許 濤

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

陜煤小保當(dāng)?shù)V井及選煤廠是煤炭工業(yè)“十二五”重點(diǎn)項(xiàng)目、國(guó)家發(fā)改委核準(zhǔn)的智慧化礦山示范項(xiàng)目，已全面實(shí)現(xiàn)礦井本質(zhì)安全化、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、運(yùn)行控制智能化、經(jīng)營(yíng)管理信息化、資源利用最大化。小保當(dāng)?shù)V井“一礦兩井”，一號(hào)礦井及選煤廠規(guī)模1500萬(wàn)t/a，現(xiàn)已進(jìn)入聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)階段，二號(hào)礦井及選煤廠規(guī)模1300萬(wàn)t/a，正在建設(shè)階段[1-4]。調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)是小保當(dāng)智慧礦山建設(shè)的重要組成部分，選擇一款顯示效果優(yōu)秀、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定的生產(chǎn)指揮調(diào)度大屏系統(tǒng)顯得尤為重要和關(guān)鍵。

1 煤礦調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)的分類及性能比較

煤礦安全生產(chǎn)是智慧化煤炭開采企業(yè)的首要標(biāo)志。井下危險(xiǎn)要素眾多、工作環(huán)境惡劣，整個(gè)礦井的“不可視”，給監(jiān)管和及時(shí)處理突發(fā)事件增加諸多困難。調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)可以接入計(jì)算機(jī)、視頻、網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)，充分滿足煤礦集中顯示、集中監(jiān)控、統(tǒng)一指揮調(diào)度的需求，是安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)的主要組成部分[5-7]。

隨著科技的發(fā)展，煤礦調(diào)度大屏主流產(chǎn)品經(jīng)歷了DLP、LCD、LED小間距三個(gè)階段。目前煤礦調(diào)度大屏正在從DLP、LCD向LED小間距技術(shù)過(guò)渡階段。

DLP是基于德儀公司開發(fā)的數(shù)字微反射鏡器件DMD 來(lái)完成顯示數(shù)字可視信息的。當(dāng)前主流的激光DLP拼接屏拼縫寬度大于等于0.3mm，設(shè)備體積大，成本造價(jià)不菲。由于在使用過(guò)程中每塊屏顯示的圖像亮度不一致，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)導(dǎo)致整屏色彩一致性變差，而單塊屏體也容易出現(xiàn)中間亮度高，四角亮度低的情況。此外，DLP設(shè)備功耗大，在使用中需要配置專用的精密空調(diào)對(duì)其進(jìn)行降溫，環(huán)境要求較高。使用壽命方面，市場(chǎng)上主流的激光光源使用壽命大約為50000～70000h，和LED小間距100000h的使用壽命相比有不小的差距。在后期維護(hù)過(guò)程中，必須定期由專業(yè)技術(shù)人員調(diào)整亮度和均勻性，定期更換價(jià)格昂貴的激光光源，維護(hù)成本極高[8-11]。

LCD液晶顯示的主要原理是以電流刺激液晶分子產(chǎn)生點(diǎn)、線、面配合背部燈管構(gòu)成畫面。LCD顯示屏的拼縫寬度大于等于0.9mm，色彩一致性較好，但色彩飽和度與還原性效果一般，拼接后的屏體整體亮度、飽和度一致性較差；該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于功耗較低，但使用壽命一般為60000h。同樣LCD拼接屏需要配置專用的精密空調(diào)對(duì)其進(jìn)行降溫，后期維護(hù)過(guò)程中在單塊屏體出現(xiàn)故障時(shí)需要拆解拼接屏，對(duì)故障屏體進(jìn)行返廠維修，維修周期長(zhǎng)、成本高[12-14]。

LED顯示屏是指將紅、綠、藍(lán)3個(gè)發(fā)光二級(jí)管封裝在同1個(gè)點(diǎn)里面合成1個(gè)顯示屏像素點(diǎn)，通過(guò)控制紅、綠、藍(lán)不同色彩的LED燈的亮滅組合來(lái)顯示文字、圖片、視頻[1]，LED顯示屏無(wú)色差，色彩飽和度與還原性效果好，亮度可根據(jù)環(huán)境光線進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，并且支持通過(guò)軟件對(duì)單個(gè)燈珠的亮度、顏色進(jìn)行矯正。同DLP合LCD技術(shù)相比，LED小間距設(shè)備功耗較低，使用壽命可達(dá)100000h以上；在顯示圖像的亮度、對(duì)比度以及色域等方面，LED明顯優(yōu)于DLP以及LCD顯示屏[2]；在實(shí)際使用中，LED小間距顯示屏由于發(fā)熱量較低，無(wú)需配置專業(yè)的空調(diào)進(jìn)行降溫，降低了整體系統(tǒng)的能耗。在后期使用維護(hù)過(guò)程中，LED小間距大屏在出現(xiàn)單顆燈珠、模組出現(xiàn)故障時(shí)可靈活進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱插拔更換，維護(hù)極其方便，且成本低[15，16]。

LED顯示屏替代DLP背投拼接技術(shù)、液晶/等離子拼接技術(shù)、投影及投影融合技術(shù)等主流技術(shù)實(shí)現(xiàn)在指揮、控制、監(jiān)控、視頻會(huì)議、演播等專業(yè)室內(nèi)大屏幕顯示應(yīng)用領(lǐng)域，其最大的優(yōu)勢(shì)是無(wú)縫拼接，已確立其優(yōu)勢(shì)[3]。

通過(guò)綜合對(duì)比DLP、LCD、LED小間距三種產(chǎn)品的性能、建設(shè)成本、維護(hù)成本等因素，同時(shí)響應(yīng)把小保當(dāng)建設(shè)成為世界一流的智慧化礦山的需求，小保當(dāng)煤礦調(diào)度中心大屏設(shè)計(jì)選用技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)秀、后期維護(hù)成本低廉、性價(jià)比高的LED小間距拼接大屏。

2 小保當(dāng)智慧化礦山調(diào)度大屏顯示系統(tǒng)概況

小保當(dāng)煤礦調(diào)度指揮中心位于礦井聯(lián)合建筑3樓，調(diào)度指揮中心大廳寬度為25.8m，高度為4.3m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空間以及小間距LED顯示屏單元箱體的尺寸，礦井調(diào)度指揮中心安裝一套尺寸為17.08m(寬)×3.43m(高)，總面積為58.59m2的小間距LED顯示屏。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小保當(dāng)調(diào)度指揮中心大屏顯示系統(tǒng)由視頻拼接處理器、發(fā)送卡、交換機(jī)、控制電腦、小間距LED顯示單元箱體、控制軟件等組件構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 小保當(dāng)調(diào)度指揮中心大屏顯示系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 性能指標(biāo)

2.2.1 視覺效果

小保當(dāng)調(diào)度指揮中心小間距LED顯示屏由280個(gè)小間距LED單元箱體組成，顯示單元沒有可視的物理拼接縫隙，整個(gè)屏幕渾然一體[4]。在播放視頻及圖片時(shí)，小間距LED顯示屏可根據(jù)具體的分辨率需求進(jìn)行畫面開窗，整個(gè)畫面不受物理拼縫干擾，排除了LCD液晶顯示屏與DLP背投顯示屏因物理邊框引起的拼縫黑邊。

單個(gè)小間距LED箱體的分辨率為480×270Dots，整屏分辨率達(dá)到12480×2970=37065600Dots；物理像素間距1.27mm，每個(gè)像素點(diǎn)內(nèi)采用1紅1綠1藍(lán)三合一貼片燈，顯示色域廣，色彩豐富，完全達(dá)到了廣播級(jí)別的顯示標(biāo)準(zhǔn)。

顯示屏的燈珠物理密度為620001點(diǎn)/m2，其白平衡亮度校正后最高可支持800cd/m2，色溫支持1000K到9500K范圍可調(diào)，水平視角/垂直視角170度，發(fā)光點(diǎn)中心距偏差小于等于2.5%，亮度均勻性大于等于98%，色度均勻性±0.003Cx，Cy 之內(nèi)，對(duì)比度高達(dá)5000∶1，且整個(gè)顯示屏支持單點(diǎn)亮度與色度校正，使整個(gè)屏幕的亮度與色度保持高度的一致性，無(wú)需進(jìn)行二次補(bǔ)償就能達(dá)到色彩的高保真效果。

在視頻顯示方面，換幀頻率可達(dá)60Hz，刷新率可達(dá)3840Hz，灰度調(diào)節(jié)范圍10～16bit，完美呈現(xiàn)低亮高灰的視覺效果。

2.2.2 視頻信號(hào)的收發(fā)能力

發(fā)送卡為1U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，方便安裝在機(jī)柜內(nèi)，該發(fā)送卡支持DVI、HDMI高清信號(hào)輸入，最大可接收1920×1200像素的高清數(shù)字信號(hào)；視頻數(shù)據(jù)的輸出采用4個(gè)千兆網(wǎng)口以千兆網(wǎng)絡(luò)的幀格式并附加CRC校驗(yàn)，四個(gè)網(wǎng)口可以以像素為單位進(jìn)行上下左右的任意拼接，視頻換幀頻率60Hz，并可以自動(dòng)適應(yīng)幀率。采用高速USB與PC通訊，并可用于多臺(tái)發(fā)送卡級(jí)聯(lián)，操作更加簡(jiǎn)單方便。

2.2.3 視頻拼接處理器的信號(hào)傳輸接口

視頻拼接處理器選用72路視頻輸入、24路視頻輸出LED視頻拼接處理器，輸入信號(hào)接口預(yù)留HDMI、DVI、VGA、DP等接口，方便接入不同標(biāo)準(zhǔn)的視頻，同時(shí)預(yù)留空置槽位，為后期視頻輸入擴(kuò)容做好準(zhǔn)備。視頻拼接控制器可實(shí)現(xiàn)在小間距LED顯示屏的任意位置開窗，無(wú)公共區(qū)域的限制。視頻源可以是PC機(jī)、工控機(jī)、視頻會(huì)議及其他支持VGA、DVI、HDMI、DP等輸出標(biāo)準(zhǔn)的視頻源。

2.2.4 視頻拼接控制器操作界面

視頻拼接控制器的控制軟件可安裝于計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等終端設(shè)備上，進(jìn)行交互式可視化操作。利用設(shè)備終端通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向視頻拼接處理器發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)在小間距LED顯示屏上的顯示窗口縮放、拉伸、漫游、畫中畫顯示等功能。配合使用LED字幕顯示軟件，能夠在顯示屏上進(jìn)行字幕的疊加，如疊加天氣、時(shí)間、值班表、宣傳標(biāo)語(yǔ)等。終端與視頻拼接控制器采用網(wǎng)絡(luò)連接或RS-232連接，如圖2所示。

圖2 視頻拼接控制器的交互式可視化操作示意圖

視頻拼接控制器操作界面人性化，操作簡(jiǎn)易，支持多用戶操作。日常操作中，可預(yù)設(shè)多個(gè)常用的開窗預(yù)案，根據(jù)需要對(duì)不同信號(hào)源進(jìn)行一鍵切換。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

小間距LED顯示屏在小保當(dāng)智慧煤礦調(diào)度指揮中心顯示屏建設(shè)中具有多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將智慧礦山調(diào)度指揮信息的顯示質(zhì)量提升到了新的高度。

2.3.1 安裝空間

小間距LED顯示屏的每個(gè)箱體尺寸為610mm(寬)×343mm(高)，遠(yuǎn)小于46寸LCD或DLP單體屏，在空間布置上更加靈活，有利于在墻面受限的環(huán)境下布置盡可能大的顯示屏幕，減少空間浪費(fèi)。

2.3.2 無(wú)縫拼接

拼接類大屏幕的物理拼縫決定了整個(gè)大屏幕畫面的分割程度，其直接影響畫面的展現(xiàn)效果，因而物理拼縫也就成為了考核大屏幕顯示系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。LCD和DLP都無(wú)法避免拼接縫隙，而小間距LED 顯示屏在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)縫拼接，特別適合煤礦調(diào)度各種流程、圖表、視頻等的實(shí)時(shí)顯示。拼接效果如圖3所示。

2.3.3 高效節(jié)能

小間距LED顯示屏采用自發(fā)光LED燈珠，采用獨(dú)特的高效發(fā)光芯片和節(jié)能驅(qū)動(dòng)IC結(jié)合的雙效節(jié)能技術(shù)，并利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)用電技術(shù)消除了峰值用電能耗，降低了連續(xù)使用時(shí)的用電能耗。

圖3 拼接效果

2.3.4 響應(yīng)速度

小間距LED顯示屏具有納秒級(jí)的響應(yīng)速度，與傳統(tǒng)的LCD液晶顯示屏和DLP背投顯示屏相比具有極大的優(yōu)勢(shì)，完美地解決了LCD液晶顯示屏和DLP背投顯示屏在處理快速動(dòng)態(tài)畫面時(shí)會(huì)出現(xiàn)拖尾、重影現(xiàn)象的問(wèn)題。

2.3.5 對(duì)比度及亮度

對(duì)比度是圖像的非常關(guān)鍵的指標(biāo)。根據(jù)屏體安裝施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求，屏幕圖像對(duì)比度至少要保證大于3000∶1，才能獲得較為滿意的視覺效果。小間距LED顯示屏采用高品質(zhì)LED燈和屏幕表面不反光處理技術(shù)，增強(qiáng)屏幕對(duì)比度，使顯示屏的對(duì)比度提升到了5000∶1，在對(duì)比度參數(shù)上取得了質(zhì)的飛躍，保證了畫面的色彩表現(xiàn)能力。

為了達(dá)到正確的色彩調(diào)配，顯示屏有必要根據(jù)工作環(huán)境的亮度來(lái)調(diào)整自身亮度，使圖像在強(qiáng)環(huán)境光下明亮清晰，在暗環(huán)境光下絢麗柔和。小間距LED顯示屏具有低亮高灰且亮度智能化調(diào)節(jié)功能，同時(shí)可在系統(tǒng)中配置多個(gè)級(jí)別的亮度調(diào)節(jié)功能，將顯示屏亮度從0CD/m2至800CD/m2進(jìn)行平均細(xì)分，可以根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)調(diào)整屏幕亮度值。

2.3.6 視角范圍廣

屏幕視角越大，位于屏幕左右兩側(cè)及上下方向收看到的屏幕圖像越清晰，亮度越均勻。小間距LED屏幕在各向視角均達(dá)到170°，保證了在調(diào)度中心操作工位的任何角度均可觀看顯示屏的最佳效果。

2.3.7 維護(hù)成本低廉

小間距LED顯示屏日常維護(hù)簡(jiǎn)便，成本低，若個(gè)別燈珠損壞，只需要更換相應(yīng)的燈珠；若個(gè)別模組出現(xiàn)故障，更換整塊模組即可。隨著LED燈珠的制造技術(shù)升級(jí)，小間距LED顯示屏的壽命達(dá)到了100000h以上，給后期的使用維護(hù)節(jié)省了大量費(fèi)用。

3 小間距LED顯示屏在小保當(dāng)智慧礦山中的作用

作為小保當(dāng)智慧礦山系統(tǒng)可視化平臺(tái)的窗口，調(diào)度大屏系統(tǒng)接入了井下工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)控監(jiān)測(cè)、人員定位系統(tǒng)、地理信息保障系統(tǒng)等多個(gè)智慧化礦山子系統(tǒng)，精確收集顯示采掘工作面、采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)運(yùn)行、人員定位等信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煤礦全方位、全天候、全過(guò)程安全狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為煤礦管理層進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、隱患治理、安全預(yù)控提供了最直觀的決策依據(jù)。

3.1 綜合調(diào)度顯示

綜合調(diào)度指揮功能是智慧礦山的重要組成，大量的指揮調(diào)度信息均由此產(chǎn)生，如綜采工作面信息、運(yùn)輸集控信息、安全檢測(cè)信息、人員定位信息、水文監(jiān)測(cè)信息、頂板與礦壓檢測(cè)信息、大型機(jī)電設(shè)備故障診斷信息、井下主排水集控信息、鍋爐房集控信息、壓風(fēng)集控信息等，目前小保當(dāng)智慧礦山平臺(tái)所需要顯示的檢測(cè)信息，均能夠在調(diào)度中心大屏上顯示。調(diào)度中心顯示大屏選用小間距LED顯示屏，不僅能保證調(diào)度信息顯示的整體一致性(LCD、DLP拼接屏?xí)a(chǎn)生拼縫)，還能夠保證顯示的效果，提高調(diào)度信息顯示的清晰度、亮度、色彩還原度。

3.2 工業(yè)電視顯示

工業(yè)電視系統(tǒng)的攝像機(jī)部署于小保當(dāng)智慧礦井的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要保障，在事先預(yù)警、事中控制、事后取證等各個(gè)環(huán)節(jié)中發(fā)揮著不可或缺的作用。而生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)視頻播放是通過(guò)顯示屏系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用小間距LED顯示屏進(jìn)行監(jiān)控視頻播放，是監(jiān)控畫面更加清晰、流暢，畫面開窗顯示更靈活可控，便于更合理地利用整套顯示屏系統(tǒng)。

3.3 應(yīng)急調(diào)度指揮顯示

應(yīng)急調(diào)度是為了處理突發(fā)事件而預(yù)先設(shè)置的預(yù)案，在應(yīng)急調(diào)度應(yīng)用中，小間距LED顯示屏的中控系統(tǒng)可以根據(jù)應(yīng)急調(diào)度指揮的需求，預(yù)設(shè)大量的應(yīng)急調(diào)度顯示預(yù)案，在處理突發(fā)事件時(shí)可實(shí)現(xiàn)一鍵切換顯示畫面，顯示應(yīng)急調(diào)度所需要的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面、工業(yè)控制畫面，助力應(yīng)急指揮小組處理突發(fā)事件。

3.4 其他顯示

小間距LED顯示屏不僅能夠顯示日常工作所需求的大量監(jiān)控視頻、工業(yè)流程圖像，同時(shí)能夠在整個(gè)屏幕上疊加其他文字信息，如歡迎詞、值班表、時(shí)間、天氣、宣傳標(biāo)語(yǔ)等，使大屏顯示系統(tǒng)的適用場(chǎng)景更加靈活廣泛。

4 結(jié) 語(yǔ)

陜煤小保當(dāng)智慧礦井是建立在數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代采礦技術(shù)與感知技術(shù)、控制技術(shù)、管理模式和可持續(xù)理念相融合，實(shí)現(xiàn)智能管控、本質(zhì)安全、高效運(yùn)行的新型煤礦發(fā)展模式。調(diào)度指揮中心小間距LED顯示屏的投入使用，提升了小保當(dāng)?shù)V井智慧化裝備建設(shè)水準(zhǔn)，是目前陜煤集團(tuán)及國(guó)內(nèi)煤礦領(lǐng)域最先進(jìn)的調(diào)度指揮大屏系統(tǒng)。