何 芳，王俊娟

（1.山西職工醫(yī)學(xué)院，山西 太原 030012；2.聞喜縣西官莊中學(xué)，山西 聞喜 043800）

煤礦無(wú)人工作面中視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究

何 芳1，王俊娟2

（1.山西職工醫(yī)學(xué)院，山西 太原 030012；2.聞喜縣西官莊中學(xué)，山西 聞喜 043800）

文章對(duì)無(wú)人工作視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入的、全面的分析與研究，并根據(jù)井下無(wú)人工作面的實(shí)際情況和需求對(duì)工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

無(wú)人工作面；視頻監(jiān)控

在煤礦安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)是其非常重要的一個(gè)組成部分。當(dāng)前，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)分為井下監(jiān)控和井上監(jiān)控兩大類。煤礦井下作業(yè)因?yàn)槠潆x地面遠(yuǎn)，地形復(fù)雜多變，環(huán)境惡劣，而經(jīng)常引發(fā)事故，造成重大財(cái)產(chǎn)損失。利用遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，地面調(diào)度室工作人可以直接對(duì)井下情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能直觀地記錄和監(jiān)視井下工作現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)和安全狀況，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患、及時(shí)處理，得到事后分析事故的第一手影像資料，為今后的安全生產(chǎn)提供保障。目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展已經(jīng)滲透到了各個(gè)領(lǐng)域，基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是其應(yīng)用的一個(gè)重要方面。因此，將現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)引入煤礦監(jiān)控系統(tǒng)中是一種很有效的方法。

1 工作面視頻監(jiān)控的條件

井下工作面環(huán)境相對(duì)巷道視頻監(jiān)測(cè)要困難和復(fù)雜的多。大型設(shè)備較多，并且在不斷向前推移，給設(shè)備布線增加了很大的難度，電磁干擾較多；粉塵多、水霧大，使得監(jiān)測(cè)效果不是很理想。根據(jù)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的要求和國(guó)家有關(guān)法規(guī)，煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)方案要具有以下條件：

（1）布線簡(jiǎn)單、安裝方便、損害率低。

（2）開放性原則：設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)是開放性系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與未來(lái)設(shè)備的更多互連和互操作，且能方便地融于城市信息網(wǎng)絡(luò)中。

（3）先進(jìn)性：煤礦監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)盡量采用先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品設(shè)備，只有采用先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，才能保證系統(tǒng)的先進(jìn)性。

（4）可靠性：系統(tǒng)的可靠性是第一位的，在方案設(shè)計(jì)中必須充分考慮系統(tǒng)的安全，依照安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采取安全管理措施，保證監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

（5）經(jīng)濟(jì)性：系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)重要因素，使系統(tǒng)具有良好的性能價(jià)格比是監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則。

（6）可擴(kuò)展性：在系統(tǒng)需要擴(kuò)展時(shí)，前端設(shè)備數(shù)量將靈活增加，不改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式，以保證用戶的投資安全。

（7）實(shí)用性：采用高科技手段，進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)，盡量減少系統(tǒng)操作的復(fù)雜性，并做到系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單；軟件使用界面良好，完全達(dá)到智能化控制。

2 視頻傳輸技術(shù)的分類

煤礦監(jiān)控的系統(tǒng)組成包括監(jiān)控前端、傳輸方式、監(jiān)控中心、監(jiān)控終端等部分。監(jiān)控前端包括防爆攝像機(jī)、模擬攝像機(jī)、視頻編碼器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、報(bào)警輸入/輸出設(shè)備等。還可以根據(jù)用戶及環(huán)境的不同需求，另外加配護(hù)罩等。

此外，根據(jù)監(jiān)控傳輸方式的不同，還可以分為以下3種：

2.1 同軸電纜傳輸

用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，將模擬信號(hào)直接傳輸優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，相對(duì)于其他傳輸方式，也不會(huì)產(chǎn)生電火花，避免了可能引發(fā)的瓦斯爆炸。但也有缺點(diǎn)，包括有的礦井長(zhǎng)達(dá)幾千米，傳統(tǒng)的布線方式無(wú)法滿足；布線困難，如果按著傳統(tǒng)布線方式，有幾路監(jiān)測(cè)點(diǎn)，就要拉幾條視頻線，在井上尚且困難，在井下工作面就會(huì)更加困難。

2.2 雙絞線傳輸

通過(guò)雙絞線傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，已經(jīng)較為成熟，它可將多個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過(guò)雙絞線連接在交換機(jī)上，構(gòu)成一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、布線容易、價(jià)格低廉等許多優(yōu)點(diǎn)。由于工作面是直線排列，不僅傳輸線多，而且要加多個(gè)交換機(jī)和電源，安裝不便，維護(hù)難。

2.3 光纖傳輸

可以使布線方便，傳輸?shù)穆窋?shù)多，不會(huì)造成傳輸信號(hào)堵塞。其缺點(diǎn)是煤礦井下環(huán)境特殊，不允許在井下進(jìn)行融接，所以必須在井上融接好后再到井下，這無(wú)疑增加了施工的難度；總裁工作面支架經(jīng)常移動(dòng)，而光纖較脆，易折斷，如果光纖斷裂，就需要將所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)光纖拉到井上重新進(jìn)行融接，這無(wú)疑又會(huì)增加額外的人力、物力、財(cái)力，同時(shí)也會(huì)造成監(jiān)控的盲區(qū)；由于光端機(jī)成本很高，這無(wú)疑會(huì)增加工程的成本；后期增加監(jiān)控點(diǎn)不容易。

2.4 無(wú)線監(jiān)控

它的布線簡(jiǎn)單，成本低：信號(hào)通過(guò)微波傳輸，降低了系統(tǒng)成本和施工難度；信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，不易失真，傳輸無(wú)延時(shí)；系統(tǒng)設(shè)備可以將800線的攝像頭信號(hào)高保真地傳送，其傳輸速度快，沒(méi)有延時(shí)；采用頻率2.4G和5.8G技術(shù)，可以在較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)傳輸，而且可以添加放大器或者無(wú)線數(shù)字微波中繼傳輸機(jī)以延長(zhǎng)傳輸距離，監(jiān)控距離可達(dá)數(shù)10 km；后期維護(hù)簡(jiǎn)單方便：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，如果有新增節(jié)點(diǎn)加入不用重新布線，只需插入到主干電纜上即可，出現(xiàn)故障查找容易，維護(hù)方便，簡(jiǎn)單可靠。該技術(shù)在地面已經(jīng)成熟，但在井下還處于實(shí)驗(yàn)階段。

3 工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

井下綜采工作面是個(gè)狹長(zhǎng)的空間，一般在200 m~300 m左右，在這個(gè)工作區(qū)域里需要安裝20~30個(gè)視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備，并均勻分布在支架上。采用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都不適合這樣的工作環(huán)境，所以本文提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即基于交換機(jī)的工作面寬帶多媒體總線網(wǎng)絡(luò)。

圖2 基于交換機(jī)總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

由圖1和圖2可以看出，基于交換機(jī)的總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是將傳統(tǒng)的星型結(jié)構(gòu)變形而成。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有個(gè)交換芯片，在超大規(guī)模集成電路飛速發(fā)展的今天，這種高性能、低功耗、低成本芯片很容易集成到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備中。交換芯片上有3個(gè)端口，一個(gè)端口與節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口相連，交換芯片與節(jié)點(diǎn)上都有物理層，通過(guò)短的雙絞線直連，另外兩個(gè)端口與左右交換機(jī)相連。這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的交換機(jī)區(qū)別不大，但只用一條信道就實(shí)現(xiàn)所有攝像機(jī)聯(lián)網(wǎng)。這樣既簡(jiǎn)化了布線，又利于維護(hù)，但要求這條信道的帶寬要足夠大，要達(dá)到百兆甚至千兆。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量只有幾十個(gè)時(shí)，百兆信道帶寬可以滿足實(shí)時(shí)性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到百個(gè)時(shí)，占用的信道資源難以維持如此巨大的開銷，可通過(guò)增大信道的帶寬解決網(wǎng)絡(luò)阻塞問(wèn)題，將交換節(jié)點(diǎn)從100 MBps提高到1 Gbps。為了防止某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，而引起通訊中斷，可在節(jié)點(diǎn)電路上增加繼電器，使通信自動(dòng)旁路通過(guò)，保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信道暢通。

為了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)布線方便，本設(shè)計(jì)將攝像頭、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、電源模塊以及交換芯片整合在一個(gè)防爆腔體內(nèi)。見圖3，電源模塊為攝像頭、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器和交換芯片提供電源，攝像儀采集到得圖像信號(hào)，經(jīng)視頻線傳輸給網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，由其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及壓縮，然后通過(guò)雙絞線連接在交換芯片上，經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)視器上。這樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)方便安裝，只需將多個(gè)設(shè)備安裝至支架上，用礦用阻燃網(wǎng)線和電源線串聯(lián)起來(lái)即可。工作面安裝布置方案見圖4。

圖3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 工作面安裝布置方案

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于交換機(jī)的工作面寬帶多媒體總線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

（1）將多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)信號(hào)共用一根電纜傳輸，大大節(jié)省了線纜數(shù)量和施工時(shí)間，降低了系統(tǒng)成本和施工難度。

（2）該系統(tǒng)以雙絞線為傳輸介質(zhì)，抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、性能可靠。有效抑制共模干擾，即使在強(qiáng)干擾環(huán)境下，雙絞線也能傳送極好的圖像信號(hào)。

（3）傳輸距離遠(yuǎn)，采用頻率拓展技術(shù)，可以在較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)傳輸，而且可以添加中繼器以延長(zhǎng)傳輸距離，監(jiān)控距離可達(dá)數(shù)千米。

（4）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)、擴(kuò)展簡(jiǎn)單方便，有新增節(jié)點(diǎn)加入不用重新布線，只需插入到主干電纜上即可，出現(xiàn)故障查找容易，維護(hù)方便，簡(jiǎn)單可靠。

（5）系統(tǒng)特別適合煤礦井下采煤工作面、掘進(jìn)工作面的監(jiān)視點(diǎn)位置經(jīng)常的動(dòng)態(tài)檢測(cè)點(diǎn)。

[1]任曉榮，姚紅凱.脈沖信號(hào)單芯電纜傳輸技術(shù)和性能分析[J].電子工程師，2003，29（7）

[2]田聰敏，季仰，周潤(rùn)才.井下光纖視頻測(cè)井系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].國(guó)外油田工程，2003，19（6）,26-27

The Research on Video Surveillance of no one Work Area in Coal Mine

He Fang，Wang Junjuan

In this paper,we conducted a comprehensive and in-depth research about videosurveillance ofnoone work area,.Accordingtoworking environment and requirement,we designed a videosurveillance system.

noone work area；videosurveillance

TD654

A

1000-8136(2010)08-0020-02