無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在綜采面中的應(yīng)用

何俊峰 姚新港 劉艷芳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在綜采面中的應(yīng)用

何俊峰 姚新港 劉艷芳

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

為了對(duì)綜采工作面機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故源頭并避免損失，對(duì)可以在綜采工作面復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間正常使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一種新的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于冗余性動(dòng)態(tài)自組織的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用先進(jìn)的無(wú)線多跳網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，并與傳統(tǒng)的視頻傳輸技術(shù)相結(jié)合，避免了傳統(tǒng)視頻通過(guò)鋪設(shè)光纖進(jìn)行傳輸時(shí)存在的各種問(wèn)題，解決了光纖在反復(fù)搬運(yùn)過(guò)程中容易折斷且難于維護(hù)的難題。試驗(yàn)證明，該無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)在綜采工作面具有理想的通信效果，視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻信號(hào)流暢，順槽和地面監(jiān)控主機(jī)的視頻圖像清晰。

綜采工作面 實(shí)時(shí)監(jiān)控 視頻監(jiān)控系統(tǒng) 無(wú)線Mesh 交換機(jī)

0 引言

當(dāng)前廣泛采用的井下網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)主要以有線通信為主，但是在采煤機(jī)的往復(fù)割煤過(guò)程中，工作面不斷地往煤層方向推移，這就使得采面光纖需要隨著綜采工作面的推移而不斷地移動(dòng)。光纖屬于易斷物品，此外工作面施工、頂板煤塊和矸石掉落及各種不可預(yù)知的因素也可能使光纖折斷，導(dǎo)致工作面網(wǎng)絡(luò)破壞，且由于可燃?xì)怏w的存在，焊接修復(fù)十分不便，網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)很困難［1］。這些因素阻礙了基于光纖的綜采工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)有線視頻傳輸在成本控制方面也不具有優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)當(dāng)前綜采工作面視頻技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，本文提出了基于無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)在綜采工作面具有理想的通信效果。

1 視頻信號(hào)采集原理

1.1 防爆攝像儀的選用

由于要在煤礦、井下等具有易燃易爆氣體的高危環(huán)境中使用，因此選用了KBA150礦用隔爆型光纖攝像儀。這是一種適用于含有甲烷等爆炸性混合氣體、具有爆炸危險(xiǎn)的礦井的專用圖像攝取和傳輸設(shè)備［3］。KBA150型礦用隔爆型光纖攝像儀主要由防爆外殼和機(jī)芯組成。機(jī)芯固定在防爆外殼內(nèi)，由光端機(jī)、攝像機(jī)和電源板三部分組成。KBA150礦用隔爆型光纖攝像儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KBA150型攝像儀結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of KBA150 camera

1.2 視頻信號(hào)的采集

光端機(jī)是防爆攝像儀的核心部分，其把一到多路的攝像機(jī)采集到的模擬信號(hào)通過(guò)各種編碼轉(zhuǎn)換成光信號(hào)后，通過(guò)光纖介質(zhì)進(jìn)行傳輸，是一種圖像信息光纖遠(yuǎn)程傳輸用的防爆終端設(shè)備。它將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并傳輸至順槽和地面監(jiān)控中心，保證信號(hào)的實(shí)時(shí)傳送［4］。

圖像信息占用字節(jié)空間較大，而無(wú)線傳輸?shù)膸捠怯邢薜?。所以，為了給無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)減輕負(fù)擔(dān)，必須對(duì)圖像信息進(jìn)行壓縮。本系統(tǒng)采用H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)，較H.263和MPEG-4節(jié)約了50%的碼率，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能;此外，H.264具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的無(wú)線信道中的視頻傳輸。H.264壓縮標(biāo)準(zhǔn)適合應(yīng)用于井下惡劣的工作環(huán)境中，確保了井下工作面無(wú)線視頻信號(hào)的傳輸質(zhì)量，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量［5］。

2 防爆攝像儀的布置

現(xiàn)以平煤六礦戊9-10-22210工作面為例進(jìn)行說(shuō)明。該工作面中的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)由分別安裝在液壓支架和采煤機(jī)上的10臺(tái)無(wú)線Mesh組成。綜采工作面中的視頻信號(hào)經(jīng)由9臺(tái)防爆攝像儀采集之后，先經(jīng)過(guò)工作面無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)，從環(huán)境惡劣的綜采工作面?zhèn)魉偷巾槻?，再?jīng)由井下光纖環(huán)網(wǎng)傳送到地面上的視頻監(jiān)控主機(jī)［6］。

2.1 無(wú)線Mesh的布置

六礦的無(wú)線Mesh安裝采用成熟技術(shù)，在工作面中從第二臺(tái)液壓支架開(kāi)始，每隔18 m左右(由于受支架上安裝的燈具影響，每臺(tái)交換機(jī)之間的距離不一定相同)在液壓支架上安裝一臺(tái)無(wú)線Mesh和防爆攝像儀。這些設(shè)備安裝之后還要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試，使得信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，順槽視頻監(jiān)控主機(jī)里的視頻圖像流暢［7］。綜采工作面無(wú)線Mesh及攝像儀的布局如圖2所示。

無(wú)線Mesh交換機(jī)在工作面呈直線狀分散布置，形成許多無(wú)線節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)架起具有冗余特性的網(wǎng)狀網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，避免了網(wǎng)絡(luò)有線連接形式的缺點(diǎn)［8］。通過(guò)對(duì)無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的布局，采煤機(jī)機(jī)載運(yùn)動(dòng)過(guò)程中至少要和兩臺(tái)無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)連接。當(dāng)一個(gè)Mesh節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的情況下，可通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)的自組織功能重新建立網(wǎng)絡(luò)路由，這樣就保證了綜采工作面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的冗余特性［9］。由于綜采工作面中兩臺(tái)無(wú)線Mesh之間的最佳傳輸距離為18～22.5 m，因此，當(dāng)兩個(gè)Mesh間距離大于75 m時(shí)，將無(wú)法正常通信。在此網(wǎng)狀網(wǎng)中，由于無(wú)線Mesh交換機(jī)的特性，使得數(shù)據(jù)傳輸會(huì)自動(dòng)選擇最短的傳輸鏈路，而此鏈路是否健壯將決定無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量高低。為保證采煤工作面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，對(duì)相距60 m以上的鏈路進(jìn)行清除［10］。

2.2 防爆攝像儀的布置

由于綜采工作面的空間比較狹小，且考慮到支架經(jīng)常需要進(jìn)行移架、推溜和拉架等動(dòng)作，同時(shí)交換機(jī)之間又不能有障礙物阻隔(否則信號(hào)就會(huì)受到阻礙)，因此將交換機(jī)和攝像儀一起用特制的鋼板架子安裝在液壓支架的頂梁上。這種布置既有利于保證無(wú)線交換機(jī)之間通信的暢通，又能夠盡可能地減少井下工作面空間。

3 視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示

為了對(duì)工作面攝像儀采集到視頻信息進(jìn)行輸出和監(jiān)控管理，在順槽主機(jī)或者地面監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上安裝視頻監(jiān)控管理組態(tài)軟件，以接收從工作面隔爆攝像儀發(fā)送的數(shù)據(jù)，解碼后以視頻的形式展現(xiàn)綜采工作面的生產(chǎn)場(chǎng)景。該組態(tài)軟件主要用來(lái)控制和管理網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器或攝像機(jī)。通過(guò)視頻監(jiān)控管理軟件與隔爆攝像儀的配合使用，最多可以同時(shí)顯示綜采工作面的9路視頻信號(hào)。順槽工作人員通過(guò)視頻管理軟件，能夠?qū)崟r(shí)觀察到工作面設(shè)備真實(shí)的運(yùn)行狀況以及人員的安全情況。此外，該軟件還能夠?qū)崿F(xiàn)云臺(tái)控制、視頻錄像、報(bào)警等功能設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的監(jiān)控報(bào)警、視頻會(huì)議等功能［11］。

4 視頻質(zhì)量的影響因素

在工作面復(fù)雜的環(huán)境下，有很多因素可能影響到主干無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)鏈路的連接強(qiáng)度。由于采煤工作面在工作中經(jīng)常處于移動(dòng)狀態(tài)，液壓支架的移架和錯(cuò)架時(shí)有發(fā)生，而交換機(jī)之間的信號(hào)都是以天線對(duì)天線的直線形式傳輸?shù)摹Ｒ虼?，極易阻擋無(wú)線交換機(jī)之間的信號(hào)傳輸通道，造成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的中斷，從而導(dǎo)致視頻信號(hào)無(wú)法傳送，對(duì)工作面的正常生產(chǎn)造成影響。為了避免這種現(xiàn)象的產(chǎn)生，可以使無(wú)線Mesh交換機(jī)在支架上的安裝位置盡量靠近煤壁，且離支架頂梁的高度保持適當(dāng)?shù)木嚯x。在這個(gè)工作面中，每臺(tái)無(wú)線交換機(jī)距離液壓支架頂梁的距離為25 cm。

由于兩臺(tái)無(wú)線交換機(jī)之間的最大傳輸距離是66 m，因此為了保證最佳的傳輸質(zhì)量，經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，將無(wú)線交換機(jī)的參數(shù)設(shè)置如下:傳輸功率確定為15 dBm，傳輸速率為36 Mbit/s。為了保證信號(hào)的連接強(qiáng)度足夠穩(wěn)定，交換機(jī)必須處于水平或天線朝上的狀態(tài)。但是各臺(tái)支架的情況都不盡相同，具體到每一臺(tái)Mesh的設(shè)置，還要本著信號(hào)傳輸最佳的原則進(jìn)行靈活設(shè)置，盡量使采面的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)鏈路處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

5 視頻信號(hào)穩(wěn)定性分析

無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性是決定本套系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此應(yīng)該間隔地檢查無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，防止其出現(xiàn)連接故障而影響視頻監(jiān)控效果。此外，為保證采煤工作面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，應(yīng)該及時(shí)對(duì)視頻管理軟件中出現(xiàn)的紅色數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行清除。當(dāng)出現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)節(jié)點(diǎn)顯示連接正常但得不到視頻信號(hào)的情況時(shí)，需要進(jìn)行故障點(diǎn)到底是在攝像頭上還是在無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)上的判斷，判斷的方法如下。

① 打開(kāi)命令提示符，輸入“cmd”點(diǎn)擊“確定”后彈出窗口，輸入telnet+IP地址(網(wǎng)狀網(wǎng)的 IP地址，如192.168.224.XXX)，出現(xiàn)登陸畫(huà)面后輸入用戶名密碼，之后進(jìn)入網(wǎng)狀網(wǎng)。

②ping無(wú)線交換機(jī)在網(wǎng)狀網(wǎng)中指定的IP地址。此方法是檢測(cè)端頭交換機(jī)到指定無(wú)線交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)情況(網(wǎng)狀網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)IP地址在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理軟件中節(jié)點(diǎn)處顯示)。如 ping 1.1.136.56 命令，即為 IP 地址從1.1.136.150 端頭無(wú)線交換機(jī)到 1.1.136.56 無(wú)線交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)狀況。

③若ping通后得到相應(yīng)的顯示界面，則說(shuō)明無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)工作正常，得不到視頻信號(hào)的原因可以確定為攝像頭或連接光纖出現(xiàn)故障;否則如果響應(yīng)時(shí)間超過(guò)10 ms，則表明網(wǎng)絡(luò)不通，無(wú)線Mesh節(jié)點(diǎn)工作不正常。此時(shí)應(yīng)該檢查各臺(tái)Mesh的工作狀況，檢查其光纖連接是否松動(dòng)或斷開(kāi)，以及給其供電的本安電源是否處于接通狀態(tài)，并檢查電源接頭是否有松動(dòng)的情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

本套系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成功應(yīng)用于中國(guó)平煤神馬集團(tuán)六礦22210綜采工作面，運(yùn)行效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”智能監(jiān)測(cè)與協(xié)同控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過(guò)在地面主機(jī)實(shí)時(shí)顯示綜采工作面的工作狀況，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)［12］和人員活動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)視。隨著本課題組對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，必將對(duì)轉(zhuǎn)變煤炭生產(chǎn)作業(yè)方式和實(shí)現(xiàn)安全高效發(fā)展產(chǎn)生重大的推力。

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Application of Wireless Mesh Network Video Monitoring System in Mechanized Mining Face

In order to monitor mechanical equipment of mechanized mining face in real time and timely discover accident source and avoid losses，the video monitoring system that can be long term used properly under complex and changing harsh environments is researched and a new monitoring system is proposed.The system is based on redundant dynamic ad-hoc wireless Mesh network technology，and the advanced wireless multi-hop Mesh topology is adopted.In addition，by combining traditional video transmission technology，various problems existing in optical fiber video transmission can be avoided，thus the problem of optical fiber is easily broken in repeated transportation can be solved.The test verifies that this wireless Mesh network offers ideal communication effect in mechanized mining face，the video signals of the system are smooth，the video images of crossheading and host computer on the ground are clear.

Mechanized mining face Real time monitoring Video monitoring system Wireless Mesh Switches

TD63

A

修改稿收到日期:2013－04－17。

何俊峰(1985－)，男，現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事綜采自動(dòng)化方面的研究。

圖2 無(wú)線Mesh及攝像儀布局圖

Fig.2 Layout of wireless Mesh and camera