選煤廠智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬松波

(平頂山中選自控系統(tǒng)有限公司，河南 平頂山 467000)

1 概 述

近年來，許多選煤廠為了提高安全生產(chǎn)水平，都在重要的生產(chǎn)廠區(qū)安裝監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)錄像，并能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)視，從而可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理現(xiàn)場(chǎng)異常工作狀況，盡早消除隱患。但在實(shí)際使用過程中，這種視頻監(jiān)控只能簡(jiǎn)單地進(jìn)行遠(yuǎn)程錄像，且需要有專職人員值守，監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的狀況，根據(jù)監(jiān)控對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況進(jìn)行人為判定。這種長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)視工作很容易使工作人員忽視現(xiàn)場(chǎng)工況，從而容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、攝像機(jī)較多，給人工監(jiān)視造成了更大的困難，因此，設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)判別工作現(xiàn)場(chǎng)狀況的智能監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。本文以某煤礦選煤廠為實(shí)際應(yīng)用背景，對(duì)選煤廠現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了一套選煤廠智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引入機(jī)器視覺智能技術(shù)，可自主對(duì)人員進(jìn)入不安全區(qū)域等事故進(jìn)行報(bào)警，停止區(qū)域內(nèi)設(shè)備運(yùn)行，保證人員安全，并將視頻畫面切換至大屏幕，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的目的[1-3]。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)部署框圖如圖1所示，主要由視頻服務(wù)器、視頻矩陣、攝像頭、大屏顯示器、PLC控制器等組成。各設(shè)備的主要功能如下：

圖1 系統(tǒng)部署框圖

(1)視頻服務(wù)器是智能視頻監(jiān)控程序運(yùn)行的載體，其性能決定了智能視頻應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)的快慢。服務(wù)器中的智能視頻監(jiān)控程序?qū)崟r(shí)監(jiān)聽視頻矩陣，并通過視頻矩陣獲取攝像機(jī)的分析結(jié)果，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，從而形成決策，并將其傳送給PLC控制器，由PLC控制器執(zhí)行。

(2)視頻矩陣是將視頻圖像從任意一個(gè)輸入通道切換到任意一個(gè)輸出通道顯示。一般來講，一個(gè)M×N矩陣表示可以同時(shí)支持M路圖像輸入和N路圖像輸出，即任意一個(gè)輸入和輸出。在該系統(tǒng)中，視頻矩陣主要功能：獲取攝像機(jī)的分析結(jié)果，并將結(jié)果傳送給服務(wù)器；切換報(bào)警畫面。

(3)攝像頭的主要功能是對(duì)指定區(qū)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行分析，并將結(jié)果傳送給視頻矩陣。

(4)大屏顯示器的主要功能是顯示報(bào)警畫面。

(5)PLC控制器的主要功能是執(zhí)行智能視頻監(jiān)控程序傳送的決策。

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的智能分析與PLC控制器的聯(lián)動(dòng)功能。通過攝像機(jī)對(duì)選煤廠大型設(shè)備進(jìn)行布防，當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，攝像機(jī)捕捉到有人或物跨入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，攝像機(jī)將分析結(jié)果傳送給視頻矩陣，視頻矩陣將結(jié)果傳送給智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，智能視頻監(jiān)控程序?qū)魉瓦^來的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，形成決策，并將該決策通過KEPServer傳送給PLC控制器，由PLC控制器執(zhí)行該決策，同時(shí)智能視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)監(jiān)控程序控制視頻矩陣將該畫面切到大屏顯示器上。

2.2 詳細(xì)設(shè)計(jì)方法

該方案中，使用的攝像機(jī)為?？禂z像機(jī)，PLC控制器程序使用的是羅克韋爾自動(dòng)化有限公司的logix5000[4]開發(fā)平臺(tái)。該智能視頻監(jiān)控程序是在.net框架下，使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)的，開發(fā)工具使用Visual Studio。在開發(fā)中，采用海康的SDK開發(fā)包及OPC的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

軟件架構(gòu)如圖2所示。整套系統(tǒng)分為兩部分：智能視頻監(jiān)控程序與PLC控制程序。智能視頻監(jiān)控程序底層為SDK開發(fā)包、OPC動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)；中間層為行為智能識(shí)別模塊、視頻上墻模塊、OPC通信模塊，智能識(shí)別模塊、視頻上墻模塊是基于?？礢DK開發(fā)包開發(fā)的，OPC通信模塊是基于OPC動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)開發(fā)的；上層為人機(jī)交互層，用來展示視頻分析結(jié)果及視頻畫面。PLC控制程序由PLC變量及程序組成，智能視頻監(jiān)控程序通過改變PLC變量來控制設(shè)備。智能視頻監(jiān)控程序與PLC控制程序之間通過KEPServer進(jìn)行通信。KEPServer是一個(gè)OPC服務(wù)程序，內(nèi)含多種通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)OPC到PLC控制程序的通信。

圖2 軟件架構(gòu)示意

2.2.1 行為識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

行為智能識(shí)別模塊的主要功能是獲取視頻監(jiān)控中的行為特征，對(duì)這些行為特征進(jìn)行評(píng)估，形成決策，并將決策通過OPC通信模塊發(fā)送到PLC控制器。在這個(gè)過程需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)回調(diào)函數(shù)[5]，即通過函數(shù)指針調(diào)用的函數(shù)。需要把函數(shù)的指針(地址)作為參數(shù)傳遞給調(diào)用者，而這個(gè)指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)，即為回調(diào)函數(shù)?；卣{(diào)函數(shù)不是由調(diào)用者直接調(diào)用，而是在特定的事件或條件發(fā)生時(shí)，由另外的一方調(diào)用，用于對(duì)該事件或條件進(jìn)行響應(yīng)。在該系統(tǒng)中，只有在行為識(shí)別模塊識(shí)別到特定的人員行為時(shí)(例如越界行為)才會(huì)調(diào)用回掉函數(shù)。

在行為智能識(shí)別模塊設(shè)計(jì)中，訪問視頻矩陣、安全邊界設(shè)置、監(jiān)聽視頻矩陣、獲取圖像分析結(jié)果并觸發(fā)回調(diào)等功能都封裝在海康SDK二次開發(fā)包中，只需要在程序中調(diào)用即可。而回調(diào)函數(shù)則需要自己設(shè)計(jì)編寫?；卣{(diào)函數(shù)包含視頻分析結(jié)果評(píng)估功能、形成決策以及將決策傳送給PLC控制器等功能。當(dāng)有人跨過安全邊界時(shí)，視頻矩陣會(huì)收到攝像機(jī)發(fā)出的越界入侵的報(bào)警信號(hào)，觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會(huì)獲取產(chǎn)生報(bào)警的攝像機(jī)信息，進(jìn)而獲取該攝像機(jī)監(jiān)視的設(shè)備信息，然后對(duì)設(shè)備對(duì)人身的危害性進(jìn)行一個(gè)評(píng)估。如果危險(xiǎn)性較小，則在人機(jī)交互界面彈出越界入侵畫面，由集控操作人員確定是否對(duì)該設(shè)備停機(jī)；如果危險(xiǎn)性較大，則通過PLC控制器直接關(guān)停該設(shè)備，從而保護(hù)人身安全。

獲取行為分析流程如圖3。NET_DVR_SetDVRMessageCallBack_V30為回調(diào)函數(shù)的入口，將回調(diào)函數(shù)的地址作為參數(shù)傳入該函數(shù)中，當(dāng)攝像機(jī)啟動(dòng)行為分析，并捕捉到已定義的行為時(shí)，會(huì)通過NET_DVR_SetDVRMessageCallBack_V30調(diào)用回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行回調(diào)函數(shù)中定義的對(duì)策。

因?yàn)楹？礢DK開發(fā)包由非托管代碼生成，要使用上述?？礢DK中的函數(shù)，需要在程序中對(duì)這些函數(shù)進(jìn)行聲明[6]。聲明格式如下：

圖3 獲取行為分析結(jié)果及執(zhí)行對(duì)策流程示意

[DllImport(“HCNetSDK.dll”)]

public static extern bool NET_DVR_SetDVRMessageCallBack_V30(MSG Call Backf Message Call Back，Int Ptrp User)；

通過這個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)了在人員跨入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，產(chǎn)生越界入侵信號(hào)，對(duì)越界入侵的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估，并生成決策。

2.2.2 監(jiān)控畫面上墻

在選煤廠中，攝像頭的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于集控室中電視屏的數(shù)量，因此，不是所有的攝像頭傳來的圖像都能顯示在電視屏上。當(dāng)攝像頭分析出現(xiàn)人員的不安全行為時(shí)，為了使集控操作員更清楚了解現(xiàn)場(chǎng)情況，將人員不安全行為的畫面投放到大屏顯示器上，可更好地幫助監(jiān)控人員進(jìn)行決策。該功能也是在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的，通過程序控制視頻矩陣，將越界入侵畫面投放到大屏上。監(jiān)控畫面上墻流程如圖4所示，其中，NET_DVR_RemoteControl函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)將越界入侵畫圖投放到大屏上。

圖4 監(jiān)控畫面上墻流程示意

2.2.3 視頻分析與PLC通信

OPC全稱是Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場(chǎng)過程控制應(yīng)用建立了橋梁。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口實(shí)現(xiàn)，從而使得支持OPC協(xié)議的設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過OPC技術(shù)，應(yīng)用程序可與OPC服務(wù)器軟件之間進(jìn)行通信[7]。

KEPServer是一款OPC服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)了OPC標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)用程序可以通過KEPServer和PLC控制設(shè)備進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與控制設(shè)備間的通信[8]。

(1)通過配置KEPServer，實(shí)現(xiàn)KEPServer到PLC控制器之間的通信。主要的配置項(xiàng)如下：① 選擇通信協(xié)議；② 設(shè)置要進(jìn)行通信的PLC控制器IP地址；③ 建立KEPServer變量與PLC地址的映射關(guān)系。

(2)開發(fā)OPC通信模塊，實(shí)現(xiàn)與KEPServer的通信。過程如下：① 聲明對(duì)象；② 創(chuàng)建OPC Server的連接；③ 創(chuàng)建OPC組對(duì)象并初始化設(shè)置；④ 獲取組的OPCItems對(duì)象，為讀取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；⑤ OPCItem的操作；⑥ 退出程序的資源釋放。

OPC通信模塊工作流程如圖5所示。

在開發(fā)OPC通信模塊時(shí)，使用了OPC動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)OPCDAAuto.dll[9]，該動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是基于委托代碼生成，只需要將其添加到項(xiàng)目引用中，而不需要單獨(dú)進(jìn)行聲明。

2.2.4 視頻智能分析與PLC控制器聯(lián)動(dòng)

在PLC控制程序[10]中，用到“常開點(diǎn)”、“常閉點(diǎn)”、“線圈”等功能塊?！俺ｉ_點(diǎn)”含義為初始狀態(tài)為“開路”，“常閉點(diǎn)”初始狀態(tài)為“閉路”，當(dāng)一條線上的點(diǎn)的狀態(tài)都為閉合時(shí)，“線圈”則控制接觸器吸合，從而啟動(dòng)設(shè)備。圖5中，“單起”、“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)”是“常開點(diǎn)”，“入侵報(bào)警”是“常閉點(diǎn)”，“起車”是“線圈”。PLC控制程序控制設(shè)備起車過程如圖6所示。

圖5 OPC通信模塊示意

圖6 PLC控制程序示意

當(dāng)按下起車按鈕時(shí)，“單起”由初始狀態(tài)的“開路”變?yōu)椤伴]路”，線1上點(diǎn)的狀態(tài)都為閉合，“起車”控制接觸器吸合，設(shè)備啟車。啟車后設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)運(yùn)行信號(hào)，“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)”由初始狀態(tài)的“開路”變?yōu)椤伴]路”。松開起車按鈕，“單起”由“閉路”變?yōu)椤伴_路”，但這時(shí)的“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)”為“閉路”，“入侵報(bào)警”未接到報(bào)警，所以“入侵報(bào)警”仍然維持初始狀態(tài)“閉路”，因此線2上點(diǎn)的狀態(tài)都為閉合，“起車”仍然控制接觸器吸合，設(shè)備處在運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)PLC控制程序收到入侵報(bào)警后，“入侵報(bào)警”由初始狀態(tài)“閉路”變?yōu)椤伴_路”，此時(shí)線1和線2的點(diǎn)都處在非全部閉合，“起車”使接觸器斷開，設(shè)備停車，“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)”恢復(fù)初始狀態(tài)“開路”，從而實(shí)現(xiàn)“視頻智能入侵分析”與“設(shè)備停車”聯(lián)動(dòng)。當(dāng)入侵報(bào)警解除后，需重新按下“起車”按鈕，設(shè)備才能啟動(dòng)。該程序編譯好后，需要寫入PLC控制器中。

3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在某煤礦選煤廠進(jìn)行了試運(yùn)行，當(dāng)工人從生產(chǎn)設(shè)備安全邊界跨過去時(shí)，攝像機(jī)會(huì)對(duì)人員的行為進(jìn)行分析，當(dāng)結(jié)果為越界入侵危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，程序會(huì)向PLC控制器發(fā)送設(shè)備停機(jī)信號(hào)，并在人機(jī)交互界面右上角顯示出越界入侵的報(bào)警信息，并將越界入侵的視頻畫面顯示到大屏上。在試運(yùn)行中，人一旦跨過安全邊界，設(shè)備即停止運(yùn)行。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控只監(jiān)視不控制的缺點(diǎn)，而且相比操作人員通過視頻畫面分析員工的不安全行為，智能視頻在分析員工不安全行為的準(zhǔn)確率方面更高、用時(shí)更短。在試運(yùn)行時(shí)，為了安全，設(shè)置的安全邊界線距離膠帶較遠(yuǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，安全邊界應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，距離設(shè)備較遠(yuǎn)時(shí)，會(huì)造成過多的誤報(bào)警。

圖7 應(yīng)用效果示意

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著視頻分析技術(shù)的飛速發(fā)展，選煤廠利用攝像機(jī)自動(dòng)圖形分析功能，結(jié)合OPC通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)智能判斷與控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的功能。監(jiān)控系統(tǒng)的智能判斷準(zhǔn)確率較高，且監(jiān)控系統(tǒng)智能判斷與控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)將會(huì)大大提高選煤廠的生產(chǎn)安全性。