石海明

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100000）

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

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行開發(fā)[1]，其中后端基于訓(xùn)練好的改進YOLOv5檢測模型進行安全隱患檢測，前端為B/S架構(gòu)的可視化平臺，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)往往要求部署的計算機必須進行客戶端的安裝，而B/S架構(gòu)系統(tǒng)就可以很好地解決C/S架構(gòu)的這個弊端[3]。因為B/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)進行實時操控與監(jiān)管[4]。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計是實現(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]存儲的系統(tǒng)后端基于改進后YOLOv5[6]算法的目標檢測模塊生成的目標檢測信息和報警信息以及其他實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。例如本系統(tǒng)的實時預(yù)警模塊的報警信息表的字段信息見表1。

表1 報警信息表

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計及實現(xiàn)

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

3.1 二三維場景展示模塊

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)中所蘊含的地理信息，輔助用戶進行決策分析等。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)展集團有限公司委托設(shè)計，因此左上角需要標明公司名稱：甘肅建設(shè)綠色建材產(chǎn)業(yè)發(fā)展集團有限公司。本文設(shè)計的三維可視化礦山安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的可視化平臺命名為智慧礦山可視化安全監(jiān)測分析平臺，位于最上方中間位置，系統(tǒng)名稱下方為進入各個功能模塊的菜單欄單擊按鈕可進入對應(yīng)模塊。功能模塊菜單欄下方為實時數(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、揚塵指數(shù)、車輛數(shù)量以及開采進度，界面中心位置加載圖像為二三維場景展示模塊中的天地圖底圖以及礦區(qū)影像等圖層。二三維場景展示模塊的左上角區(qū)域為安全指標評價模塊，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)因素等多個指標對礦山安全進行評價。其左下角區(qū)域為人員曲線模塊，人員曲線展示一天中每個小時的礦工數(shù)量，其更新頻率為每小時更新一次。其右上角區(qū)域為報警統(tǒng)計模塊，報警統(tǒng)計模塊展示未帶安全帽、未穿反光衣火警等報警類型的占比情況，以圓環(huán)圖的形式進行展示。其右下角區(qū)域為實時數(shù)據(jù)模塊，實時數(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、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?？低晹z像頭產(chǎn)生的實時視頻流是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，盡量減輕電腦運行負擔(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)計需要接入礦山超過100路視頻，最終在系統(tǒng)上實現(xiàn)效果如圖4所示，左側(cè)狀態(tài)欄會顯示視頻編號，監(jiān)控位置，設(shè)備類型以及操作欄的攝像頭按鈕，通過點擊攝像頭按鈕即可進入對應(yīng)監(jiān)控位置的視頻界面進行大屏播放。

圖4 視頻監(jiān)控模塊展示

3.4 實時預(yù)警模塊

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

圖5 實時預(yù)警模塊流程圖

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

圖6 實時預(yù)警模塊展示

3.5 其他模塊

人員監(jiān)管模塊會在礦區(qū)的工作人員所在的實時具體位置顯示人物圖標以及姓名，通過點擊人物圖標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、該工作人員的具體位置以及創(chuàng)建時間，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

地理圍欄模塊會顯示闖入者姓名，闖入的圍欄編號以及闖入時間等信息，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

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

圖9 隱患臺賬模塊展示

4 結(jié)論

本文設(shè)計并開發(fā)了一個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YOLOv5檢測模型進行安全隱患檢測，前端為B/S架構(gòu)的可視化平臺。該系統(tǒng)由監(jiān)控大屏模塊、視頻監(jiān)控模塊、二三維場景展示模塊以及人員監(jiān)管、地理圍欄、隱患臺賬模塊等構(gòu)成，實現(xiàn)了通過瀏覽器便可實時查看礦山各重要場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警情況，并及時發(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)，對礦山的安全生產(chǎn)具有重要意義。