基于OPC UA 的視頻聯(lián)動礦山報警監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用

李剛 盧華亮

（玉溪大紅山礦業(yè)有限公司）

1 背景和現(xiàn)狀

根據(jù)調(diào)研，多年來我國大多數(shù)礦山企業(yè)均已投入了多種安監(jiān)設(shè)備對危險區(qū)段實時監(jiān)控，主要分為兩大類：一類是以瓦斯、CO、風速、溫度、水倉水位、電流、機電設(shè)備饋電等傳感器為主的數(shù)值型監(jiān)測設(shè)備，它們測量的數(shù)據(jù)通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)接入各車間的PLC 控制設(shè)備，一旦數(shù)值超限異常會觸發(fā)報警；另一類是安裝在井下及井上各關(guān)鍵區(qū)域的視頻攝像頭設(shè)備，它們通過專用網(wǎng)絡(luò)接入視頻服務(wù)器，在監(jiān)控室可以調(diào)出任意攝像頭通道畫面實時查看。數(shù)值監(jiān)測和視頻監(jiān)控兩套系統(tǒng)各自獨立，相互間無法關(guān)聯(lián)交互，成為兩個“信息孤島”。比如PLC 數(shù)值監(jiān)控系統(tǒng)雖然第一時間發(fā)出某區(qū)域CO 濃度超標的報警，但操作人員還需手動從視頻服務(wù)器的上千路視頻中逐層檢索出對應(yīng)場所的畫面，才能確認現(xiàn)場情況并對人員發(fā)出警報。由于未實現(xiàn)視頻畫面的實時聯(lián)動，每次人工手動對照要花費幾秒到幾十秒的操作時間，不僅增加了工作量，更延長了故障處理響應(yīng)時間，埋下了嚴重的安全隱患。

另一個普遍存在的問題是，采礦各生產(chǎn)車間的數(shù)值型傳感器往往是分散安裝的，數(shù)據(jù)就地采集到各車間的主控PLC 中；但由于PLC 廠家和型號眾多，各自支持的網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議不同，對報警數(shù)據(jù)的集中采集和傳輸造成極大困難。這就要求我們根據(jù)礦山企業(yè)的設(shè)備特點，對比分析研究，找到一種受多數(shù)PLC 廠家支持的標準化的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，并開發(fā)實現(xiàn)與現(xiàn)有PLC 設(shè)備間的通訊接口，打通數(shù)據(jù)高速公路的“最后一公里”，對既有PLC 系統(tǒng)“零入侵”和最小化改造，完成中心報警服務(wù)器的通訊采集和建設(shè)。如圖1 所示，為采用OPC UA 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準，開發(fā)協(xié)議接口與多種主流PLC 的原生協(xié)議（Modbus、Melsec-Q等）實現(xiàn)對接，包括西門子S5 和S7 系列、倍福（Beckhoff）、施耐德（Schneider）、菲尼克斯（Phoenix）、羅克韋爾（AB）和三菱（Mitsubishi）等，通過高速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實時采集傳感器報警數(shù)據(jù)到中心報警服務(wù)器。

圖1 基于OPCUA 標準協(xié)議采集多廠商PLC 報警數(shù)據(jù)

2 意義、實施必要性

通過本文研究課題，將有效解決礦山數(shù)值報警傳感設(shè)備的互聯(lián)互通問題，在報警企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中建設(shè)“報警數(shù)據(jù)高速公路”，提升報警效率、降低事故發(fā)生的可能。將進一步彌補礦山生產(chǎn)企業(yè)常見的數(shù)據(jù)報警和視頻監(jiān)控之間的“數(shù)據(jù)鴻溝”，從根本上解決安全監(jiān)控系統(tǒng)中的“信息孤島”問題。粗略估計，數(shù)據(jù)報警時的視頻檢索時間，將從之前的平均15 秒左右，大幅縮減到視頻聯(lián)動后的1秒以內(nèi)，從而顯著提升事故預(yù)警和報警處理效率、有效避免安全事故；同時，預(yù)估能節(jié)省操作工人的監(jiān)控工作量50 %以上，減員增效效果明顯。

3 基于OPC UA 的視頻聯(lián)動礦山報警監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 基于OPC UA 消除“信息孤島”，匯聚傳感數(shù)據(jù)到報警中心

礦業(yè)安全報警監(jiān)控系統(tǒng)的首要問題是將廣泛安裝在各生產(chǎn)場所的大量傳感器信號實時采集起來并集中處理數(shù)據(jù)。其中包括但不限于甲烷傳感器、CO 傳感器、風速、溫度、水倉水位、電流、負壓等模擬量傳感器，也包括機電設(shè)備開停、機電設(shè)備饋電狀態(tài)、風門開關(guān)狀態(tài)等開關(guān)量傳感器。它們就像醫(yī)生的聽診器，遍布于礦山各生產(chǎn)車間，時刻為安全“把脈”。

但是，由于不同生產(chǎn)區(qū)域采用的自動化PLC系統(tǒng)品牌多樣、物理網(wǎng)絡(luò)更是五花八門，經(jīng)常遇見各個PLC 品牌之間不同的硬件或軟件協(xié)議不通用的窘境。由于現(xiàn)實的原因，各個現(xiàn)場控制單元內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)無法互聯(lián)互通，更無法統(tǒng)一匯聚到整個廠級的“報警數(shù)據(jù)中心”，各個“信息孤島”孤立地存在，如圖2 所示。這為中心報警監(jiān)控平臺開發(fā)造成極大困難。

圖2 礦山報警監(jiān)控系統(tǒng)“信息孤島”示意圖

為了解決信息孤島問題，最重要的是在對原有各單元PLC 控制系統(tǒng)盡量少改造或不改造的前提下，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和通訊協(xié)議的統(tǒng)一。本文根據(jù)前期企業(yè)調(diào)研的具體情況，采用最新工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以O(shè)PC UA 協(xié)議規(guī)范采用C#語言實現(xiàn)了一套通用的協(xié)議適配網(wǎng)關(guān)程序，通過它對接各廠商的PLC 系統(tǒng)，將廠商原生的私有協(xié)議轉(zhuǎn)換為OPC UA 協(xié)議，為多廠商異構(gòu)硬件數(shù)據(jù)雙向交換架設(shè)了高速的通訊橋梁[1]。

OPC 全稱是OLE（Object Linking and Embedding）for Process Control。為了便于自動化行業(yè)不同廠家的設(shè)備和應(yīng)用程序能相互交換數(shù)據(jù)，定義了一個統(tǒng)一的接口函數(shù)，就是OPC 協(xié)議規(guī)范。經(jīng)典的OPC 是基于Windows COM/DOM 技術(shù)，可以使用統(tǒng)一的方式去訪問不同設(shè)備廠商的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，OPC 技術(shù)已工控領(lǐng)域數(shù)據(jù)交互的主流技術(shù)，受業(yè)界主流廠商支持。簡單來說OPC 就是為了用于設(shè)備和軟件之間交換數(shù)據(jù)的一套通用的協(xié)議。但是，其也有配置繁瑣、不支持跨網(wǎng)段通訊、受限于Windows 無法跨平臺等缺點。

為了應(yīng)對標準化和跨平臺的趨勢，OPC 基金會近些年推出了全新的標準OPC UA，為制造現(xiàn)場到企業(yè)資源技術(shù)系統(tǒng)間傳輸原始數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)提供了一個優(yōu)秀的方案。它可以連接更多的設(shè)備，獨立于微軟、UNIX 或其他操作系統(tǒng)，能成為連接企業(yè)級計算機與嵌入式自動化的橋梁；它還加強了數(shù)據(jù)授權(quán)保護手段，可通過用戶鑒權(quán)、簽名和加密傳輸?shù)确绞奖Ｗo數(shù)據(jù)安全，能有效避免礦山生產(chǎn)數(shù)據(jù)泄露的危險。如圖3 所示，為企業(yè)存在的多廠商PLC、DCS、智能儀表設(shè)備，在使用OPC 協(xié)議前后數(shù)據(jù)傳輸模型的變化示意圖?？梢钥闯?，左圖中繁雜的私有協(xié)議（彩色箭頭）通訊，被單一的OPC UA 協(xié)議通訊棧（黑色箭頭）替代，極大降低了應(yīng)用集成的難度；同時保留了私有協(xié)議的實時性,典型的OPC UA 數(shù)據(jù)交互延時均在百毫秒級別。

圖3 多廠商異構(gòu)硬件使用OPC 前后數(shù)據(jù)交互模型

得益于OPC UA 獨立于制造商，應(yīng)用可以統(tǒng)一用它通信，開發(fā)者可以用不同編程語言對它開發(fā)。基于主流的C++和C#語言，業(yè)界也積累了豐富的開發(fā)資源，OPC 基金會網(wǎng)站上也有大量的開發(fā)示例、類庫和文檔，降低了開發(fā)難度和項目開發(fā)風險。

最終借助OPC UA 開發(fā)適配程序，能夠?qū)⒌V山企業(yè)傳感報警信息統(tǒng)一集中到報警中心，如圖4所示，為進一步與視頻畫面聯(lián)動奠定基礎(chǔ)。

圖4 消除“信息孤島”實現(xiàn)礦山數(shù)據(jù)高速互聯(lián)

3.2 基于視頻行業(yè)標準進行二次開發(fā)，為礦山報警平臺賦能視頻資源

礦山企業(yè)另一大類安監(jiān)手段為全天候視頻監(jiān)控,它是由現(xiàn)場監(jiān)控攝像頭采集廠區(qū)所有關(guān)鍵區(qū)域的實時現(xiàn)場視頻畫面。隨著視頻監(jiān)控行業(yè)發(fā)展,絕大多數(shù)企業(yè)均以建設(shè)了集中式的視頻監(jiān)控云平臺,如?？低暤膇Work-Safety 企業(yè)安監(jiān)管理平臺、Infovision 智慧礦山平臺等，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對全廠攝像頭整合、管理并存儲歷史視頻數(shù)據(jù)。但是這些平臺是自成體系的，且與前述的傳感報警PLC 數(shù)據(jù)是相互隔離的，無法直接將視頻畫面與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)在單一應(yīng)用中整合。為解決這一問題，?？担℉ikvision）和大華（Dahua）公司不斷開放自己的平臺，提供了符合視頻行業(yè)標準（ONVIF、GB/T28181、GA/T1400、JT/T808 等）的軟件開發(fā)工具（Soft Develop Kit），為第三方應(yīng)用視頻融合賦能[2]。如圖5 示為?？灯脚_視頻開放SDK 功能示意圖。本項目使用C#語言開發(fā)客戶端接入，實現(xiàn)報警畫面的實時預(yù)覽、歷史回放、云臺控制等，使礦山生產(chǎn)安全監(jiān)控單一系統(tǒng)中的視頻聯(lián)動報警成為可能。

圖5 海康Infovision 視頻融合賦能平臺SDK 功能框圖

3.3 基于預(yù)置在線規(guī)則庫，聯(lián)動傳感數(shù)據(jù)和視頻畫面實現(xiàn)綜合預(yù)警

傳感數(shù)據(jù)與監(jiān)控畫面，這兩大類報警數(shù)據(jù)源，前者為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，后者為流媒體視覺數(shù)據(jù)，二者在采集、存儲、分析、報警各方面的處理方式都各不相同。因此，一直以來兩者之間無法進行信息數(shù)據(jù)有效整合，由于技術(shù)等原因，連同一礦區(qū)同一事件所引起的傳感報警和監(jiān)控畫面，都沒能有效地實現(xiàn)報警聯(lián)動。例如，實際處理突發(fā)事故時，傳感報警平臺收到某個瓦斯?jié)舛瘸叩木o急報警，需要操作工人手動查詢傳感器所在安裝具體區(qū)域，再按照事發(fā)地點從視頻管理云平臺的樹狀層級中一級級查找出所需視頻畫面，才能進一步地報警確認和處理。這樣一個十幾秒到幾十秒的操作時間，對很多重特大事故預(yù)警是不可容忍的；同時繁瑣的手工操作也會增加操作工工作量，容易造成視頻漏查、不查等問題，成為很多生產(chǎn)安全事故的嚴重隱患。

本文在打通兩類數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)上，著力研究解決兩類報警的實時聯(lián)動綜合預(yù)警問題。采用在報警系統(tǒng)中預(yù)置“在線規(guī)則庫”[3]，首先梳理出所有報警點所在傳感器的位置信息庫，以及所有攝像頭安裝場所的位置信息庫；再基于“同一場所的傳感器和攝像頭應(yīng)建立關(guān)聯(lián)”的原則，將基于地點的關(guān)聯(lián)信息插入到規(guī)則庫中；然后基于礦山煤炭企業(yè)的業(yè)務(wù)特點和經(jīng)驗，進一步增加業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)信息到規(guī)則庫中，例如，生產(chǎn)的上（下）游環(huán)節(jié)傳感報警有可能需要及時查看下（上）游的視頻畫面，或者換種說法，如果發(fā)電機組缺相故障傳感器報警，就需要盡快調(diào)出井下關(guān)鍵礦道的視頻，檢查照明、生產(chǎn)是否受影響是否有潛在危險。

視頻聯(lián)動報警平臺在運行時，會加載這些預(yù)置好的“實時規(guī)則庫”。當采集的某一個傳感實時數(shù)據(jù)發(fā)生預(yù)警，除了在畫面上進行顏色閃爍、發(fā)聲發(fā)光等傳統(tǒng)報警外，還將快速檢索在線“實時規(guī)則庫”，查找是否有匹配的規(guī)則；匹配命中后，根據(jù)規(guī)則內(nèi)容，系統(tǒng)獲知一個或多個相關(guān)的監(jiān)控攝像頭ID 號；在一秒鐘以內(nèi)，調(diào)用視頻平臺SDK 完成所需監(jiān)控畫面的實時預(yù)覽，并能對畫面3D 放大、云臺控制及查看回放等。整個過程如圖7 中所示。

此外，視頻聯(lián)動報警平臺，還具備“規(guī)則編輯器”功能，以供礦山企業(yè)用戶對“在線規(guī)則庫”中的規(guī)則維護完善，如添加、修改、刪除、顯示、保存等功能，方便用戶操作，并增強系統(tǒng)的可擴展性和易用性。

4 結(jié)論

（1）本文針對玉溪大紅山礦業(yè)有限公司的實際生產(chǎn)狀況，通過理論論證與現(xiàn)場測驗，基于OPC UA 協(xié)議使用C#語言開發(fā)AB/SIEMENS 等常見品牌PLC 和智能傳感器的接入網(wǎng)關(guān)程序，實現(xiàn)傳感器報警數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集到報警數(shù)據(jù)中心；使用C#語言開發(fā)基于ONVIF 標準的客戶端接入，實現(xiàn)報警畫面的實時預(yù)覽、歷史回放、云臺控制等；

（2）成功設(shè)計并編寫出一套易用可擴展的礦山視頻聯(lián)動在線“規(guī)則系統(tǒng)”，數(shù)據(jù)報警時能夠自動跳轉(zhuǎn)到關(guān)聯(lián)監(jiān)控畫面，完成報警系統(tǒng)與視頻的聯(lián)動，實現(xiàn)礦山生產(chǎn)設(shè)備的傳感器報警與視頻監(jiān)控的高度統(tǒng)一，形成多維度的礦山安全報警綜合研判體系。