基于OPC UA 的視頻聯(lián)動礦山報警監(jiān)控系統(tǒng)研究與應用

李剛 盧華亮

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司）

1 背景和現(xiàn)狀

根據(jù)調研，多年來我國大多數(shù)礦山企業(yè)均已投入了多種安監(jiān)設備對危險區(qū)段實時監(jiān)控，主要分為兩大類：一類是以瓦斯、CO、風速、溫度、水倉水位、電流、機電設備饋電等傳感器為主的數(shù)值型監(jiān)測設備，它們測量的數(shù)據(jù)通過工業(yè)網絡接入各車間的PLC 控制設備，一旦數(shù)值超限異常會觸發(fā)報警；另一類是安裝在井下及井上各關鍵區(qū)域的視頻攝像頭設備，它們通過專用網絡接入視頻服務器，在監(jiān)控室可以調出任意攝像頭通道畫面實時查看。數(shù)值監(jiān)測和視頻監(jiān)控兩套系統(tǒng)各自獨立，相互間無法關聯(lián)交互，成為兩個“信息孤島”。比如PLC 數(shù)值監(jiān)控系統(tǒng)雖然第一時間發(fā)出某區(qū)域CO 濃度超標的報警，但操作人員還需手動從視頻服務器的上千路視頻中逐層檢索出對應場所的畫面，才能確認現(xiàn)場情況并對人員發(fā)出警報。由于未實現(xiàn)視頻畫面的實時聯(lián)動，每次人工手動對照要花費幾秒到幾十秒的操作時間，不僅增加了工作量，更延長了故障處理響應時間，埋下了嚴重的安全隱患。

另一個普遍存在的問題是，采礦各生產車間的數(shù)值型傳感器往往是分散安裝的，數(shù)據(jù)就地采集到各車間的主控PLC 中；但由于PLC 廠家和型號眾多，各自支持的網絡和協(xié)議不同，對報警數(shù)據(jù)的集中采集和傳輸造成極大困難。這就要求我們根據(jù)礦山企業(yè)的設備特點，對比分析研究，找到一種受多數(shù)PLC 廠家支持的標準化的工業(yè)網絡通訊協(xié)議，并開發(fā)實現(xiàn)與現(xiàn)有PLC 設備間的通訊接口，打通數(shù)據(jù)高速公路的“最后一公里”，對既有PLC 系統(tǒng)“零入侵”和最小化改造，完成中心報警服務器的通訊采集和建設。如圖1 所示，為采用OPC UA 工業(yè)網絡標準，開發(fā)協(xié)議接口與多種主流PLC 的原生協(xié)議（Modbus、Melsec-Q等）實現(xiàn)對接，包括西門子S5 和S7 系列、倍福（Beckhoff）、施耐德（Schneider）、菲尼克斯（Phoenix）、羅克韋爾（AB）和三菱（Mitsubishi）等，通過高速工業(yè)互聯(lián)網實時采集傳感器報警數(shù)據(jù)到中心報警服務器。

圖1 基于OPCUA 標準協(xié)議采集多廠商PLC 報警數(shù)據(jù)

2 意義、實施必要性

通過本文研究課題，將有效解決礦山數(shù)值報警傳感設備的互聯(lián)互通問題，在報警企業(yè)網絡中建設“報警數(shù)據(jù)高速公路”，提升報警效率、降低事故發(fā)生的可能。將進一步彌補礦山生產企業(yè)常見的數(shù)據(jù)報警和視頻監(jiān)控之間的“數(shù)據(jù)鴻溝”，從根本上解決安全監(jiān)控系統(tǒng)中的“信息孤島”問題。粗略估計，數(shù)據(jù)報警時的視頻檢索時間，將從之前的平均15 秒左右，大幅縮減到視頻聯(lián)動后的1秒以內，從而顯著提升事故預警和報警處理效率、有效避免安全事故；同時，預估能節(jié)省操作工人的監(jiān)控工作量50 %以上，減員增效效果明顯。

3 基于OPC UA 的視頻聯(lián)動礦山報警監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于OPC UA 消除“信息孤島”，匯聚傳感數(shù)據(jù)到報警中心

礦業(yè)安全報警監(jiān)控系統(tǒng)的首要問題是將廣泛安裝在各生產場所的大量傳感器信號實時采集起來并集中處理數(shù)據(jù)。其中包括但不限于甲烷傳感器、CO 傳感器、風速、溫度、水倉水位、電流、負壓等模擬量傳感器，也包括機電設備開停、機電設備饋電狀態(tài)、風門開關狀態(tài)等開關量傳感器。它們就像醫(yī)生的聽診器，遍布于礦山各生產車間，時刻為安全“把脈”。

但是，由于不同生產區(qū)域采用的自動化PLC系統(tǒng)品牌多樣、物理網絡更是五花八門，經常遇見各個PLC 品牌之間不同的硬件或軟件協(xié)議不通用的窘境。由于現(xiàn)實的原因，各個現(xiàn)場控制單元內的傳感器數(shù)據(jù)無法互聯(lián)互通，更無法統(tǒng)一匯聚到整個廠級的“報警數(shù)據(jù)中心”，各個“信息孤島”孤立地存在，如圖2 所示。這為中心報警監(jiān)控平臺開發(fā)造成極大困難。

圖2 礦山報警監(jiān)控系統(tǒng)“信息孤島”示意圖

為了解決信息孤島問題，最重要的是在對原有各單元PLC 控制系統(tǒng)盡量少改造或不改造的前提下，實現(xiàn)網絡系統(tǒng)和通訊協(xié)議的統(tǒng)一。本文根據(jù)前期企業(yè)調研的具體情況，采用最新工業(yè)物聯(lián)網技術，以OPC UA 協(xié)議規(guī)范采用C#語言實現(xiàn)了一套通用的協(xié)議適配網關程序，通過它對接各廠商的PLC 系統(tǒng)，將廠商原生的私有協(xié)議轉換為OPC UA 協(xié)議，為多廠商異構硬件數(shù)據(jù)雙向交換架設了高速的通訊橋梁[1]。

OPC 全稱是OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control。為了便于自動化行業(yè)不同廠家的設備和應用程序能相互交換數(shù)據(jù)，定義了一個統(tǒng)一的接口函數(shù)，就是OPC 協(xié)議規(guī)范。經典的OPC 是基于Windows COM/DOM 技術，可以使用統(tǒng)一的方式去訪問不同設備廠商的產品數(shù)據(jù)。經過數(shù)十年的發(fā)展，OPC 技術已工控領域數(shù)據(jù)交互的主流技術，受業(yè)界主流廠商支持。簡單來說OPC 就是為了用于設備和軟件之間交換數(shù)據(jù)的一套通用的協(xié)議。但是，其也有配置繁瑣、不支持跨網段通訊、受限于Windows 無法跨平臺等缺點。

為了應對標準化和跨平臺的趨勢，OPC 基金會近些年推出了全新的標準OPC UA，為制造現(xiàn)場到企業(yè)資源技術系統(tǒng)間傳輸原始數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)提供了一個優(yōu)秀的方案。它可以連接更多的設備，獨立于微軟、UNIX 或其他操作系統(tǒng)，能成為連接企業(yè)級計算機與嵌入式自動化的橋梁；它還加強了數(shù)據(jù)授權保護手段，可通過用戶鑒權、簽名和加密傳輸?shù)确绞奖Ｗo數(shù)據(jù)安全，能有效避免礦山生產數(shù)據(jù)泄露的危險。如圖3 所示，為企業(yè)存在的多廠商PLC、DCS、智能儀表設備，在使用OPC 協(xié)議前后數(shù)據(jù)傳輸模型的變化示意圖。可以看出，左圖中繁雜的私有協(xié)議（彩色箭頭）通訊，被單一的OPC UA 協(xié)議通訊棧（黑色箭頭）替代，極大降低了應用集成的難度；同時保留了私有協(xié)議的實時性,典型的OPC UA 數(shù)據(jù)交互延時均在百毫秒級別。

圖3 多廠商異構硬件使用OPC 前后數(shù)據(jù)交互模型

得益于OPC UA 獨立于制造商，應用可以統(tǒng)一用它通信，開發(fā)者可以用不同編程語言對它開發(fā)。基于主流的C++和C#語言，業(yè)界也積累了豐富的開發(fā)資源，OPC 基金會網站上也有大量的開發(fā)示例、類庫和文檔，降低了開發(fā)難度和項目開發(fā)風險。

最終借助OPC UA 開發(fā)適配程序，能夠將礦山企業(yè)傳感報警信息統(tǒng)一集中到報警中心，如圖4所示，為進一步與視頻畫面聯(lián)動奠定基礎。

圖4 消除“信息孤島”實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)高速互聯(lián)

3.2 基于視頻行業(yè)標準進行二次開發(fā)，為礦山報警平臺賦能視頻資源

礦山企業(yè)另一大類安監(jiān)手段為全天候視頻監(jiān)控,它是由現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭采集廠區(qū)所有關鍵區(qū)域的實時現(xiàn)場視頻畫面。隨著視頻監(jiān)控行業(yè)發(fā)展,絕大多數(shù)企業(yè)均以建設了集中式的視頻監(jiān)控云平臺,如海康威視的iWork-Safety 企業(yè)安監(jiān)管理平臺、Infovision 智慧礦山平臺等，借助物聯(lián)網技術對全廠攝像頭整合、管理并存儲歷史視頻數(shù)據(jù)。但是這些平臺是自成體系的，且與前述的傳感報警PLC 數(shù)據(jù)是相互隔離的，無法直接將視頻畫面與結構化數(shù)據(jù)在單一應用中整合。為解決這一問題，海康（Hikvision）和大華（Dahua）公司不斷開放自己的平臺，提供了符合視頻行業(yè)標準（ONVIF、GB/T28181、GA/T1400、JT/T808 等）的軟件開發(fā)工具（Soft Develop Kit），為第三方應用視頻融合賦能[2]。如圖5 示為海康平臺視頻開放SDK 功能示意圖。本項目使用C#語言開發(fā)客戶端接入，實現(xiàn)報警畫面的實時預覽、歷史回放、云臺控制等，使礦山生產安全監(jiān)控單一系統(tǒng)中的視頻聯(lián)動報警成為可能。

圖5 海康Infovision 視頻融合賦能平臺SDK 功能框圖

3.3 基于預置在線規(guī)則庫，聯(lián)動傳感數(shù)據(jù)和視頻畫面實現(xiàn)綜合預警

傳感數(shù)據(jù)與監(jiān)控畫面，這兩大類報警數(shù)據(jù)源，前者為結構化數(shù)據(jù)，后者為流媒體視覺數(shù)據(jù)，二者在采集、存儲、分析、報警各方面的處理方式都各不相同。因此，一直以來兩者之間無法進行信息數(shù)據(jù)有效整合，由于技術等原因，連同一礦區(qū)同一事件所引起的傳感報警和監(jiān)控畫面，都沒能有效地實現(xiàn)報警聯(lián)動。例如，實際處理突發(fā)事故時，傳感報警平臺收到某個瓦斯?jié)舛瘸叩木o急報警，需要操作工人手動查詢傳感器所在安裝具體區(qū)域，再按照事發(fā)地點從視頻管理云平臺的樹狀層級中一級級查找出所需視頻畫面，才能進一步地報警確認和處理。這樣一個十幾秒到幾十秒的操作時間，對很多重特大事故預警是不可容忍的；同時繁瑣的手工操作也會增加操作工工作量，容易造成視頻漏查、不查等問題，成為很多生產安全事故的嚴重隱患。

本文在打通兩類數(shù)據(jù)交互的基礎上，著力研究解決兩類報警的實時聯(lián)動綜合預警問題。采用在報警系統(tǒng)中預置“在線規(guī)則庫”[3]，首先梳理出所有報警點所在傳感器的位置信息庫，以及所有攝像頭安裝場所的位置信息庫；再基于“同一場所的傳感器和攝像頭應建立關聯(lián)”的原則，將基于地點的關聯(lián)信息插入到規(guī)則庫中；然后基于礦山煤炭企業(yè)的業(yè)務特點和經驗，進一步增加業(yè)務關聯(lián)信息到規(guī)則庫中，例如，生產的上（下）游環(huán)節(jié)傳感報警有可能需要及時查看下（上）游的視頻畫面，或者換種說法，如果發(fā)電機組缺相故障傳感器報警，就需要盡快調出井下關鍵礦道的視頻，檢查照明、生產是否受影響是否有潛在危險。

視頻聯(lián)動報警平臺在運行時，會加載這些預置好的“實時規(guī)則庫”。當采集的某一個傳感實時數(shù)據(jù)發(fā)生預警，除了在畫面上進行顏色閃爍、發(fā)聲發(fā)光等傳統(tǒng)報警外，還將快速檢索在線“實時規(guī)則庫”，查找是否有匹配的規(guī)則；匹配命中后，根據(jù)規(guī)則內容，系統(tǒng)獲知一個或多個相關的監(jiān)控攝像頭ID 號；在一秒鐘以內，調用視頻平臺SDK 完成所需監(jiān)控畫面的實時預覽，并能對畫面3D 放大、云臺控制及查看回放等。整個過程如圖7 中所示。

此外，視頻聯(lián)動報警平臺，還具備“規(guī)則編輯器”功能，以供礦山企業(yè)用戶對“在線規(guī)則庫”中的規(guī)則維護完善，如添加、修改、刪除、顯示、保存等功能，方便用戶操作，并增強系統(tǒng)的可擴展性和易用性。

4 結論

（1）本文針對玉溪大紅山礦業(yè)有限公司的實際生產狀況，通過理論論證與現(xiàn)場測驗，基于OPC UA 協(xié)議使用C#語言開發(fā)AB/SIEMENS 等常見品牌PLC 和智能傳感器的接入網關程序，實現(xiàn)傳感器報警數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集到報警數(shù)據(jù)中心；使用C#語言開發(fā)基于ONVIF 標準的客戶端接入，實現(xiàn)報警畫面的實時預覽、歷史回放、云臺控制等；

（2）成功設計并編寫出一套易用可擴展的礦山視頻聯(lián)動在線“規(guī)則系統(tǒng)”，數(shù)據(jù)報警時能夠自動跳轉到關聯(lián)監(jiān)控畫面，完成報警系統(tǒng)與視頻的聯(lián)動，實現(xiàn)礦山生產設備的傳感器報警與視頻監(jiān)控的高度統(tǒng)一，形成多維度的礦山安全報警綜合研判體系。