視頻監(jiān)控系統(tǒng)在佛子沖礦的建設(shè)與應(yīng)用

羅俊，蒙少明，趙利坤，程貴海

（1.廣西大學(xué)，南寧530004；2.武漢理工大學(xué)，武漢430070）

佛子沖鉛鋅礦至今已擁有40多年開采歷史，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在其井下形成了比較復(fù)雜的巷道開拓系統(tǒng)。據(jù)2009年廣西區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院提供的勘察數(shù)據(jù)資料顯示，自2006年以來，該礦平均年產(chǎn)量為32.2萬t，2009年新探明礦產(chǎn)資源量為758.83萬t，新探明的資源量預(yù)計(jì)可延長礦山服務(wù)年限15年［1］。基于礦山服務(wù)年限延長，為了加大對(duì)所屬礦山的安全管理力度，實(shí)現(xiàn)礦山的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控已成為一種必然趨勢(shì)。本文主要從視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、復(fù)雜礦井條件下系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的選型使用等方面進(jìn)行了介紹和探討。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設(shè)備（攝像機(jī)）、視頻光端收／接發(fā)機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)（鎧裝光纜）、視頻分配器、矩陣切換器、硬盤錄像機(jī)（存儲(chǔ)服務(wù)器）、設(shè)備防雷裝置以及地面主控中心監(jiān)視器等組成（如圖1）。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

前端設(shè)備（攝像機(jī)）采集視頻信號(hào)，編碼器將視頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)并傳輸給光端發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行編碼，將視頻信號(hào)進(jìn)行電—光轉(zhuǎn)變，光信號(hào)基于光纜為傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸，在地面監(jiān)控中心，光端接收機(jī)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行解碼，即進(jìn)行光—電轉(zhuǎn)變。模擬信號(hào)進(jìn)入視頻分配器，視頻分配器將每路模擬信號(hào)均分為兩路：一路直接輸入硬盤錄像機(jī)進(jìn)行錄像備份后，直接輸出到監(jiān)控中心多屏幕顯示監(jiān)視器；一路則輸入矩陣切換器系統(tǒng)中的單片機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，一旦接收到上位機(jī)的各種控制命令，即可輸出到監(jiān)視器放大顯示，解決了監(jiān)控人員對(duì)所需查看監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行視頻切換的問題，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)放大顯示的功能［2－3］。

1.2 系統(tǒng)硬件功能介紹

前端設(shè)備（攝像機(jī)）是一種視頻輸入設(shè)備，主要負(fù)責(zé)對(duì)井下重要區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

視頻光端機(jī)分為光端發(fā)射機(jī)及光端接收機(jī)［4］。發(fā)射機(jī)主要用于系統(tǒng)前端，負(fù)責(zé)編碼及傳輸視頻信號(hào)。接收機(jī)主要用于系統(tǒng)終端，負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的接收及解碼，即完成光—電信號(hào)轉(zhuǎn)變，還原出模擬信號(hào)。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接圖Fig.1 Diagram of video monitoring hardware

視頻分配器［5］可以實(shí)現(xiàn)一路視頻輸入、多路視頻輸出的功能，使之可在無清晰度損失或無扭曲情況下觀察視頻輸出。通常視頻分配器除了提供多路獨(dú)立視頻輸出外，兼具視頻信號(hào)放大功能，故也稱為視頻分配放大器。視頻分配器以獨(dú)立和隔離的互補(bǔ)晶體管或由獨(dú)立的視頻放大器集成電路提供4～6路獨(dú)立的75歐負(fù)載能力，包括具備兼容性和一個(gè)較寬的頻率響應(yīng)范圍，視頻輸入和輸出均為BNC端子。

矩陣切換器是一類切換多路信號(hào)的輸出設(shè)備，該系列產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于大屏幕投影顯示工程等。矩陣切換器的功能是在多路信號(hào)輸入的情況下，可獨(dú)立地根據(jù)需要選擇多路（包括單路）信號(hào)進(jìn)行輸出，完成信號(hào)的選擇。

硬盤錄像機(jī)（DVR）（監(jiān)控存儲(chǔ)服務(wù)器）［6］是一套進(jìn)行圖像存儲(chǔ)處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，具有對(duì)語音／圖像進(jìn)行長時(shí)間錄音、錄像、遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的功能。

2 終端系統(tǒng)軟件功能模塊

2.1 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊

遠(yuǎn)程辦公端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括以下功能模塊：預(yù)覽、回放、地圖、日志、配置等。其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控軟件功能模塊Fig.2 Function blocks of video monitoring software

系統(tǒng)軟件主要安裝在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山的遠(yuǎn)程監(jiān)控。基于系統(tǒng)完善的模塊功能，遠(yuǎn)程客戶端可對(duì)任意的視頻資料進(jìn)行截圖、錄像、回放、儲(chǔ)存等系列操作處理。缺點(diǎn)是：高清彩照?qǐng)D像畫面的遠(yuǎn)程傳輸需要占用較大的帶寬；一般客戶機(jī)的存儲(chǔ)空間比較小，難以滿足長時(shí)間大容量的錄像資料儲(chǔ)存。

2.2 數(shù)字化硬盤錄像機(jī)功能

本系統(tǒng)所采用的硬盤錄像機(jī)（DVR）具有圖像任意分割和組合顯示、視頻切換、圖像錄像、視頻儲(chǔ)存、錄像回放、錄像截取導(dǎo)出、云臺(tái)鏡頭控制、報(bào)警聯(lián)動(dòng)控制和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸控制等功能［7］。有自己的網(wǎng)絡(luò)及USB接口等，只要使用普通的鼠標(biāo)輸入設(shè)備，勿需登陸計(jì)算機(jī)，即可完成所有的功能操作。比較適合于本地監(jiān)控。當(dāng)然也存在自身的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)為在進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，傳輸圖像質(zhì)量不高；如果進(jìn)行24小時(shí)循環(huán)錄像，則使用壽命比較短；對(duì)PC機(jī)的配置要求比較高、維護(hù)不便等。

3 系統(tǒng)建設(shè)及應(yīng)用

3.1 地面主控中心的建設(shè)及應(yīng)用

在佛子沖礦地面主控中心，安裝電視墻并容納4臺(tái)55英寸的液晶監(jiān)視器，最多可容納接入64個(gè)監(jiān)控點(diǎn)。其中的3臺(tái)監(jiān)視器各顯示16路視頻畫面，第四臺(tái)監(jiān)視器則用來單屏循環(huán)放大顯示48路視頻圖像。擁有3臺(tái)（DVR）硬盤錄像機(jī)，每臺(tái)可容納16路視頻／音頻信號(hào)的輸入。擁有用戶使用權(quán)限的管理人員經(jīng)過系統(tǒng)身份認(rèn)證后即可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)權(quán)限范圍內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置及修改，實(shí)現(xiàn)錄像快速查詢及回放功能，且可以方便地對(duì)回放錄像進(jìn)行快進(jìn)／快退播放，錄像回放的同時(shí)不影響錄像機(jī)的錄制存儲(chǔ)進(jìn)程；擁有直接面對(duì)用戶的USB接口等，用戶只需將U盤等存儲(chǔ)設(shè)備與其接口對(duì)接，即可截取導(dǎo)出所需的事故錄像等重要資料。矩陣切換器具有手動(dòng)切換、自動(dòng)順序切換、報(bào)警切換及分組同步切換等功能。當(dāng)操作者按下任意的數(shù)碼鍵盤時(shí)，系統(tǒng)即可轉(zhuǎn)入手動(dòng)狀態(tài)，可根據(jù)操作者的需要直接切取所需放大觀看的畫面，當(dāng)按下自動(dòng)鍵（AUTO）時(shí)，矩陣切換器系統(tǒng)即轉(zhuǎn)入自動(dòng)循環(huán)切換視頻信號(hào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)48路視頻信號(hào)圖像的依次循環(huán)顯示，直到進(jìn)入手動(dòng)狀態(tài)［5］。基于佛子沖礦井下呈多階段開拓布置，在每一階段都有多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，為了突出顯示某階段的視頻錄像，通過矩陣分組同步切換功能即可實(shí)現(xiàn)。借助本系統(tǒng)的光纜傳輸介質(zhì)網(wǎng)路、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)了井下辦公點(diǎn)訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能，達(dá)到了地面及地下共同實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。

3.2 地面、地下分控點(diǎn)建設(shè)應(yīng)用

根據(jù)需要，分控點(diǎn)可設(shè)在行政辦公區(qū)的礦長辦公室、生產(chǎn)副礦長辦公室、總工程師辦公室、保衛(wèi)處，所屬公司總部等，可通過鋪設(shè)光纜或租用電信部門現(xiàn)有線路（通過互聯(lián)網(wǎng)觀看）等進(jìn)行聯(lián)接，用辦公電腦可對(duì)監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀看監(jiān)控。

目前，佛子沖礦在地面及井下都設(shè)有值班室，井下值班室是井下發(fā)生事故時(shí)的第一應(yīng)急處理指揮中心，所以井下值班人員對(duì)井下的實(shí)時(shí)監(jiān)控也尤為重要。井下監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于建立起的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)將因特網(wǎng)、地面主控中心服務(wù)器及井下值班室有機(jī)地聯(lián)接。具體方法：采用一對(duì)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及一對(duì)光收發(fā)器，把存儲(chǔ)服務(wù)器連接到監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，借助光纜等傳輸介質(zhì)，在井下值班中心計(jì)算機(jī)組上安裝網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控軟件，通過對(duì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)IP地址進(jìn)行設(shè)置后，即可訪問地面監(jiān)控中心存儲(chǔ)服務(wù)器，完成井下分控點(diǎn)的建設(shè)并能付諸應(yīng)用；同時(shí)借助網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)井下值班中心訪問互聯(lián)網(wǎng)的功能（如圖3所示），大大提高井下值班人員對(duì)井下的管理水平和辦公效率。

圖3 主控中心與分控中心網(wǎng)路連接圖Fig.3 Diagram of main monitoring centers and secondary monitoring centers

3.3 系統(tǒng)集成

在監(jiān)控系統(tǒng)的光纖網(wǎng)絡(luò)建成后，可以將原有的斜井監(jiān)控一起并入新建的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)行統(tǒng)一管理。還可以與井下人員定位、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)（廣播對(duì)講及電話系統(tǒng)）、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)集成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享使用。隨著礦山各類系統(tǒng)的建成使用，多系統(tǒng)的集成研究應(yīng)用將是未來礦山發(fā)展的必然趨勢(shì)，意義重大。

4 系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題及解決方法

監(jiān)控系統(tǒng)在礦山建成運(yùn)行后，大大加快了礦山信息化管理建設(shè)的步伐。同時(shí)在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了以下一系列問題：

1）前端設(shè)備采集得到的部分視頻信號(hào)傳輸至監(jiān)控中心監(jiān)視器顯示時(shí)，雪花噪點(diǎn)較為明顯（主因2個(gè)：在傳輸過程中受強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾嚴(yán)重；視頻線傳輸線路過于冗長，模擬信號(hào)損耗嚴(yán)重）。

2）監(jiān)視器畫面上出現(xiàn)白杠并緩慢上下移動(dòng)（主因3個(gè)：光端機(jī)光功率不達(dá)標(biāo)；光端機(jī)電源不達(dá)標(biāo)；前終端設(shè)備接地不當(dāng)發(fā)生的電位差）。

3）監(jiān)控端無視頻顯示（主因2個(gè)：跳線節(jié)點(diǎn)過多，超過8個(gè)；節(jié)點(diǎn)處信號(hào)損耗嚴(yán)重，或視頻信號(hào)線與其屏蔽線串通聯(lián)接發(fā)生短路）。

4）監(jiān)視器上出現(xiàn)斜紋干擾、跳動(dòng)干擾、圖像嚴(yán)重扭曲、無法分辨（主因2個(gè)：視頻屏蔽線質(zhì)量太差，傳輸信號(hào)受周圍電磁干擾嚴(yán)重；光端機(jī)光功率不達(dá)標(biāo)）［8］。

5）光端機(jī)發(fā)生間歇性病癥（除了本身質(zhì)量問題外，受環(huán)境因素影響也比較大）。

基于這些已找出的主因以及其他可能會(huì)影響視頻質(zhì)量的隱形因素，在進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)安裝建設(shè)時(shí)需采取一定的防護(hù)措施：1）井下鋪設(shè)視頻線不宜過長（不超過600m）且盡量遠(yuǎn)離易產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)的高壓線路等；2）光纜彎曲半徑不宜過小（不宜小于15 cm）；3）光纖跳線節(jié)點(diǎn)不宜過多（不超過7個(gè)點(diǎn)）；4）視頻線的拼接節(jié)點(diǎn)盡量少，且應(yīng)采取焊錫熔接技術(shù)進(jìn)行處理，保證良好永久的接觸；5）需嚴(yán)格控制熔纖允許誤差值（誤差不超過0.02db），針對(duì)光端機(jī)受環(huán)境影響而發(fā)生間歇性故障問題，在機(jī)柜中通過安裝一定功率的燈泡進(jìn)行不間斷烘烤等措施，即需做好防潮、防塵等措施；6）設(shè)備防雷接地電阻不宜過大（不超過4歐姆）并要注意接地方式；7）除此之外，設(shè)備購置選型時(shí)質(zhì)量檢驗(yàn)認(rèn)證也很重要。

5 總結(jié)與展望

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在礦山建設(shè)并投入運(yùn)行使用以來，取得了非常好的效益，主要表現(xiàn)在：

1）通過在運(yùn)輸岔道口處及運(yùn)輸主干道部署多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，大大方便了生產(chǎn)調(diào)度室對(duì)井下運(yùn)輸車動(dòng)向的實(shí)時(shí)掌握，較好地杜絕了以前因調(diào)度失誤而經(jīng)常導(dǎo)致的井下撞車事故。針對(duì)極少數(shù)司機(jī)不遵守規(guī)則導(dǎo)致的撞車事故，監(jiān)控系統(tǒng)能完全地進(jìn)行錄制并保存，為事故的查證等起到了非常好的輔助作用。

2）以監(jiān)控傳輸網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了如井下值班室等多個(gè)點(diǎn)訪問因特網(wǎng)的功能，目前下井人員可以在井下多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)上辦公，大大方便了井下與地面之間的網(wǎng)絡(luò)通訊聯(lián)系，井下辦公效率明顯提高。

3）通過租借電信網(wǎng)絡(luò)，所屬公司總部完全可以對(duì)礦山總體情況進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大提高了礦山領(lǐng)導(dǎo)對(duì)礦山的遠(yuǎn)程指揮控制能力。

4）加大了對(duì)水倉、空壓機(jī)房，配電室等重要場(chǎng)所的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保了重要設(shè)備免遭人為破壞。尤其是該礦山后續(xù)將計(jì)劃以監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制設(shè)備開停系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)及人員定位系統(tǒng)等，將使監(jiān)控系統(tǒng)的功能作用得到大大地挖掘利用。如通過監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下水倉水位進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控的結(jié)果，通過遠(yuǎn)程控制設(shè)備開停系統(tǒng)可對(duì)水泵電機(jī)等重要電器設(shè)備進(jìn)行開停控制，通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直接檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，最終代替目前仍然用多個(gè)工人輪流全天24小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)看守控制的原始方法。廣播系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的綜合應(yīng)用將提高對(duì)井下系列違規(guī)操作的監(jiān)控，并能及時(shí)通過廣播喊話制止事態(tài)的進(jìn)一步發(fā)展。借助監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建立的廣播系統(tǒng)，可以播放音樂、安全知識(shí)、新聞廣播等，可大大豐富井下工作人員枯燥的工作生活。

總之，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在佛子沖礦山建成運(yùn)行以后，各類安全事故、偷盜現(xiàn)象銳減，井下辦公效率大大提高，實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)公司對(duì)礦山的遠(yuǎn)程監(jiān)控指揮。本文還對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備及軟件模塊功能進(jìn)行了介紹；在礦山復(fù)雜環(huán)境條件下如何進(jìn)行設(shè)備選型和維護(hù)進(jìn)行了探討；對(duì)系統(tǒng)建成運(yùn)行后所遇到的問題進(jìn)行了匯總和解決。為同類項(xiàng)目工程提供一個(gè)參考。

［1］ 陳國章，莫達(dá)飛.廣西佛子沖鉛鋅礦延壽15年，礦山外圍新增資源量達(dá)大型礦床規(guī)模［N／OL］.［2009－12－22］ http：／／www.gxdlr.gov.cn／Newscentre／NewsShow.aspx？NewsId＝5620.

［2］ 羅世偉.視頻監(jiān)控系統(tǒng)原理及維護(hù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004：90－124.

［3］ 陳玉生.CCD攝像機(jī)原理［J］.影視技術(shù)，1997（6）：27－31.

［4］ 楊佳.如何采購選用光端機(jī)［J］.安防科技，2003（7）：34－35.

［5］ 楊佳.矩陣切換主機(jī)與工作原理［J］.安防科技，2002（2）：17－19.

［6］ 彭 贊，蔣外文，羅安，等.基于圖像智能識(shí)別技術(shù)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.桂林電子工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（10）：23－26.

［7］ 龔 強(qiáng)，莫國慶.數(shù)字硬盤錄像系統(tǒng)錄像功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（9）：23－27.

［8］ 劉嘉寧，劉 放.視頻信號(hào)干擾的解決辦法［J］.珠江水運(yùn)，2009（8）：51－52.