楊傳印

（山東煤炭工業(yè)信息計(jì)算中心，山東 濟(jì)南 250031）

習(xí)近平總書記在主持中共中央政治局第三十四次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)：“要推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合發(fā)展，把握數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向，要改進(jìn)提高監(jiān)管技術(shù)和手段，把監(jiān)管和治理貫穿創(chuàng)新、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、投資全過(guò)程?！?017 年7 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出人工智能作為新一輪產(chǎn)業(yè)變革的核心驅(qū)動(dòng)力，將進(jìn)一步釋放歷次科技革命和產(chǎn)業(yè)變革積蓄的巨大能量，并創(chuàng)造新的強(qiáng)大引擎，催生新技術(shù)、新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)、新模式，引發(fā)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)重大變革。2021 年6月，國(guó)家能源局、國(guó)家礦山安全監(jiān)察局發(fā)布的《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》明確指出將人工智能、大數(shù)據(jù)、智能裝備等與現(xiàn)代煤炭開發(fā)技術(shù)進(jìn)行深入融合，形成全面感知、實(shí)時(shí)互聯(lián)、分析決策、自主學(xué)習(xí)、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)、協(xié)同控制的智能系統(tǒng)，加速實(shí)現(xiàn)煤礦開拓、采掘（采剝）、運(yùn)輸、通風(fēng)、洗選、安全保障、經(jīng)營(yíng)管理等全過(guò)程的智能化運(yùn)行。

國(guó)家目前已陸續(xù)部署了智能制造等國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃與重點(diǎn)專項(xiàng)，印發(fā)實(shí)施了“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案，從科技研發(fā)、應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面提出了一系列措施。經(jīng)過(guò)多年的持續(xù)積累，我國(guó)在人工智能領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，部分領(lǐng)域核心關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)重要突破。自適應(yīng)自主學(xué)習(xí)、直覺感知、綜合推理、混合智能和群體智能等逐步進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，人工智能創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)日益活躍，一批龍頭骨干企業(yè)加速成長(zhǎng)。

隨著國(guó)家對(duì)礦山特別是煤礦安全生產(chǎn)的日益重視，礦山企業(yè)對(duì)煤礦無(wú)人智能化成套技術(shù)與裝備的需求保持快速增長(zhǎng)勢(shì)頭。智能煤礦是人工智能的一個(gè)垂直應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)智能化技術(shù)與煤炭產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展、提升煤礦智能化水平是智能煤礦建設(shè)必須遵循的指導(dǎo)思想。為此，通過(guò)加強(qiáng)煤礦視頻AI（Artificial Intelligence，人工智能）技術(shù)及裝備等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃與布局，研發(fā)低延時(shí)、高精度、廣覆蓋的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)及重大危險(xiǎn)源智能預(yù)警防控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人、設(shè)備與環(huán)境的實(shí)時(shí)聯(lián)通、精確識(shí)別、有效交互與智能控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人或者少人作業(yè)。充分發(fā)揮視頻AI分析技術(shù)在重大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山關(guān)鍵地點(diǎn)、重點(diǎn)部位的重大風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)識(shí)別、監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)研判，利用信息化、智能化手段防范化解重大安全風(fēng)險(xiǎn)，已成為大勢(shì)所趨、勢(shì)在必行。

1 煤礦視頻AI識(shí)別系統(tǒng)建設(shè)原則

1.1 安全性原則

煤礦視頻AI識(shí)別應(yīng)用建設(shè)應(yīng)滿足《煤礦安全規(guī)程》（2020年版）、《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源〔2020〕283號(hào)）、《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年版）》（國(guó)能發(fā)煤炭規(guī)〔2021〕29 號(hào)）和《智能化煤礦（井工）分類、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)》（T/CCS001-2020）等文件要求。

1.2 可靠性原則

煤礦視頻AI識(shí)別裝備應(yīng)能在煤礦井下各類復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，需要滿足采掘工作面、運(yùn)輸巷道、提升、各類硐室等環(huán)境對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性、帶寬、實(shí)時(shí)性、運(yùn)動(dòng)幀速率等方面的要求。針對(duì)人員、設(shè)備與環(huán)境的智能視頻智能識(shí)別率應(yīng)大于90%，圖像本地處理時(shí)延應(yīng)≤200 ms。

1.3 實(shí)用性原則

煤礦視頻AI分析裝備應(yīng)與現(xiàn)有的煤礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)以及通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度協(xié)同，充分利用已有煤礦信息化、自動(dòng)化裝備與系統(tǒng)，分析各個(gè)環(huán)節(jié)的智能化需求，有針對(duì)性地開發(fā)AI算法，針對(duì)具體場(chǎng)景制定各類AI智能化應(yīng)用方案。

1.4 一礦一策原則

煤礦視頻AI分析系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合各個(gè)煤礦安全、生產(chǎn)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)具體情況，分類部署、分步實(shí)施，一礦一策、一場(chǎng)景一算法。

2 煤礦視頻AI識(shí)別平臺(tái)架構(gòu)

智能礦山體系涵蓋采、掘、運(yùn)、洗、選等各個(gè)環(huán)節(jié)，采用信息感知、圖像處理、模式識(shí)別、智能控制等技術(shù)手段，收集分析礦山生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理的各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)礦山管理的數(shù)字化、可視化與智能化。在此過(guò)程中，煤礦數(shù)據(jù)從管理角度可分為生產(chǎn)與安全數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)類型上又可分為視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、物聯(lián)數(shù)據(jù)等，其中利用視頻AI技術(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、識(shí)別和分析處理對(duì)煤礦生產(chǎn)和安全的各個(gè)環(huán)節(jié)都有巨大的價(jià)值與意義。

2.1 典型平臺(tái)組成

煤礦視頻AI識(shí)別平臺(tái)主要由前端視頻AI識(shí)別分析系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、后端管理系統(tǒng)等組成。

（1）前端視頻智能識(shí)別分析系統(tǒng)。通過(guò)部署礦用本安型圖像AI處理攝像儀、隔爆兼本安型邊緣計(jì)算AI視頻分析裝置，就地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、存儲(chǔ)與上傳。實(shí)時(shí)對(duì)人員、機(jī)器、環(huán)境等監(jiān)控視頻進(jìn)行智能分析與處理，并實(shí)現(xiàn)與煤礦通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)、生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)與協(xié)同，從而提高煤礦安全管理水平和效率。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。包括煤礦光纖工業(yè)環(huán)網(wǎng)+5G/WIFI高速傳輸網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的傳輸與交換，結(jié)合礦山視頻監(jiān)控的實(shí)際需求，傳輸視頻的集團(tuán)級(jí)主干網(wǎng)絡(luò)帶寬應(yīng)在萬(wàn)兆級(jí)，分公司匯聚層網(wǎng)絡(luò)帶寬在千兆級(jí)，礦區(qū)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)帶寬在百兆級(jí)。各級(jí)平臺(tái)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量等級(jí)需達(dá)到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不大于150 ms、丟包率不大于1×10-3的要求。

（3）后端管理系統(tǒng)。由AI視頻分析服務(wù)器、AI視頻管理服務(wù)器、AI視頻分析管理平臺(tái)和事件資源庫(kù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等組成，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的匯聚、清洗、分析、存儲(chǔ)和管理。其中AI視頻分析管理平臺(tái)通過(guò)搭建GPU集群，可對(duì)多路并發(fā)視頻進(jìn)行在線分析與處理。

2.2 平臺(tái)建設(shè)基本要求

（1）前端圖像AI處理攝像儀基本要求。攝像儀應(yīng)具備雙向音頻對(duì)講、本地視頻分析和處理功能，圖像本地處理時(shí)延應(yīng)≤200 ms，應(yīng)至少具有4個(gè)DI和4個(gè)DO干節(jié)點(diǎn)接口，鏡頭應(yīng)具備2.8～12 mm自動(dòng)變焦功能。

（2）隔爆兼本安型邊緣計(jì)算AI視頻分析裝置基本要求。算力不小于8TOPS，圖像本地處理時(shí)延應(yīng)≤200 ms，應(yīng)至少具有4個(gè)DI和4個(gè)DO干節(jié)點(diǎn)接口。

（3）邊緣計(jì)算AI視頻分析裝置基本要求。應(yīng)具有千兆網(wǎng)口接入，具有8路、16路和32路分析能力，應(yīng)具有至少4TB存儲(chǔ)能力。

（4）視頻圖像基本要求。圖像畫面應(yīng)具有H.264和H.265的編解碼能力，圖像分辨率應(yīng)≥1920×1080，低速AI攝像儀視頻幀率應(yīng)≥25 fps，高速AI攝像儀視頻幀率應(yīng)≥150 fps，攝像儀應(yīng)具備自動(dòng)調(diào)焦和對(duì)焦功能。

（5）傳輸網(wǎng)絡(luò)基本要求。應(yīng)支持光纖傳輸，最大傳輸距離應(yīng)不低于20 km，100 M帶寬；應(yīng)支持雙絞線傳輸，最大傳輸距離不低于2 km，10 M帶寬；應(yīng)支持WIFI傳輸，最大傳輸距離不低于500 m，2.4 G制式；網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)支持TCP/IP、RTSP、Websocket、HTTP等協(xié)議。

3 煤礦視頻AI識(shí)別裝備

3.1 煤礦視頻AI識(shí)別裝備現(xiàn)況

煤礦視頻AI識(shí)別裝備是各場(chǎng)景AI算法的載體，實(shí)時(shí)視頻/圖像信息通過(guò)AI視頻智能識(shí)別裝備的分析得到處理結(jié)果。視頻AI識(shí)別裝備主要可分為兩個(gè)類型：

（1）前端識(shí)別分析設(shè)備，包括：圖像AI處理攝像儀（礦用本安型高速AI攝像儀、礦用本安型低速AI攝像儀）、隔爆兼本安型邊緣計(jì)算AI視頻分析裝置。

（2）后端識(shí)別與管理設(shè)備，包括：AI視頻分析服務(wù)器、AI視頻管理服務(wù)器、AI視頻分析管理平臺(tái)服務(wù)器等。圖像AI處理攝像儀將智能分析結(jié)果和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)同步，可相對(duì)減少后端分析成本。AI視頻分析服務(wù)器是一種后端智能識(shí)別方式，普通攝像儀采集視頻信號(hào)，由后臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過(guò)AI視頻分析服務(wù)器進(jìn)行分析，將分析結(jié)果返送至存儲(chǔ)設(shè)備中。對(duì)于已經(jīng)安裝過(guò)普通攝像儀且滿足成像要求的基礎(chǔ)上，可充分利用現(xiàn)有的普通圖像采集終端，通過(guò)后端AI視頻分析服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)位的實(shí)時(shí)智能分析，且服務(wù)器可放置于煤礦地面數(shù)據(jù)中心進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理和顯示。

目前從事AI人工智能技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的企業(yè)多數(shù)以采用服務(wù)器中心分析為主，此種分析需要將視頻傳輸?shù)椒?wù)器端再進(jìn)行分析得出結(jié)果，雖然可依靠集成大規(guī)模GPU芯片實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的監(jiān)控視頻分析，但是對(duì)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了很高的要求，一旦帶寬受限，則分析的實(shí)時(shí)性、反饋的及時(shí)性都會(huì)下降。另一方面，通過(guò)后端服務(wù)器分析的方式在數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、分析、識(shí)別后的結(jié)果再發(fā)送到相應(yīng)的子系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制會(huì)產(chǎn)生一定的響應(yīng)延遲，對(duì)于一些要求實(shí)時(shí)響應(yīng)的安全隱患則難以適用。因此，煤礦視頻AI識(shí)別技術(shù)應(yīng)用應(yīng)優(yōu)先選用礦用本安型AI攝像儀或隔爆兼本安型邊緣計(jì)算AI視頻分析裝置，就地實(shí)現(xiàn)視頻分析和處理。

3.2 煤礦視頻AI識(shí)別裝備功能要求

3.2.1 圖像AI處理攝像儀

基于AI人工智能技術(shù)和邊緣計(jì)算的礦用本安型AI攝像儀，自帶智能分析模塊，可實(shí)時(shí)對(duì)各種安全隱患進(jìn)行分析和識(shí)別。

功能要求：

（1）實(shí)時(shí)分析?；贏I人工智能技術(shù)和邊緣計(jì)算的AI攝像儀，自帶智能分析模塊，可自動(dòng)實(shí)時(shí)對(duì)各種安全隱患進(jìn)行分析和識(shí)別。

（2）離線分析。AI攝像儀能夠在斷網(wǎng)的情況下仍能進(jìn)行離線自動(dòng)分析和識(shí)別，在網(wǎng)絡(luò)通暢后將報(bào)警記錄自動(dòng)上傳至后端服務(wù)器管理平臺(tái)進(jìn)行存檔。

（3）遠(yuǎn)程模型下發(fā)和更新。AI攝像儀內(nèi)加載的人工智能算法可以通過(guò)遠(yuǎn)程在線模型下發(fā)和更新的方式進(jìn)行加載和更新，便于維護(hù)和升級(jí)。

（4）快速聯(lián)動(dòng)響應(yīng)。前端的智能AI攝像儀支持MODBUS-TCP等聯(lián)動(dòng)協(xié)議輸出，根據(jù)自動(dòng)檢測(cè)到的隱患報(bào)警信息發(fā)出聯(lián)動(dòng)控制響應(yīng)輸出信號(hào)，用于控制相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行快速聯(lián)動(dòng)響應(yīng)或者語(yǔ)音告警。

（5）兼容擴(kuò)展?？芍苯蛹苫蛘呓尤雵?guó)內(nèi)主流智能管控平臺(tái)進(jìn)行結(jié)果展示。

（6）音頻交互通信。AI攝像儀除具備視頻采集和分析功能外，內(nèi)置拾音器和揚(yáng)聲器模塊具備音頻交互功能，能夠?qū)崿F(xiàn)前端與后端管理中心的音視頻信息交互。

（7）礦用本安型高速AI攝像儀：具有皮帶煤量識(shí)別與調(diào)速、皮帶異物（大塊、錨桿、水煤）識(shí)別、皮帶縱撕、皮帶表面損傷檢測(cè)、刮板運(yùn)輸機(jī)斷鏈拉斜檢測(cè)、提升機(jī)鋼絲繩首尾繩外觀缺陷（斷絲、磨損、跳絲、腐蝕、散股、纏繞、脫落等）檢測(cè)、無(wú)軌膠輪車超速及闖紅燈等高速變化目標(biāo)信息的采集、分析、識(shí)別和報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能。

（8）礦用本安型低速AI攝像儀：具備人員檢測(cè)、電子圍欄、安全帽安全繩等個(gè)人防護(hù)裝備檢測(cè)、單軌吊識(shí)別、人數(shù)統(tǒng)計(jì)、人員脫崗檢測(cè)、固定硐室人員巡檢分析、皮帶跑偏、激光測(cè)距、人員掛安全繩檢測(cè)、護(hù)幫支護(hù)檢測(cè)等中低速變化目標(biāo)信息的采集、分析、識(shí)別和報(bào)警聯(lián)動(dòng)功能。

3.2.2 隔爆兼本安型邊緣計(jì)算

AI視頻分析裝置部署在井下攝像儀附近，集成高性能NPU模塊，集IPC接入、存儲(chǔ)、管理、控制于一體，可遠(yuǎn)程加載深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)自定義智能分析，可本地獨(dú)立工作，也可聯(lián)網(wǎng)組成安全隱患分析及預(yù)警系統(tǒng)。

3.2.3 AI視頻分析服務(wù)器

部署在地面數(shù)據(jù)中心機(jī)房，集成高性能NPU模塊，集IPC接入、存儲(chǔ)、管理、控制于一體，可遠(yuǎn)程加載深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)自定義智能分析，可本地獨(dú)立工作，也可聯(lián)網(wǎng)組成安全隱患分析及預(yù)警系統(tǒng)。

3.2.4 AI視頻管理服務(wù)器

用于圖像AI處理攝像儀、隔爆兼本安型邊緣計(jì)算AI視頻分析裝置、AI視頻分析服務(wù)器等AI設(shè)備接入，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)警信息推送、報(bào)警錄像存儲(chǔ)及回放，支持?jǐn)z像儀媒體流轉(zhuǎn) 發(fā)， 支 持TCP/IP，ICMP，HTTP，HTTPS，F(xiàn)TP，DHCP，DNS，DDNS，RTP，RTSP，NTP，802.1X，RTCP，UPnP，SMTP，SNMP，IGMP，QoS，IPv6，UDP 等協(xié)議。

3.2.5 煤礦視頻AI識(shí)別人工智能算法平臺(tái)

煤礦AI人工智能算法平臺(tái)是集成數(shù)據(jù)標(biāo)注、算法訓(xùn)練、應(yīng)用部署一體的系統(tǒng)，能夠訓(xùn)練各類隱患智能識(shí)別算法模型，并將模型快速部署到專用智能設(shè)備等邊緣設(shè)備。

3.2.6 AI視頻分析管理平臺(tái)

具有分級(jí)權(quán)限管理，支持跨平臺(tái)數(shù)據(jù)訪問(wèn)，提供客戶端、Web及移動(dòng)App多種模式。具備數(shù)據(jù)接口，可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有的視頻管理平臺(tái)、信息化平臺(tái)、自動(dòng)化平臺(tái)等多平臺(tái)的信息融合，實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通。具備聯(lián)動(dòng)控制功能，可以發(fā)出聯(lián)動(dòng)控制命令給自動(dòng)化系統(tǒng)控制設(shè)備停車平臺(tái)能夠?qū)I算法動(dòng)態(tài)植入AI攝像儀和智能NVR，利用新一代人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻、圖片的智能分析。一旦監(jiān)控點(diǎn)位存在隱患，平臺(tái)可接收到隱患分析的結(jié)果并及時(shí)上報(bào)，以解決煤礦生產(chǎn)企業(yè)靠監(jiān)管人員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患、追責(zé)無(wú)證據(jù)等問(wèn)題。