LED小間距調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)在小保當(dāng)智慧礦山中的應(yīng)用

許 濤

(中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

陜煤小保當(dāng)?shù)V井及選煤廠是煤炭工業(yè)“十二五”重點項目、國家發(fā)改委核準(zhǔn)的智慧化礦山示范項目，已全面實現(xiàn)礦井本質(zhì)安全化、生產(chǎn)過程自動化、運行控制智能化、經(jīng)營管理信息化、資源利用最大化。小保當(dāng)?shù)V井“一礦兩井”，一號礦井及選煤廠規(guī)模1500萬t/a，現(xiàn)已進入聯(lián)合試運轉(zhuǎn)階段，二號礦井及選煤廠規(guī)模1300萬t/a，正在建設(shè)階段[1-4]。調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)是小保當(dāng)智慧礦山建設(shè)的重要組成部分，選擇一款顯示效果優(yōu)秀、技術(shù)先進、運行穩(wěn)定的生產(chǎn)指揮調(diào)度大屏系統(tǒng)顯得尤為重要和關(guān)鍵。

1 煤礦調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)的分類及性能比較

煤礦安全生產(chǎn)是智慧化煤炭開采企業(yè)的首要標(biāo)志。井下危險要素眾多、工作環(huán)境惡劣，整個礦井的“不可視”，給監(jiān)管和及時處理突發(fā)事件增加諸多困難。調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)可以接入計算機、視頻、網(wǎng)絡(luò)等信號，充分滿足煤礦集中顯示、集中監(jiān)控、統(tǒng)一指揮調(diào)度的需求，是安全生產(chǎn)運營管控平臺的主要組成部分[5-7]。

隨著科技的發(fā)展，煤礦調(diào)度大屏主流產(chǎn)品經(jīng)歷了DLP、LCD、LED小間距三個階段。目前煤礦調(diào)度大屏正在從DLP、LCD向LED小間距技術(shù)過渡階段。

DLP是基于德儀公司開發(fā)的數(shù)字微反射鏡器件DMD 來完成顯示數(shù)字可視信息的。當(dāng)前主流的激光DLP拼接屏拼縫寬度大于等于0.3mm，設(shè)備體積大，成本造價不菲。由于在使用過程中每塊屏顯示的圖像亮度不一致，長時間使用會導(dǎo)致整屏色彩一致性變差，而單塊屏體也容易出現(xiàn)中間亮度高，四角亮度低的情況。此外，DLP設(shè)備功耗大，在使用中需要配置專用的精密空調(diào)對其進行降溫，環(huán)境要求較高。使用壽命方面，市場上主流的激光光源使用壽命大約為50000～70000h，和LED小間距100000h的使用壽命相比有不小的差距。在后期維護過程中，必須定期由專業(yè)技術(shù)人員調(diào)整亮度和均勻性，定期更換價格昂貴的激光光源，維護成本極高[8-11]。

LCD液晶顯示的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。LCD顯示屏的拼縫寬度大于等于0.9mm，色彩一致性較好，但色彩飽和度與還原性效果一般，拼接后的屏體整體亮度、飽和度一致性較差；該技術(shù)的優(yōu)勢在于功耗較低，但使用壽命一般為60000h。同樣LCD拼接屏需要配置專用的精密空調(diào)對其進行降溫，后期維護過程中在單塊屏體出現(xiàn)故障時需要拆解拼接屏，對故障屏體進行返廠維修，維修周期長、成本高[12-14]。

LED顯示屏是指將紅、綠、藍3個發(fā)光二級管封裝在同1個點里面合成1個顯示屏像素點，通過控制紅、綠、藍不同色彩的LED燈的亮滅組合來顯示文字、圖片、視頻[1]，LED顯示屏無色差，色彩飽和度與還原性效果好，亮度可根據(jù)環(huán)境光線進行自主調(diào)節(jié)，并且支持通過軟件對單個燈珠的亮度、顏色進行矯正。同DLP合LCD技術(shù)相比，LED小間距設(shè)備功耗較低，使用壽命可達100000h以上；在顯示圖像的亮度、對比度以及色域等方面，LED明顯優(yōu)于DLP以及LCD顯示屏[2]；在實際使用中，LED小間距顯示屏由于發(fā)熱量較低，無需配置專業(yè)的空調(diào)進行降溫，降低了整體系統(tǒng)的能耗。在后期使用維護過程中，LED小間距大屏在出現(xiàn)單顆燈珠、模組出現(xiàn)故障時可靈活進行現(xiàn)場熱插拔更換，維護極其方便，且成本低[15，16]。

LED顯示屏替代DLP背投拼接技術(shù)、液晶/等離子拼接技術(shù)、投影及投影融合技術(shù)等主流技術(shù)實現(xiàn)在指揮、控制、監(jiān)控、視頻會議、演播等專業(yè)室內(nèi)大屏幕顯示應(yīng)用領(lǐng)域，其最大的優(yōu)勢是無縫拼接，已確立其優(yōu)勢[3]。

通過綜合對比DLP、LCD、LED小間距三種產(chǎn)品的性能、建設(shè)成本、維護成本等因素，同時響應(yīng)把小保當(dāng)建設(shè)成為世界一流的智慧化礦山的需求，小保當(dāng)煤礦調(diào)度中心大屏設(shè)計選用技術(shù)先進、性能優(yōu)秀、后期維護成本低廉、性價比高的LED小間距拼接大屏。

2 小保當(dāng)智慧化礦山調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)概況

小保當(dāng)煤礦調(diào)度指揮中心位于礦井聯(lián)合建筑3樓，調(diào)度指揮中心大廳寬度為25.8m，高度為4.3m。根據(jù)現(xiàn)場空間以及小間距LED顯示屏單元箱體的尺寸，礦井調(diào)度指揮中心安裝一套尺寸為17.08m(寬)×3.43m(高)，總面積為58.59m2的小間距LED顯示屏。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小保當(dāng)調(diào)度指揮中心大屏顯示系統(tǒng)由視頻拼接處理器、發(fā)送卡、交換機、控制電腦、小間距LED顯示單元箱體、控制軟件等組件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 小保當(dāng)調(diào)度指揮中心大屏顯示系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 性能指標(biāo)

2.2.1 視覺效果

小保當(dāng)調(diào)度指揮中心小間距LED顯示屏由280個小間距LED單元箱體組成，顯示單元沒有可視的物理拼接縫隙，整個屏幕渾然一體[4]。在播放視頻及圖片時，小間距LED顯示屏可根據(jù)具體的分辨率需求進行畫面開窗，整個畫面不受物理拼縫干擾，排除了LCD液晶顯示屏與DLP背投顯示屏因物理邊框引起的拼縫黑邊。

單個小間距LED箱體的分辨率為480×270Dots，整屏分辨率達到12480×2970=37065600Dots；物理像素間距1.27mm，每個像素點內(nèi)采用1紅1綠1藍三合一貼片燈，顯示色域廣，色彩豐富，完全達到了廣播級別的顯示標(biāo)準(zhǔn)。

顯示屏的燈珠物理密度為620001點/m2，其白平衡亮度校正后最高可支持800cd/m2，色溫支持1000K到9500K范圍可調(diào)，水平視角/垂直視角170度，發(fā)光點中心距偏差小于等于2.5%，亮度均勻性大于等于98%，色度均勻性±0.003Cx，Cy 之內(nèi)，對比度高達5000∶1，且整個顯示屏支持單點亮度與色度校正，使整個屏幕的亮度與色度保持高度的一致性，無需進行二次補償就能達到色彩的高保真效果。

在視頻顯示方面，換幀頻率可達60Hz，刷新率可達3840Hz，灰度調(diào)節(jié)范圍10～16bit，完美呈現(xiàn)低亮高灰的視覺效果。

2.2.2 視頻信號的收發(fā)能力

發(fā)送卡為1U標(biāo)準(zhǔn)機箱，方便安裝在機柜內(nèi)，該發(fā)送卡支持DVI、HDMI高清信號輸入，最大可接收1920×1200像素的高清數(shù)字信號；視頻數(shù)據(jù)的輸出采用4個千兆網(wǎng)口以千兆網(wǎng)絡(luò)的幀格式并附加CRC校驗，四個網(wǎng)口可以以像素為單位進行上下左右的任意拼接，視頻換幀頻率60Hz，并可以自動適應(yīng)幀率。采用高速USB與PC通訊，并可用于多臺發(fā)送卡級聯(lián)，操作更加簡單方便。

2.2.3 視頻拼接處理器的信號傳輸接口

視頻拼接處理器選用72路視頻輸入、24路視頻輸出LED視頻拼接處理器，輸入信號接口預(yù)留HDMI、DVI、VGA、DP等接口，方便接入不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻，同時預(yù)留空置槽位，為后期視頻輸入擴容做好準(zhǔn)備。視頻拼接控制器可實現(xiàn)在小間距LED顯示屏的任意位置開窗，無公共區(qū)域的限制。視頻源可以是PC機、工控機、視頻會議及其他支持VGA、DVI、HDMI、DP等輸出標(biāo)準(zhǔn)的視頻源。

2.2.4 視頻拼接控制器操作界面

視頻拼接控制器的控制軟件可安裝于計算機、平板電腦、手機等終端設(shè)備上，進行交互式可視化操作。利用設(shè)備終端通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)向視頻拼接處理器發(fā)送控制指令，實現(xiàn)在小間距LED顯示屏上的顯示窗口縮放、拉伸、漫游、畫中畫顯示等功能。配合使用LED字幕顯示軟件，能夠在顯示屏上進行字幕的疊加，如疊加天氣、時間、值班表、宣傳標(biāo)語等。終端與視頻拼接控制器采用網(wǎng)絡(luò)連接或RS-232連接，如圖2所示。

圖2 視頻拼接控制器的交互式可視化操作示意圖

視頻拼接控制器操作界面人性化，操作簡易，支持多用戶操作。日常操作中，可預(yù)設(shè)多個常用的開窗預(yù)案，根據(jù)需要對不同信號源進行一鍵切換。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢

小間距LED顯示屏在小保當(dāng)智慧煤礦調(diào)度指揮中心顯示屏建設(shè)中具有多種技術(shù)優(yōu)勢，將智慧礦山調(diào)度指揮信息的顯示質(zhì)量提升到了新的高度。

2.3.1 安裝空間

小間距LED顯示屏的每個箱體尺寸為610mm(寬)×343mm(高)，遠小于46寸LCD或DLP單體屏，在空間布置上更加靈活，有利于在墻面受限的環(huán)境下布置盡可能大的顯示屏幕，減少空間浪費。

2.3.2 無縫拼接

拼接類大屏幕的物理拼縫決定了整個大屏幕畫面的分割程度，其直接影響畫面的展現(xiàn)效果，因而物理拼縫也就成為了考核大屏幕顯示系統(tǒng)的一項重要指標(biāo)。LCD和DLP都無法避免拼接縫隙，而小間距LED 顯示屏在技術(shù)上實現(xiàn)了真正的無縫拼接，特別適合煤礦調(diào)度各種流程、圖表、視頻等的實時顯示。拼接效果如圖3所示。

2.3.3 高效節(jié)能

小間距LED顯示屏采用自發(fā)光LED燈珠，采用獨特的高效發(fā)光芯片和節(jié)能驅(qū)動IC結(jié)合的雙效節(jié)能技術(shù)，并利用實時動態(tài)用電技術(shù)消除了峰值用電能耗，降低了連續(xù)使用時的用電能耗。

圖3 拼接效果

2.3.4 響應(yīng)速度

小間距LED顯示屏具有納秒級的響應(yīng)速度，與傳統(tǒng)的LCD液晶顯示屏和DLP背投顯示屏相比具有極大的優(yōu)勢，完美地解決了LCD液晶顯示屏和DLP背投顯示屏在處理快速動態(tài)畫面時會出現(xiàn)拖尾、重影現(xiàn)象的問題。

2.3.5 對比度及亮度

對比度是圖像的非常關(guān)鍵的指標(biāo)。根據(jù)屏體安裝施工現(xiàn)場環(huán)境的要求，屏幕圖像對比度至少要保證大于3000∶1，才能獲得較為滿意的視覺效果。小間距LED顯示屏采用高品質(zhì)LED燈和屏幕表面不反光處理技術(shù)，增強屏幕對比度，使顯示屏的對比度提升到了5000∶1，在對比度參數(shù)上取得了質(zhì)的飛躍，保證了畫面的色彩表現(xiàn)能力。

為了達到正確的色彩調(diào)配，顯示屏有必要根據(jù)工作環(huán)境的亮度來調(diào)整自身亮度，使圖像在強環(huán)境光下明亮清晰，在暗環(huán)境光下絢麗柔和。小間距LED顯示屏具有低亮高灰且亮度智能化調(diào)節(jié)功能，同時可在系統(tǒng)中配置多個級別的亮度調(diào)節(jié)功能，將顯示屏亮度從0CD/m2至800CD/m2進行平均細(xì)分，可以根據(jù)環(huán)境亮度自動調(diào)整屏幕亮度值。

2.3.6 視角范圍廣

屏幕視角越大，位于屏幕左右兩側(cè)及上下方向收看到的屏幕圖像越清晰，亮度越均勻。小間距LED屏幕在各向視角均達到170°，保證了在調(diào)度中心操作工位的任何角度均可觀看顯示屏的最佳效果。

2.3.7 維護成本低廉

小間距LED顯示屏日常維護簡便，成本低，若個別燈珠損壞，只需要更換相應(yīng)的燈珠；若個別模組出現(xiàn)故障，更換整塊模組即可。隨著LED燈珠的制造技術(shù)升級，小間距LED顯示屏的壽命達到了100000h以上，給后期的使用維護節(jié)省了大量費用。

3 小間距LED顯示屏在小保當(dāng)智慧礦山中的作用

作為小保當(dāng)智慧礦山系統(tǒng)可視化平臺的窗口，調(diào)度大屏系統(tǒng)接入了井下工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)控監(jiān)測、人員定位系統(tǒng)、地理信息保障系統(tǒng)等多個智慧化礦山子系統(tǒng)，精確收集顯示采掘工作面、采煤機、帶式輸送機運行、人員定位等信息，實現(xiàn)了對煤礦全方位、全天候、全過程安全狀況的實時監(jiān)測，為煤礦管理層進行生產(chǎn)調(diào)度、風(fēng)險預(yù)判、隱患治理、安全預(yù)控提供了最直觀的決策依據(jù)。

3.1 綜合調(diào)度顯示

綜合調(diào)度指揮功能是智慧礦山的重要組成，大量的指揮調(diào)度信息均由此產(chǎn)生，如綜采工作面信息、運輸集控信息、安全檢測信息、人員定位信息、水文監(jiān)測信息、頂板與礦壓檢測信息、大型機電設(shè)備故障診斷信息、井下主排水集控信息、鍋爐房集控信息、壓風(fēng)集控信息等，目前小保當(dāng)智慧礦山平臺所需要顯示的檢測信息，均能夠在調(diào)度中心大屏上顯示。調(diào)度中心顯示大屏選用小間距LED顯示屏，不僅能保證調(diào)度信息顯示的整體一致性(LCD、DLP拼接屏?xí)a(chǎn)生拼縫)，還能夠保證顯示的效果，提高調(diào)度信息顯示的清晰度、亮度、色彩還原度。

3.2 工業(yè)電視顯示

工業(yè)電視系統(tǒng)的攝像機部署于小保當(dāng)智慧礦井的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是安全生產(chǎn)的一項重要保障，在事先預(yù)警、事中控制、事后取證等各個環(huán)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的作用。而生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的實時視頻播放是通過顯示屏系統(tǒng)來實現(xiàn)的，采用小間距LED顯示屏進行監(jiān)控視頻播放，是監(jiān)控畫面更加清晰、流暢，畫面開窗顯示更靈活可控，便于更合理地利用整套顯示屏系統(tǒng)。

3.3 應(yīng)急調(diào)度指揮顯示

應(yīng)急調(diào)度是為了處理突發(fā)事件而預(yù)先設(shè)置的預(yù)案，在應(yīng)急調(diào)度應(yīng)用中，小間距LED顯示屏的中控系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)急調(diào)度指揮的需求，預(yù)設(shè)大量的應(yīng)急調(diào)度顯示預(yù)案，在處理突發(fā)事件時可實現(xiàn)一鍵切換顯示畫面，顯示應(yīng)急調(diào)度所需要的實時監(jiān)控畫面、工業(yè)控制畫面，助力應(yīng)急指揮小組處理突發(fā)事件。

3.4 其他顯示

小間距LED顯示屏不僅能夠顯示日常工作所需求的大量監(jiān)控視頻、工業(yè)流程圖像，同時能夠在整個屏幕上疊加其他文字信息，如歡迎詞、值班表、時間、天氣、宣傳標(biāo)語等，使大屏顯示系統(tǒng)的適用場景更加靈活廣泛。

4 結(jié) 語

陜煤小保當(dāng)智慧礦井是建立在數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代采礦技術(shù)與感知技術(shù)、控制技術(shù)、管理模式和可持續(xù)理念相融合，實現(xiàn)智能管控、本質(zhì)安全、高效運行的新型煤礦發(fā)展模式。調(diào)度指揮中心小間距LED顯示屏的投入使用，提升了小保當(dāng)?shù)V井智慧化裝備建設(shè)水準(zhǔn)，是目前陜煤集團及國內(nèi)煤礦領(lǐng)域最先進的調(diào)度指揮大屏系統(tǒng)。