薄煤层工作面视频监控系统的设计

薄煤层工作面视频监控系统的设计
【摘要】目前国内的薄煤层综采工作面视频监控系统普遍存在延时大、拍摄效果不清晰、稳定性差等诸多问题。

因此，基于薄煤层综采工作面的工作条件，以实现对液压支架和采煤机、固定点的工况视频监测为目的，通过研究设计矿用隔爆千兆光端机、矿用隔爆监视器、矿用隔爆计算机主机、矿用隔爆网络摄像仪等设备，建立一套应用于薄煤层综采工作面的视频监控系统。

经实际测试表明，本系统稳定性好、实时性高，对煤矿的安全高效生产具有不可替代的作用。

【关键词】视频监控；网络摄像仪；薄煤层；工作面
0.引言
采煤工作面是煤矿井下极为特殊的环境，特别是薄煤层开采环境，其现场空间狭小、开采过程中能见度条件差、湿度大、设备多且品种杂功能各异等。

特殊条件导致视频采集、通信、控制等均受到不同程度的阻碍。

本文的薄煤层视频监控系统在保证数据的高清可见性、实时性、可靠性、通用性、傻瓜式维护等方面技术要求的同时，可在采煤工作面照度低、粉尘浓度大、空气湿度大、干扰强的现场长期使用。

1.主要功能
薄煤层综采工作面视频监控系统的主要监控设备安装在液压支架上，用于实现综采工作面的远程视频安全视频监控功能。

系统除具备通用的视频监控、灯光控制、网络浏览、视频查询、流媒体转发等主要功能外，还具有监视模式切换、冗余设计、故障处理等适合薄煤层综采工作面的特有功能。

监视模式切换：视频控制分为自动跟机模式和手动显示输出模式两种，用户可通过上位机的操作面板、键盘、鼠标等在上位机软件进行切换输出。

在自动跟机模式下，可实现跟随采煤机位置和方向信息自动切换视频画面功能，及时显示滚筒的运行情况；当液压支架有动作时，可自动切换至邻近的摄像仪监视画面。

在手动模式下，可根据实际情况由操作人员切换每个监视画面的图像。

冗余设计：在采煤过程中，容易因为线缆铺设不当、煤块掉落等原因，把通信线缆砸断。

在设计时，采用环网的模式，即有两条通道把数据传输给集控中心。

当其中一条通道中断时，可以通过另一条通道传输，不影响视频数据的传输效果。

故障处理：当通信设备出现折断、切断，摄像仪有故障等现象时，可实现故障信号的定位显示画面报警，方便现场人员检修。

当摄像仪有故障时，可自动屏蔽故障设备，不阻断其它信号传输。

2.主要部件组成
该系统由矿用隔爆网络摄像仪、矿用隔爆千兆光路由器、矿用隔爆监视器、矿用隔爆计算机主机、矿用铠装光缆及附件组成。

图1 系统连接图
2.1矿用隔爆网络摄像仪
矿用隔爆网络摄像仪用于采集综采工作面的视频信号，每6个支架配备2台，并安装于支架的顶梁上：1台拍摄方向与工作面平行，拍摄支架走道；另一台拍摄方向垂直于工作面；拍摄采煤机滚筒和支架前顶板。

该摄像仪通过内置CCD图像采集模块采集视频信号，具有全自动光圈调节，30 米冷光灯作为辅助光源，更适合于黑暗的矿井下使用。

为了适合井下粉尘和水汽较多的工作环境，具有镜面自动喷水装置，另外镜面涂有纳米防尘材料，防止水粘在镜面上。

视频信号采用H.264压缩技术并转换成以太网信号传输至网络，支持主机B/S、C/S 模式访问，实现对井下图像的监控；对外提供两路千兆以太网光纤口，实现以太网信号的光电转换及各以太网口设备的信息交换，支持多个摄像仪级联。

2.2矿用隔爆千兆光路由器
矿用隔爆千兆光路由器作为信息交互的中心，根据从网络协议获悉的有关信息，控制通过互连网络的通信量。

该路由器内置了强大的智能QoS内核策略，精确而又智能地控制计算机主机的上传、下载速度，保证数据量大而且实时性要求高的视频信号流畅传输。

同时支持环形等冗余网络结构，具有电源、工作状态通信指示功能及自诊断、故障指示功能。

2.3矿用隔爆计算机主机
在顺槽设备列车上配备的矿用隔爆计算机主机内置两台无风扇的工业级控制主机，可独立连接监视器、鼠标键盘等输入输出设备。

作为控制整个视频监控系统的输出、访问、切换、跟机等设置的核心设备，该主机配以双核CPU处理器、4GB内存和128G的CF存储硬盘。

2.4矿用隔爆监视器
2台矿用隔爆监视器，分别显示液压支架走道和采煤机的工况信息。

该监视器采用全不锈钢结构制造，内置AC127V电源模块、三星工业液晶屏机芯。

先进的17寸TFT-LCD面板，可在170/160角度和枢轴模式下显示一致的颜色。

全高清屏幕具有1280*1024的分辨率，可更充分、完整地显示综采工作面的实际画面。

2.5矿用铠装光缆
为了能够实时观看现场的情况，所有的信号传输介质为光缆，传输速度可高达1000M，以提高视频信号的传输速度。

光信号不受井下采煤机、刮板输送机
等大功率设备电机的电磁信号干扰，传输过程不易失真。

为了满足支架移架时会拉扯、采煤时煤块四处掉落等特殊的工况要求，该光缆采用金属加强构件、松套层绞填充式、聚乙烯粘结护层、单细圆钢丝铠装和聚乙烯外护层，并且两端采用跳线结构，方便快速接插。

2.6客户端软件
客户端软件是整个系统的数据处理中心，保障系统中所有设备、各种视频数据安全有效地运行与共享，包括图像显示、画面分割、摄像仪间连接与切换、用户管理、日志管理、心跳管理、存储、查询等。

具有通过网络实现调度中心与矿井监控中心工作人员进行网络会话的功能，从而保障指挥的有效性和实时性；具有音、视频实时网络浏览功能，每路图像可允许多个网络客户端同时进行网络浏览等功能。

通过客户端软件，用户可对记录下来的录像数据进行播放、定位及快放、慢放等操作。

3.系统优势
薄煤层综采工作面使用了该视频监控系统后，具有以下优点。

3.1地面调度室同时监控
整个系统采用成熟的WEB技术，通过井下工业以太环网，所有的视频信息经过网络传回地面流媒体视频服务器。

在网络中的任一台计算机，只要安装了客户端的软件或IE浏览器，赋予不（下转第220页）（上接第118页）同级别的用户就可以在授权范围内随时随地访问工作面现场所有摄像仪的监控画面。

方便工作人员直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，对于存在的隐患能够迅速做出处理，避免可能发生的事故，也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。

该系统能融入全矿的视频监控系统，成为现代矿井安全生产监控系统的重要组成部分。

3.2扩容方便、综合成本低
当系统需要扩展时，矿用隔爆网络摄像仪可直接接入现有的网络中，即可得到应用，省去大量布线的费用，简化了施工的难度。

系统控制、界面划分等功能全由后端的软件系统实现，省去了传统模拟监控系统中的大量设备，如昂贵的矩阵、画面分割器、切换器、视转网络主机等。

由于图像通过现场的环网传输，省去了大多数模拟系统中必定使用的视频线、音频线、报警信号线、控制线等线缆的布线要求，大大节约了布线成本和减低了布线难度。

3.3高压缩视频编码，节省带宽
视频通过DSP硬件编码，编码标准为H.264。

在相同的重建图像质量下，H.264能够比H.263节约50%左右的码率，比目前根据MPEG4实现的视频格式在性能方面提高33%左右。

所以本摄像仪能够有效节省网络带宽，同时能够在视频服务器端保存更长时间的录像。

3.4视频安全易存储
传统模拟方式传输的视频信号，由于模拟信号本身的局限性，任何接到模拟系统的信号都很容易还原观看甚至进行篡改，毫无安全性可言。

而数字信号在视频信息和资料安全方面，通过编码器编码（加密），没有相应的解码设备根本无法读取信息更不用提篡改了，信号资料的安全性得到了极大的保障。

另外，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘中，查询十分简便快捷。

3.5自动化采煤
本系统可与液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机和泵站等自动控制系统配合联动，实现全自动化的薄煤层综采工作面。

操作人员可以在顺槽监控中心，根据本视频的监控画面，远程操作工作面的采煤设备，实现采煤、装煤和运煤等各种工序。

使采煤工人工作环境从空间低下、设备众多、环境恶劣的工作面，转移到有安全保障的顺槽监控中心。

有效避免操作人员的伤亡事故，同时也降低了粉尘对身体的危害。

4.结论
本文从煤矿工作面的特有地质条件出发，构建一个适用于薄煤层工作面的视频监控系统，完善了井下隔爆视频监控系统体系，有利于井下工作人员实行人机交互、进行实时控制、直接作业，提高了煤矿井下视频监控的效率，为薄煤层工作面实现安全高产高效采煤提供技术保障。

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