井下采煤裝備自動化技術(shù)水平和技術(shù)含量有著重大意義，也是滿足我國煤礦井下采掘裝備遠距離遙控和安全作業(yè)需要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)整體原理結(jié)構(gòu)

采煤機視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從視頻信號的采集，到視頻信號的采樣量化、壓縮處理、調(diào)制、傳輸，然后是視頻數(shù)據(jù)接收端的解調(diào)、解碼，最后是視頻信號的還原再現(xiàn)。系統(tǒng)的電氣原理框圖如圖1所示。

圖1 機載攝像及順槽視頻監(jiān)視系統(tǒng)原理框圖

2 采煤機機載攝像機選型

工作面上低照度甚至零照度的環(huán)境，要求采煤機機載攝像機必須在低照度條件下能采集到清晰的圖像；另外井下工人隨身攜帶的高亮照明燈有可能照過被攝區(qū)域，這就要求攝像機需同時具有低照度、寬動態(tài)范圍、響應(yīng)時間快等特點。采煤機在牽引割煤過程中振動強烈，剛性連接到采煤機搖臂和機身上的攝像機如果沒有防抖措施，那么采集到的視頻圖像會產(chǎn)生抖動甚至虛影，導(dǎo)致視頻圖像質(zhì)量的下降。

綜上所述，項目設(shè)計中選用的攝像頭具有如下特點：

低照度功能，能滿足最低照度0.002Lux的要求，同時具備自動電子快門與自動增益功能（AGC），可適應(yīng)不同監(jiān)控環(huán)境[3]。寬動態(tài)范圍，動態(tài)范圍超過75dB；有效像素976×582，水平解析度可達700TVL滿足監(jiān)視圖像質(zhì)量的要求；具有電子防抖動功能，能有效的降低低頻機械振動對圖像采集的影響；單線復(fù)合視頻信號輸出形式，便于簡化應(yīng)用線路連接。

3 攝像機輔助照明系統(tǒng)

本文中所選用的攝像頭不能滿足井下采煤工作面零照度的要求，需要外加輔助照明光源。如外加單獨的輔助照明裝置，采煤機特別是薄煤層采煤機機身空間有限，難以為輔助照明裝置尋找合適的安裝位置，同時需增加電纜單獨給照明裝置供電，增加設(shè)備的復(fù)雜度和維護難度。項目中采用如下方案：把輔助照明燈集成于攝像機的內(nèi)部，使其易于安裝、維護。為了達到以上效果，需綜合考慮攝像機、照明燈的電源、信號走線、照明燈的散熱問題。

項目中采用的電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 攝像機電氣結(jié)構(gòu)框圖

其中攝像機對外只有一根四芯帶編織金屬絲屏蔽的礦用隔爆電纜，四根芯線兩兩雙絞：其中一組雙絞線負(fù)責(zé)給攝像機提供24VAC電源；另外一組雙絞線負(fù)責(zé)把攝像機采集到的模擬視頻信號傳輸給編碼器，利用雙絞線傳輸視頻信號，可以提高視頻信號抗干擾能力。

照明燈驅(qū)動模塊采用MORNSUN的超寬壓范圍輸入的大功率LED恒流源驅(qū)動模塊KC24RT-700，最大能提供700mA的驅(qū)動電流，配合Illumitex生產(chǎn)的高亮LED點陣，兩米處的照度能達到150Lux，使得攝像機在沒有額外光源的情況下，也能采集到清晰的圖像信號。給攝像頭供電的電源模塊采用金升陽的寬壓輸入隔離穩(wěn)壓DC/DC模塊URB2412JMD-3W，能為攝像頭提供穩(wěn)定的12VDC電壓，使其可靠工作。

4 攝像機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

攝像機內(nèi)部要集成攝像頭、驅(qū)動接口模塊、高亮LED點陣及其散熱裝置，另外攝像機還需要滿足GB3836-2010標(biāo)準(zhǔn)中隔爆設(shè)備的要求。攝像機殼體整體采用黃銅材料加工而成，發(fā)熱量大的器件——LED驅(qū)動器與高亮LED點陣直接或通過導(dǎo)熱性好的銅支架與殼體大面積連接，其結(jié)合面在安裝過程中涂抹導(dǎo)熱硅脂，以利于熱量可以更快地通過攝像機外殼散發(fā)到外部空間，避免攝像機隔爆腔內(nèi)熱量的持續(xù)累積，導(dǎo)致攝像機和照明燈驅(qū)動等電路失效，提高攝像機的可靠性。

圖3 攝像機外形效果圖

另外，為了方便外掛于采煤機特別是薄煤層采煤機機身上，攝像機的體積盡量小。同時為了滿足GB3836-2010標(biāo)準(zhǔn)中隔爆設(shè)備的要求,最終確定其內(nèi)部容積不超過100CM3，這樣可以進一步減小隔爆接合面的寬度。因此在設(shè)計結(jié)構(gòu)時盡可能地合理利用空間，在滿足散熱條件的同時盡量壓縮隔爆腔體積。實際設(shè)計中，攝像機內(nèi)部高度集成，空間利用非常緊湊，其外形效果圖如圖3所示。

5 視頻傳輸設(shè)計

由于煤礦井下通信線路及通信方式的限制，為了保證視頻流數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性，要求視頻信號的壓縮格式在保證視頻質(zhì)量的前提下盡可能少的占用傳輸帶寬[4-7]。在本文中，我們通過視頻傳輸延時實驗得出視頻編碼與解碼延時對于整個視頻傳輸系統(tǒng)具有重要影響。經(jīng)過權(quán)衡和驗證，我們最終采用了硬件編碼方式，并采用H.264視頻編碼壓縮技術(shù)[8]。

6 結(jié)語

性能試驗主要是對機載采煤機視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能和電氣性能進行驗證，主要試驗項目如下：

視頻信號直接傳輸模擬信號延時測試；視頻信號仿真實際傳輸系統(tǒng)延時測試；通過軟件方法測試單路及視頻信號傳輸波特率，同時測試壓縮編解碼前后波特率的變化；

攝像頭清洗電路及控制指令傳輸測試；

測試不同硬件配置運行軟件解碼器的效率；

目測視頻信號進過整個系統(tǒng)后還原圖像的質(zhì)量；

測試整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

經(jīng)過實驗室的各項電氣參數(shù)與工作性能的驗證后，將采煤機機載攝像機系統(tǒng)在車間裝在采煤機上試驗，通過試驗，實測視頻信號的延時為159ms，顯示屏還原的視頻圖像清晰穩(wěn)定。