三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

石海明

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100000）

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)利用前后端分離的方式進(jìn)行開發(fā)[1]，其中后端基于訓(xùn)練好的改進(jìn)YOLOv5檢測(cè)模型進(jìn)行安全隱患檢測(cè)，前端為B/S架構(gòu)的可視化平臺(tái)，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文的三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S（Browser/Server）[2]結(jié)構(gòu)。C/S（Client/Server）架構(gòu)往往要求部署的計(jì)算機(jī)必須進(jìn)行客戶端的安裝，而B/S架構(gòu)系統(tǒng)就可以很好地解決C/S架構(gòu)的這個(gè)弊端[3]。因?yàn)锽/S架構(gòu)的系統(tǒng)客戶端為瀏覽器，用戶只需要訪問瀏覽器就能夠?qū)θS可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)操控與監(jiān)管[4]。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有功能的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)各模塊能夠緊密連接的關(guān)鍵。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)源主要來自兩部分，一部分為天地圖底圖等二三維空間數(shù)據(jù)，另一部分則是由PostgreSQL[5]存儲(chǔ)的系統(tǒng)后端基于改進(jìn)后YOLOv5[6]算法的目標(biāo)檢測(cè)模塊生成的目標(biāo)檢測(cè)信息和報(bào)警信息以及其他實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。例如本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)預(yù)警模塊的報(bào)警信息表的字段信息見表1。

表1 報(bào)警信息表

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，本文將系統(tǒng)分為六大功能模塊，分別為二三維場(chǎng)景展示模塊（一張圖）、監(jiān)管大屏模塊、視頻監(jiān)控模塊、實(shí)時(shí)預(yù)警模塊、人員監(jiān)管模塊、地理圍欄模塊以及隱患臺(tái)賬模塊，接下來將重點(diǎn)介紹六大功能模塊。

3.1 二三維場(chǎng)景展示模塊

本系統(tǒng)利用地理信息數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，將二三維空間數(shù)據(jù)直觀、形象地展示出來，便于用戶理解數(shù)據(jù)中所蘊(yùn)含的地理信息，輔助用戶進(jìn)行決策分析等。具體展示圖層包括柵格數(shù)據(jù)圖層、矢量數(shù)據(jù)圖層、三維模型數(shù)據(jù)以及地圖底圖四類二三維空間數(shù)據(jù)。如圖2所示。

圖2 二三維展示模塊圖層管理界面

3.2 監(jiān)管大屏模塊

本系統(tǒng)的監(jiān)管大屏模塊為本系統(tǒng)的主界面，如圖3所示。由于本系統(tǒng)由甘肅建設(shè)綠色建材產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司委托設(shè)計(jì)，因此左上角需要標(biāo)明公司名稱：甘肅建設(shè)綠色建材產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司。本文設(shè)計(jì)的三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的可視化平臺(tái)命名為智慧礦山可視化安全監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)，位于最上方中間位置，系統(tǒng)名稱下方為進(jìn)入各個(gè)功能模塊的菜單欄單擊按鈕可進(jìn)入對(duì)應(yīng)模塊。功能模塊菜單欄下方為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示，其中包括礦山人員數(shù)量、監(jiān)控視頻數(shù)量、火警數(shù)量、揚(yáng)塵指數(shù)、車輛數(shù)量以及開采進(jìn)度，界面中心位置加載圖像為二三維場(chǎng)景展示模塊中的天地圖底圖以及礦區(qū)影像等圖層。二三維場(chǎng)景展示模塊的左上角區(qū)域?yàn)榘踩笜?biāo)評(píng)價(jià)模塊，本系統(tǒng)從管理因素、環(huán)境因素、生產(chǎn)人員因素、危險(xiǎn)源因素、災(zāi)害因素、生產(chǎn)裝備因素以及地質(zhì)因素等多個(gè)指標(biāo)對(duì)礦山安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。其左下角區(qū)域?yàn)槿藛T曲線模塊，人員曲線展示一天中每個(gè)小時(shí)的礦工數(shù)量，其更新頻率為每小時(shí)更新一次。其右上角區(qū)域?yàn)閳?bào)警統(tǒng)計(jì)模塊，報(bào)警統(tǒng)計(jì)模塊展示未帶安全帽、未穿反光衣火警等報(bào)警類型的占比情況，以圓環(huán)圖的形式進(jìn)行展示。其右下角區(qū)域?yàn)閷?shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊展示安全隱患數(shù)據(jù)，主要以表格的形式列出隱患編號(hào)、隱患名稱、隱患狀態(tài)以及隱患類型等數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)管大屏模塊展示

3.3 視頻監(jiān)控模塊

系統(tǒng)需要將礦山的監(jiān)控視頻流推送至系統(tǒng)的服務(wù)器端，本系統(tǒng)使用的海康威視攝像頭產(chǎn)生的實(shí)時(shí)視頻流是RTSP格式的[7]，因此視頻流的URL地址應(yīng)遵從RTSP協(xié)議，其中需要特別說明，本系統(tǒng)由于接入視頻過多，盡量減輕電腦運(yùn)行負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)選用子碼流：sub/av_stream，例如，本系統(tǒng)的?？低晹z像頭的視頻流URL為：rtsp://admin:dfmc_123456@192.168.10.48:554/h264/ch1/main/av_stream。

本系統(tǒng)預(yù)計(jì)需要接入礦山超過100路視頻，最終在系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)效果如圖4所示，左側(cè)狀態(tài)欄會(huì)顯示視頻編號(hào)，監(jiān)控位置，設(shè)備類型以及操作欄的攝像頭按鈕，通過點(diǎn)擊攝像頭按鈕即可進(jìn)入對(duì)應(yīng)監(jiān)控位置的視頻界面進(jìn)行大屏播放。

圖4 視頻監(jiān)控模塊展示

3.4 實(shí)時(shí)預(yù)警模塊

前文我們已經(jīng)基于YOLOv5算法進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)與優(yōu)化，得到了三個(gè)基于YOLOv5的目標(biāo)檢測(cè)模型權(quán)重，他們分別為安全帽佩戴檢測(cè)模型權(quán)重，反光衣穿戴檢測(cè)模型權(quán)重和煙霧火災(zāi)檢測(cè)模型權(quán)重，通過加載不同模型的權(quán)重來構(gòu)建不同的目標(biāo)檢測(cè)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)是否佩戴安全帽、是否穿戴反光衣以及是否存在煙霧火災(zāi)的檢測(cè)，其工作流程如圖5所示。

圖5 實(shí)時(shí)預(yù)警模塊流程圖

系統(tǒng)前端顯示的報(bào)警信息在實(shí)時(shí)預(yù)警模塊展示情況如圖6所示，具體報(bào)警信息包括編號(hào)、通道名稱、報(bào)警類型以及報(bào)警時(shí)間等。

圖6 實(shí)時(shí)預(yù)警模塊展示

3.5 其他模塊

人員監(jiān)管模塊會(huì)在礦區(qū)的工作人員所在的實(shí)時(shí)具體位置顯示人物圖標(biāo)以及姓名，通過點(diǎn)擊人物圖標(biāo)就可以查看該工作人員的具體信息，包括姓名信息（姓名-所屬礦區(qū)-所屬車間）、該工作人員的具體坐標(biāo)、該工作人員的具體位置以及創(chuàng)建時(shí)間，人員監(jiān)管模塊展示情況如圖7所示。

圖7 人員監(jiān)管模塊展示

地理圍欄模塊會(huì)顯示闖入者姓名，闖入的圍欄編號(hào)以及闖入時(shí)間等信息，地理圍欄模塊具體展示情況如圖8所示。

圖8 地理圍欄模塊展示

隱患臺(tái)賬模塊以表格形式展示隱患臺(tái)賬信息，包括ID、隱患編號(hào)、隱患名稱、隱患狀態(tài)、隱患類型、開始實(shí)際以及結(jié)束時(shí)間等隱患臺(tái)賬信息，隱患臺(tái)賬模塊具體展示情況如圖9所示。

圖9 隱患臺(tái)賬模塊展示

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)前后端分離式的三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)后端基于訓(xùn)練好的改進(jìn)YOLOv5檢測(cè)模型進(jìn)行安全隱患檢測(cè)，前端為B/S架構(gòu)的可視化平臺(tái)。該系統(tǒng)由監(jiān)控大屏模塊、視頻監(jiān)控模塊、二三維場(chǎng)景展示模塊以及人員監(jiān)管、地理圍欄、隱患臺(tái)賬模塊等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了通過瀏覽器便可實(shí)時(shí)查看礦山各重要場(chǎng)景的安全隱患等情況以及礦山的二三維空間數(shù)據(jù)等功能。三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的建立，有助于礦山管理人員更加直觀地了解安全隱患及其報(bào)警情況，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患所處位置，有助于礦山管理人員制定安全隱患消除措施，為礦山的安全隱患監(jiān)管提供決策依據(jù)，對(duì)礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。