基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦井下的應(yīng)用研究

王彩珍

（同煤集團永定莊煤業(yè)有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

為了實時掌握井下生產(chǎn)狀況，確保礦井安全生產(chǎn)，視頻監(jiān)控技術(shù)越來越受到眾多礦井的青睞。在重要區(qū)域、人員無法觀察區(qū)、關(guān)鍵設(shè)備、主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)等采用工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)連續(xù)性監(jiān)控，可了解其生產(chǎn)和運行情況，并及時跟進，確保安全、穩(wěn)定生產(chǎn)[1-2]。視頻監(jiān)控技術(shù)不僅可以為調(diào)度室提供一線生產(chǎn)圖像資料，還可以為決策層提供直觀的可視化信息。但是，隨著信息技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，老式的閉路電視監(jiān)控、點對點傳輸相互獨立，傳輸信息小且速度慢，無法形成集中管控和系統(tǒng)聯(lián)動，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術(shù)已不能完全滿足煤礦的生產(chǎn)需求。為了優(yōu)化傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術(shù)，在其基礎(chǔ)上輔以工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)字視頻監(jiān)控，工業(yè)以太網(wǎng)具有采集一體化、圖像與文字轉(zhuǎn)換、網(wǎng)絡(luò)傳輸頻率高等優(yōu)勢[3]，工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控技術(shù)形成畫面清晰，后臺處理具有邏輯分析判斷功能，存儲信息量大，是目前信息技術(shù)發(fā)展的趨勢[4]。因此，論文基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)闡述了煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)在井下的應(yīng)用研究，希望能對礦井視頻監(jiān)控提供更高、更好的礦井監(jiān)控質(zhì)量，提高礦井安全生產(chǎn)。

1 工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控技術(shù)

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

礦井工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由三大部分組成，分別為前端采集信息系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和后臺邏輯分析處理系統(tǒng)。IP 攝像儀、拾音器、紅外報警等設(shè)備構(gòu)成了前端采集信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)，工業(yè)以太網(wǎng)、光端機、光纖等通訊設(shè)備構(gòu)成了中間信息數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，計算機、PLC 控制器、設(shè)備管理服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、錄像存儲等構(gòu)成了后臺邏輯分析處理系統(tǒng)，經(jīng)過后臺分析處理后形成高質(zhì)量的畫面形成視頻墻供監(jiān)控人員實時觀察，已確定井下生產(chǎn)環(huán)節(jié)安全。礦井基于工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及其原理如圖1 所示。

圖1 基于工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

1.2 信息采集系統(tǒng)

工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控技術(shù)的前端采集信息系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要是生產(chǎn)現(xiàn)場的圖像、音頻等信息，通過井下轉(zhuǎn)換機作用將音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，集中發(fā)送給傳輸環(huán)節(jié)。現(xiàn)場采集設(shè)備主要礦用網(wǎng)絡(luò)攝像儀和、防爆本安型拾音器和各類傳感器等，下面分別對攝像儀和拾音器作簡要分析。

1.2.1 攝像儀

煤礦井下條件復(fù)雜多樣，環(huán)境惡劣，為了更好地拍攝高清質(zhì)量畫面，視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用礦用本質(zhì)安全型高清攝像儀。內(nèi)部核心攝像儀、自動對光、兩光三電轉(zhuǎn)換電路板、電源、紅外補光、外殼等共同組成了礦用本質(zhì)安全型高清攝像儀，示意結(jié)構(gòu)詳見下頁圖2。

礦用本質(zhì)安全型高清攝像儀工作原理：前端鏡頭獲取外部光線，并將光線傳送給內(nèi)部核心攝像儀，在感光芯片作用下，內(nèi)部處理器將光信號轉(zhuǎn)換成圖像信號，即處理器輸出的是模擬視頻，在經(jīng)過流媒體對圖像的加工處理，形成標準的圖像畫面，進而通過網(wǎng)口輸出該視頻圖像信息。此外，在光電轉(zhuǎn)換板作用下，電信號在調(diào)制處理后形成光信息，光信息通過光纖傳輸。若井下能照度過低，在外紅補光下仍可形成高清的視頻畫面，彌補了環(huán)境影響，礦用本安型高清攝像儀良好地適用于礦井復(fù)雜的條件。

圖2 礦用本安型攝像儀結(jié)構(gòu)組成

1.2.2 拾音器

工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控技術(shù)前端采集音頻信息運用防爆本安型拾音器，該拾音器具有運放和縮放的功能，結(jié)合音頻放大電路能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的聲音捕捉，又特別是大型設(shè)備運行聲音，為礦井設(shè)備維修人員提供便利，例如一旦捕捉到設(shè)備發(fā)出異常音況，監(jiān)控系統(tǒng)立即響應(yīng)，調(diào)度維修人員對故障設(shè)備進行維修[5]。拾音器與攝像儀一起工作，可以將音頻信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字化，為后臺處理器提供有效信息。利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在井下的視頻監(jiān)控原理如圖3 所示。

圖3 工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在井下的監(jiān)控原理

1.3 視頻信息傳輸技術(shù)

因監(jiān)控系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l容量巨大，若不對其進行處理、壓縮，通訊設(shè)備無法確保傳輸視頻的穩(wěn)定性和實時性。經(jīng)過對比試驗，采用H.265/HEVC 算法技術(shù)對視頻圖像進行編碼和壓縮[6]，相比與MPEG-2算法、H.264/AC 算法效率更高，壓縮效果更好，獲取的視頻圖像質(zhì)量更高清，較好地解決了井下視頻容量大、圖像數(shù)據(jù)多、傳輸速度慢等困境，為工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在井下的應(yīng)用

2.1 視頻畫面

為了驗證基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行效果，在煤礦調(diào)度室查看了其監(jiān)控畫面，圖4 為節(jié)選的部分監(jiān)控畫面。從整個監(jiān)控畫面來看，監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸井下各個區(qū)域的生產(chǎn)狀況畫面，圖像清晰，可靠性高，誤差率較小。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用投入以來，眾多設(shè)備減少了人員看守，不僅減輕了人員勞動強度，還節(jié)約看護成本。又特別是工作面、瓦斯易聚集區(qū)、水倉等區(qū)域，監(jiān)控系統(tǒng)實時掌握其狀況，降低了安全隱患，有效提高了礦井生產(chǎn)工作效率和管理水平。

圖4 井下視頻畫面

2.2 應(yīng)用分析

基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有高的準確率和監(jiān)控檢測率，為此，假設(shè)系統(tǒng)監(jiān)控的樣本畫面為1（即精度），被正確識別監(jiān)控下來的視頻從采集、傳輸、后臺處理到視頻墻顯示出來的樣本為正樣本數(shù)（檢測率），未被識別樣本為誤差率（包括采集失敗、傳輸失敗、后臺處理質(zhì)量差、無法顯示等）[7]，以檢測率分類器級聯(lián)強分類層數(shù)為橫坐標，精度為縱坐標建立坐標系，分析基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控質(zhì)量和效果。圖5 所示為試驗測得數(shù)據(jù)經(jīng)過匯總而得到檢驗曲線。

圖5 采樣分析曲線

從試驗曲線來看，隨著采集樣本層數(shù)增加，誤差率逐漸降低。樣本層數(shù)為0～4 時，誤差率從較高的0.326 8 降到0.015，隨著樣本層數(shù)繼續(xù)增大，誤差率幾乎與橫坐標持平，表明基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在礦井中的運用效果良好，準確性較高。從檢測率來看，其檢測率基本在精度為1 的線上變化，雖然在樣本層數(shù)為8 以后略有降低，因為隨著樣本的增加，數(shù)據(jù)容量增大，井下視頻在采集、傳輸、處理、顯示過程中會有局部失敗，但是此錯誤率是在設(shè)計允許范圍內(nèi)，進而表明基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可靠性高。通過對基于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)述煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究，良好的解決了礦井傳統(tǒng)視頻監(jiān)控技術(shù)存在不足難題，為井下視頻監(jiān)控提供了更高、更好的視頻質(zhì)量，提高了礦井安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。

3 結(jié)論

1）礦井工業(yè)以太網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由采集、傳輸、處理三大部分組成，采集設(shè)備為IP 攝像儀、拾音器、紅外報警、傳感器等，傳輸介質(zhì)為工業(yè)以太網(wǎng)、光端機、光纖等通訊設(shè)備，后臺處理為計算機、PLC 控制器、設(shè)備管理服務(wù)器、流媒體服務(wù)器等。

2）工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在井下應(yīng)用表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r傳輸井下各個區(qū)域的生產(chǎn)狀況畫面，圖像清晰、可靠性高、誤差率較小，可節(jié)約成本，降低安全隱患，有效提高礦井生產(chǎn)工作效率和管理水平。