煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉學(xué)紅，李子園，宋鐵成

（1.山東兗礦集團(tuán)鄂爾多斯能化公司營(yíng)盤(pán)壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200；2.東南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

為適應(yīng)新版《煤礦安全規(guī)程》需求，并結(jié)合煤礦生產(chǎn)的實(shí)際情況，本文對(duì)調(diào)度通信和視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合升級(jí)改造，建立高度融合的一體化綜合調(diào)度平臺(tái)。

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)充分兼容了原有無(wú)線通信設(shè)備，通過(guò)控制中心實(shí)現(xiàn)煤礦的視頻監(jiān)控以及雙向通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，在應(yīng)急時(shí)刻更能發(fā)揮出它獨(dú)特的應(yīng)急指揮作用[1]。綜合了通信領(lǐng)域TDM，VoIP等先進(jìn)技術(shù)，充分利用現(xiàn)有的煤礦生產(chǎn)已建TDM網(wǎng)絡(luò)，搭建綜合一體化系統(tǒng)，同時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)化操作，更好地為礦井應(yīng)急救援服務(wù)[2]。系統(tǒng)采用合理設(shè)計(jì)，保障系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全，減少系統(tǒng)故障隱患同時(shí)采用了先進(jìn)、成熟的技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性，成為礦井安全生產(chǎn)保障的有力手段。

本文介紹的煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦生產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和集中連鎖控制，包括控制中心、傳輸平臺(tái)和前端設(shè)備3個(gè)部分，并闡述了各個(gè)部分的具體實(shí)現(xiàn)方案。

1 煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)的總體方案

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)的總體方案如圖1所示，由控制中心、傳輸平臺(tái)和前端設(shè)備3個(gè)部分組成。

圖1 煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)總體方案

控制中心是煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)的樞紐，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)配置、業(yè)務(wù)管理、影音存儲(chǔ)、其他系統(tǒng)接入等?？刂浦行挠煽傉{(diào)度臺(tái)、IP語(yǔ)音交換機(jī)、廣播總站、數(shù)據(jù)服務(wù)器4個(gè)設(shè)備組成。

傳輸平臺(tái)負(fù)責(zé)控制中心與前端設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，利用礦用本安型交換機(jī)，與礦上現(xiàn)有的環(huán)網(wǎng)平臺(tái)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換，保證系統(tǒng)的互聯(lián)互通。傳輸平臺(tái)主要由傳輸設(shè)備和礦井中的傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。

前端設(shè)備由無(wú)線基站、攝像儀、廣播分站組成，前端設(shè)備遍布煤礦生產(chǎn)的幾乎各個(gè)區(qū)域。前端設(shè)備的主要功能為提供無(wú)線通信服務(wù)，采集視頻監(jiān)控錄像，廣播語(yǔ)音報(bào)警提示以及安全知識(shí)，實(shí)現(xiàn)廣播站之間對(duì)講等。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)完成了對(duì)調(diào)度通信和視頻監(jiān)控的一體化，采用統(tǒng)一的傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制中心與前端設(shè)備的通信?？刂浦行?、傳輸平臺(tái)和前端設(shè)備3個(gè)部分的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如下所述。

2.1 控制中心

控制中心結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括總調(diào)度臺(tái)、IP語(yǔ)音交換機(jī)、廣播總站、數(shù)據(jù)服務(wù)器?？刂浦行耐ㄟ^(guò)傳輸平臺(tái)向前端設(shè)備下達(dá)各項(xiàng)指令并收集前端設(shè)備反饋的各項(xiàng)信息。

圖2 控制中心結(jié)構(gòu)

總調(diào)度臺(tái)采用KTJ113調(diào)度主機(jī)并配備ZSK-1型觸摸屏調(diào)度臺(tái)。調(diào)度主機(jī)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，主控采用Motorola PowerPC系列的專業(yè)通信控制平臺(tái)，VoIP板主控采用MindSpeed專業(yè)語(yǔ)音控制和處理芯片，調(diào)度臺(tái)主控采用ARM7/9專業(yè)工業(yè)控制平臺(tái)，具有強(qiáng)大的處理能力和高可靠性設(shè)計(jì)。觸摸屏設(shè)計(jì)提高了操作便捷性，尤其適用于緊急情況下的通信調(diào)度。

IP語(yǔ)音交換機(jī)是系統(tǒng)的核心設(shè)備，采用的是一種滿足多業(yè)務(wù)、多制式的全I(xiàn)P接入平臺(tái)BL8000C IP語(yǔ)音交換機(jī)，其綜合了通信領(lǐng)域的多種TDM，VoIP及移動(dòng)的先進(jìn)技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了有線、無(wú)線、VoIP綜合業(yè)務(wù)接入及調(diào)度。用于完成語(yǔ)音交換、號(hào)碼配置、錄音功能、號(hào)碼狀態(tài)查詢等，支持?jǐn)?shù)字中繼（PRI信令）、錄音、配合調(diào)度臺(tái)實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能、手機(jī)短信、配合語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)撥打外線的功能。

廣播總站采用了KTK113（A）礦用本質(zhì)安全型廣播總站，其傳輸距離長(zhǎng)且工作機(jī)制為全雙工。廣播總站實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下廣播分站的定時(shí)廣播、多路廣播、分區(qū)廣播、人工呼叫自動(dòng)廣播、一鍵群呼、自動(dòng)播放、自主定制預(yù)案等功能。

數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行影音存儲(chǔ)以及對(duì)廣播系統(tǒng)進(jìn)行錄音存儲(chǔ)，大容量硬盤(pán)保證錄音文件的長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)，正常工作錄音存儲(chǔ)不少于1個(gè)月。同時(shí)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器接收處理人員定位提供的數(shù)據(jù)信息，并將相關(guān)的處理結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給廣播總站，聯(lián)動(dòng)廣播分站發(fā)出指定的報(bào)警聲音。

2.2 傳輸平臺(tái)

目前大多數(shù)煤礦生產(chǎn)的有線、無(wú)線、廣播仍是獨(dú)立架構(gòu)，需要調(diào)度員分別操作相應(yīng)的系統(tǒng)軟件，井下設(shè)備傳輸通道相互獨(dú)立，未能減少傳輸線纜和維護(hù)工作量，只能通過(guò)中繼連接。而本文中的煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)應(yīng)用了開(kāi)放的VoIP技術(shù)[3]，在傳輸平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的互聯(lián)互通，采用的有線、無(wú)線、廣播系統(tǒng)均基于以太網(wǎng)架構(gòu)，可以將有線、無(wú)線、廣播的信息有機(jī)融合，在一個(gè)傳輸平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)的傳輸平臺(tái)采用開(kāi)放式交換平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想，可配置豐富的用戶和中繼接口，并兼容多種信令和協(xié)議，以滿足控制中心設(shè)備和前端設(shè)備需要[4]。傳輸平臺(tái)中使用到的主要接口有：FXS二線用戶接口、FXO環(huán)路中繼接口、數(shù)字中繼接口、以太網(wǎng)接口、2B+D接口、隔離RS422接口。傳輸平臺(tái)中使用到的主要電信信令和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有：中國(guó)No.1，中國(guó)No.7，PRI/PRA，SIP，Tcp/Ip，F(xiàn)TP/TFTP。

傳輸平臺(tái)在提供傳統(tǒng)窄帶業(yè)務(wù)的同時(shí)，也提供了寬帶業(yè)務(wù)的應(yīng)用。例如IP話音、數(shù)據(jù)和圖像業(yè)務(wù)。針對(duì)不同的IP業(yè)務(wù)，進(jìn)行專門(mén)的信令解析，用于實(shí)現(xiàn)SIP協(xié)議棧功能。在IP組網(wǎng)方式上，采用多種靜態(tài)或動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的方式完成組網(wǎng)，如DOD1+BID，DOD1+DID，DOD2+BI，DOD2+DID，可滿足各種專用、公用電信網(wǎng)組網(wǎng)要求。

2.3 前端設(shè)備

前端設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示，由分布在煤礦各個(gè)區(qū)域的無(wú)線基站，攝像儀和廣播分站組成。前端設(shè)備通過(guò)傳輸平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)至控制中心并執(zhí)行控制中心下達(dá)的各項(xiàng)指令。

無(wú)線基站采用KT162-F礦用本安型無(wú)線基站，其通信協(xié)議為 IEEE802.11b/g。其主要功能為與巡檢人員的KJD3.7礦用本安型手持終端的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括上傳人員定位信息、巡檢信息及與呼叫通信的功能。通過(guò)與手持終端進(jìn)行無(wú)線通信，控制中心可以直接呼叫指定巡檢人員，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢人員的指揮調(diào)度。

圖3 前端設(shè)備結(jié)構(gòu)

攝像儀采用KBA12礦用本質(zhì)安全型攝像儀，其防爆性能好、分辨率高，適應(yīng)于井下煤礦生產(chǎn)環(huán)境。攝像儀將煤礦生產(chǎn)的實(shí)時(shí)圖像及現(xiàn)場(chǎng)聲音通過(guò)傳輸平臺(tái)傳輸至控制中心，由調(diào)度臺(tái)實(shí)時(shí)查詢煤礦生產(chǎn)各區(qū)域的視頻監(jiān)控，數(shù)據(jù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)一個(gè)月內(nèi)的由攝像儀記錄的視頻監(jiān)控錄像。

廣播分站采用KTK113（A）礦用本質(zhì)安全型廣播分站。廣播分站除廣播由廣播總站發(fā)布的安全知識(shí)、交接班音樂(lè)、應(yīng)急撤離指示等，還可以實(shí)現(xiàn)與廣播總站的對(duì)講和廣播分站間的對(duì)講功能。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)軟件平臺(tái)按照功能劃分為4個(gè)模塊，分別為調(diào)動(dòng)通信模塊、人員定位模塊、視頻監(jiān)控模塊和廣播對(duì)講模塊。為保障煤礦生產(chǎn)過(guò)程的安全性，本系統(tǒng)特別增設(shè)了“一鍵式”應(yīng)急救援功能，確保事故發(fā)生時(shí)，多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)指揮現(xiàn)場(chǎng)人員撤離。

3.1 軟件平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)軟件平臺(tái)將調(diào)動(dòng)通信、人員定位、視頻監(jiān)控、廣播對(duì)講多項(xiàng)功能融合到統(tǒng)一的軟件平臺(tái)中，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了操作步驟。煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)軟件平臺(tái)功能模塊如圖4所示。

圖4 軟件平臺(tái)功能模塊

調(diào)度通信模塊可以對(duì)巡檢人員的手持終端進(jìn)行實(shí)時(shí)呼叫，針對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行一鍵組呼或一鍵全呼，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下巡檢人員的統(tǒng)一高效指揮，也保障了煤礦生產(chǎn)的安全性。同時(shí)，調(diào)度通信模塊也可以接收巡檢人員通過(guò)手持終端上傳的巡檢數(shù)據(jù)或報(bào)警信息。接收到的巡檢數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)篩查核實(shí)后，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)服務(wù)器中。為接收到的報(bào)警信息及時(shí)核查，作出反饋并執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案。

人員定位模塊根據(jù)手持終端的實(shí)時(shí)定位能確定所有煤礦工作人員的工作位置。在正常煤礦生產(chǎn)中，根據(jù)人員定位進(jìn)行合理工作調(diào)度；在緊急報(bào)警狀態(tài)下，結(jié)合人員定位疏散工作人員，如出現(xiàn)工作人員被困井下，及時(shí)確定被困位置。

視頻監(jiān)控模塊能夠?qū)崟r(shí)查看煤礦各個(gè)區(qū)域的視頻監(jiān)控，并調(diào)閱一個(gè)月內(nèi)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器的視頻監(jiān)控錄像。視頻監(jiān)控模塊能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過(guò)程中的安全隱患；檢查巡檢人員工作情況；在發(fā)生應(yīng)急事件時(shí)，也可以直觀地了解煤礦生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)狀況。

廣播對(duì)講模塊的功能表現(xiàn)為通過(guò)廣播分站對(duì)整個(gè)煤礦實(shí)時(shí)廣播應(yīng)急車指示、交接班音樂(lè)、安全知識(shí)等。此外，廣播對(duì)講模塊也可以實(shí)現(xiàn)廣播總站與某一個(gè)或幾個(gè)廣播分站進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)講。

3.2 “一鍵式”應(yīng)急救援功能

安全問(wèn)題一直以來(lái)都是煤礦生產(chǎn)中的重中之重，本系統(tǒng)應(yīng)對(duì)應(yīng)急救援問(wèn)題時(shí)的“一鍵化”設(shè)計(jì)，大大簡(jiǎn)化了調(diào)度員的操作步驟，使得在緊急情況下，調(diào)度人員能更快捷地完成全礦廣播，視頻監(jiān)控的采集并及時(shí)通知井下工作人員安全撤離，保證井下的安全生產(chǎn)。

“一鍵式”應(yīng)急救援功能流程如圖5所示。在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，若接收到告警信號(hào)，首先通過(guò)視頻監(jiān)控或警報(bào)附近工作工作人員核實(shí)警情是否屬實(shí)。若告警信號(hào)為虛報(bào)，則檢查虛警原因；若告警信號(hào)屬實(shí)，則需要確定警情等級(jí)，即需要全礦撤離或部分區(qū)域撤離，針對(duì)指定的范圍實(shí)施“一鍵式”應(yīng)急救援方案。“一鍵式”應(yīng)急救援方案主要包括3個(gè)部分：廣播警報(bào)情況、視頻監(jiān)控事故點(diǎn)、直呼巡檢人員。多項(xiàng)舉措并行，加快人員撤離并盡快排除險(xiǎn)情。

4 聯(lián)調(diào)與測(cè)試

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)成功調(diào)度通信、視頻監(jiān)控和廣播系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一的傳輸平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了煤礦生產(chǎn)的一體化調(diào)度。融合系統(tǒng)的調(diào)度通信、人員定位、視頻監(jiān)控、廣播對(duì)講多項(xiàng)功能在一個(gè)軟件平臺(tái)上的集中展示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)突發(fā)事件處理的“一鍵式”處理，方便決策者在短時(shí)間內(nèi)對(duì)突發(fā)性事件作出快速反應(yīng)并提供多樣化的指令發(fā)布機(jī)制。煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)軟件平臺(tái)如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了調(diào)度通信、視頻監(jiān)控和廣播系統(tǒng)之間的完美融合，進(jìn)而形成了煤礦的一體化調(diào)度。融合系統(tǒng)的功能更加全面，線纜數(shù)量大大降低，可操作性顯著提高，應(yīng)急調(diào)度指揮快捷方便，提高了煤礦生產(chǎn)的安全可靠性，避免次生災(zāi)害帶來(lái)的更大損失。目前煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)已經(jīng)在兗州煤業(yè)、興隆莊煤礦等諸多煤礦得到了初步使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖5 “一鍵式”應(yīng)急救援功能流程

圖6 煤礦調(diào)度通信和視頻監(jiān)控融合系統(tǒng)軟件平臺(tái)