井下綜采工作面無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

張東軍

陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局

井下綜采工作面無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究

張東軍

陜西煤礦安全監(jiān)察局榆林監(jiān)察分局

隨著煤礦井下信息化通信的不斷升級(jí)，對(duì)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性的要求越來越高，以此同時(shí)煤礦安全生產(chǎn)事故也不斷引起全社會(huì)和各級(jí)政府的高度重視，尤其在礦井采煤作業(yè)的第一線---采煤工作面，集中了大量的人員、設(shè)備，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，采煤工作面是煤礦安全事故的主要發(fā)生地點(diǎn)之一。為了確保采煤工作面的安全生產(chǎn)，減少煤礦安全事故的傷亡率，研究新型的、高性能的井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和模擬現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試的方法，研制和開發(fā)了井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)安裝方案進(jìn)行了深入研究。

無線電波；無線網(wǎng)橋；無線攝像儀；延時(shí)時(shí)間；采煤工作面

一、項(xiàng)目背景

隨著煤礦井下信息化通信的不斷升級(jí)，對(duì)礦井監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性的要求越來越高，尤其在礦井采煤作業(yè)的第一線---采煤工作面，集中了大量的人員、設(shè)備，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，采煤工作面是煤礦安全事故的主要發(fā)生地點(diǎn)之一[1]。為了確保采煤工作面的安全生產(chǎn)，減少煤礦安全事故的傷亡率，研究新型的、高性能的井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

無線視頻監(jiān)控相對(duì)傳統(tǒng)的有線視頻監(jiān)控而言優(yōu)勢(shì)非常明顯：

1.安裝無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)所需線路較少，線路開通速度快，在寬帶允許的情況下，可以根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)架設(shè)，隨時(shí)增加線路，安裝、擴(kuò)容方便。

2.有線視頻監(jiān)控的檢修維護(hù)需沿電纜線路查找故障點(diǎn)[2]，出現(xiàn)中斷、斷路等故障時(shí)，不能夠快捷迅速地找到原因，而無線視頻監(jiān)控的維修主要是檢查接收機(jī)和發(fā)射機(jī)(系統(tǒng)中的網(wǎng)橋)，出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)查出原因[3]。

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控和無線電波信號(hào)傳輸技術(shù)的結(jié)合，通過模擬攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，然后經(jīng)無線傳輸設(shè)備(無線網(wǎng)橋)處理以后傳至監(jiān)控中心。項(xiàng)目驗(yàn)收成功后，較為直觀的監(jiān)控采煤工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種情況，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種安全事故，而且可以給事后調(diào)查事故提供相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像資料[4]。

二、項(xiàng)目載體

1.無線網(wǎng)橋。本課題所采用的無線網(wǎng)橋同時(shí)包含接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，圖2-1是無線網(wǎng)橋的功能框架圖。

圖2-1 無線網(wǎng)橋功能框架圖

當(dāng)無線網(wǎng)橋處于發(fā)射功能時(shí)，視頻服務(wù)器把輸入的視頻信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)，通過網(wǎng)線傳輸給無線網(wǎng)橋的發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)把數(shù)字信號(hào)處理成無線電波信號(hào)，再通過天線向外發(fā)射。

當(dāng)無線網(wǎng)橋處于接受功能時(shí)，天線接收到無線電波信號(hào)，接收機(jī)把無線電波信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)。

2.無線攝像儀。無線攝像儀是井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心載體，一臺(tái)完整的無線攝像儀由無線網(wǎng)橋、視頻服務(wù)器和模擬攝像機(jī)組成，然后12V防爆電源同時(shí)給三者供電。模擬攝像機(jī)進(jìn)行采集視頻信號(hào)，視頻服務(wù)器處理視頻信號(hào)，然后再輸入無線網(wǎng)橋，由天線發(fā)射、接收視頻信號(hào)。

下圖分別是在采煤工作面同一位置用防爆相機(jī)和無線攝像儀與筆記本連接所取得的照片。

圖2-2 防爆相機(jī)所拍圖像

圖2-3 無線攝像儀所攝圖像

三、解決方案

采煤工作面安裝28臺(tái)無線攝像儀，工作面大概三百米長，174臺(tái)液壓支架，其中24臺(tái)無線攝像儀安裝在液壓支架上，4臺(tái)安裝在采煤機(jī)上(如圖2-4防爆相機(jī)所拍圖像)，監(jiān)控待采區(qū)煤層、刮板運(yùn)輸機(jī)軌道、液壓支架頂板、采煤機(jī)工作情況，把監(jiān)控到的圖像經(jīng)總網(wǎng)交換機(jī)實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控中心。

液壓支架上24臺(tái)無線攝像儀采用的是四級(jí)拓?fù)渲欣^連接方式(如圖3-1，3-2)。

圖3-1中標(biāo) 的總網(wǎng)交換機(jī)距離工作面約50米，之間有各種設(shè)備，布線難度大，因此在總網(wǎng)交換機(jī)旁邊安裝一臺(tái)只內(nèi)置無線網(wǎng)橋的無線攝像儀AP0(所有無線攝像儀用AP代替)，AP0用網(wǎng)線與總網(wǎng)交換機(jī)連接，采煤工作面的28臺(tái)無線攝像儀無線通信后，再通過AP1與AP0無線通信，AP0把所有視頻信號(hào)經(jīng)網(wǎng)線傳輸至總網(wǎng)交換機(jī)，最后傳到地面監(jiān)控中心[7]。

第一級(jí)無線攝像儀AP0是無限客戶端模式，第二級(jí)無線攝像儀AP1是中繼模式，第三級(jí)無線攝像儀AP2、AP3、AP4、AP5、都是接入點(diǎn)模式(相當(dāng)于四個(gè)“基站”)，其他所有無線攝像儀都是無線客戶端模式，并且設(shè)置成自由連接狀態(tài)，即哪個(gè)接入點(diǎn)模式的無線攝像儀發(fā)出的無線信號(hào)最強(qiáng)，無線客戶端就連接哪個(gè)。液壓支架上安裝19臺(tái)設(shè)置無限客戶端模式的攝像儀，工作時(shí)無線連接最近(信號(hào)最強(qiáng))的基站，而采煤機(jī)從工作面最左端到最右端來回運(yùn)動(dòng)時(shí)，采煤機(jī)上面的四臺(tái)無限客戶端模式的攝像儀也同樣連接距離最近的基站。這就好比坐汽車時(shí)用手機(jī)打電話，手機(jī)的信號(hào)是通過無線發(fā)射塔(相當(dāng)于基站)向別人的手機(jī)發(fā)射信號(hào)的，打電話過程中可能會(huì)經(jīng)過N個(gè)信號(hào)塔，那么手機(jī)就會(huì)不斷自動(dòng)切換所連接的基站，接入信號(hào)最強(qiáng)的基站來傳輸信號(hào)，這也是所謂的“無縫連接”功能。

圖3-1 四級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3-2 中繼連接結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)在不斷運(yùn)動(dòng)時(shí)，無線攝像儀會(huì)自動(dòng)切換到連接最近的“基站”，即使采煤機(jī)在工作面兩端，之間通信距離最遠(yuǎn)也不超過60米。

四、后期改進(jìn)措施

1、出現(xiàn)的問題。在井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方案三運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題：

1. AP4、AP5及所帶的第四級(jí)客戶端上傳的視頻圖像不連貫，容易延時(shí)中斷。

2.采煤機(jī)上的四臺(tái)無線攝像儀上傳的視頻圖像也容易延時(shí)中斷，未達(dá)到預(yù)期效果。

2、分析原因。

1.AP1作為整個(gè)系統(tǒng)的中繼，無線覆蓋不夠穩(wěn)定，和距離最遠(yuǎn)的AP4、AP5無線通信較易中斷，尤其在液壓支架移位時(shí)。

2.對(duì)本系統(tǒng)的各種路徑損耗和干擾嚴(yán)重時(shí)，系統(tǒng)的帶寬不足(延時(shí)中斷的主要原因)。

3、改進(jìn)措施。

1.增加AP1覆蓋范圍：更換AP0、AP1、AP4、AP5的天線，將原來的全向天線換成功率和增益更高的定向天線，譬如在AP1內(nèi)的無線網(wǎng)橋天線接口安裝一個(gè)微帶二公分，連接兩個(gè)定向天線，其中一個(gè)定向天線指向輔巷的AP0，另外一個(gè)指工作面的基站。

2.降低系統(tǒng)所占用帶寬：更改采煤機(jī)上面四臺(tái)無線攝像儀的連接方式，將四個(gè)單路視頻服務(wù)器換成一個(gè)四路視頻服務(wù)器。四個(gè)模擬攝像機(jī)裝在各自的防爆外殼內(nèi)，四路視頻服務(wù)器、12V電源和無線網(wǎng)橋裝在一個(gè)防爆外殼內(nèi)，12V電源同時(shí)給四臺(tái)模擬攝像機(jī)、四路視頻服務(wù)器和無線網(wǎng)橋供電，無線網(wǎng)橋連接兩個(gè)定向天線，指向采煤機(jī)的兩端。

工作原理：四臺(tái)模擬攝像機(jī)監(jiān)控采煤機(jī)運(yùn)行狀況，采集視頻信號(hào)，并且處理成電信號(hào)后傳輸給四路視頻服務(wù)器，經(jīng)視頻服務(wù)器處理以后傳輸給無線網(wǎng)橋，無線網(wǎng)橋設(shè)置無限客戶端模式，通過兩個(gè)定向天線發(fā)射給最近的基站。

實(shí)施效果：信號(hào)穩(wěn)定，視頻清晰通暢，延時(shí)中斷現(xiàn)象大幅度減少。

五、項(xiàng)目實(shí)施效果

通過一年多對(duì)無線攝像儀一系列的設(shè)計(jì)、測(cè)試以及整個(gè)系統(tǒng)在地面和采煤工作面的實(shí)驗(yàn)、試運(yùn)行，本系統(tǒng)把采煤工作面監(jiān)控到的所有視頻信號(hào)經(jīng)總網(wǎng)交換機(jī)進(jìn)入礦局域網(wǎng)，然后傳到地面調(diào)度室監(jiān)控中心的服務(wù)器(圖5-1)和調(diào)度大屏，在客觀條件限制的最大范圍內(nèi)，把采煤機(jī)工作面的視頻圖像穩(wěn)定地傳至地面監(jiān)控中心，系統(tǒng)達(dá)到驗(yàn)收條件。

六、項(xiàng)目展望

本課題研究的井下無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，基于無線攝像儀核心載體設(shè)計(jì)四級(jí)拓?fù)錈o線連接結(jié)構(gòu)，有效地克服了采煤工作面無線傳輸所存在的問題，但由于無線網(wǎng)橋仍存在的不穩(wěn)定性---較高故障率，由各種衰減引發(fā)的井下無線帶寬不足，等等這些問題有待于深入研究，因此本系統(tǒng)還有非常大的擴(kuò)展空間，其可靠性和實(shí)用性還需要進(jìn)一步提高。

[1]胡達(dá)濤等.實(shí)施礦山數(shù)字化技術(shù)的問題及策略[J]. 礦業(yè)快報(bào)，2008(3)： 21-23.

[2]吳東旭等. ImPact綜合通訊系統(tǒng)在地下礦山的應(yīng)用研究[J]. 礦業(yè)工程， 2008(3)：6-7

[3]張勇.網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在礦井安全生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].煤炭工程， 2003(7)：11-12

[4] 邵子健.基于3G移動(dòng)通信的視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[M]. 長安大學(xué)出版社， 2011：168-175

圖5-1 地面服務(wù)器的視頻監(jiān)控圖像