新景選煤廠智能化視頻系統改造研究

胡 楠

(陽泉煤業（集團）有限責任公司，山西 陽泉 045000)

視頻監控系統作為選煤廠綜合自動化的組成部分，在選煤調度、安全監控等方面起到十分重要的作用。視頻監控系統可以使管理人員準確直觀地掌握各生產環節、關鍵部位和設備的運行及操作情況，可以實現對生產現場監控、記錄與回放，可以實時發現問題并解決問題，有效地促進了選煤廠的安全生產[1]。

1 應用現狀

新景選煤廠初始設計洗選能力為360萬t/a，經多次升級改造，洗選能力已達850萬t/a。采用全重介洗選加工工藝，即塊煤重介淺槽排矸系統+末煤無壓三產品重介旋流器+粗煤泥螺旋分選機+尾煤壓濾和烘干聯合工藝。主要產品有洗中塊、洗小塊、1#、2#、4#噴吹精煤、電煤和煤泥。全廠主要由原煤準備篩分系統、塊煤洗選系統、末煤洗選系統、煤泥水處理系統和產品儲裝運系統組成。

在各生產車間安裝的前端模擬攝像機已使用多年，像素較低且設備老化，模擬信號受傳輸距離的影響，會發生衰耗、畸變、延時等問題，并且信號極易受到干擾，因此視頻圖像色彩模糊、質量較差且圖像抖動[2]。另外，攝像機的視頻圖像經過普通模擬硬盤錄像機編碼存儲后，圖像質量進一步失真，錄像質量難以滿足實際應用需求。盡管在集控室豎起了大屏，但視頻系統的作用并未全部發揮，還停留在傳統的監視和錄像功能上[3]。雖然能夠發現問題，但很難及時作出處理，大多數也僅處于“事后處理”的水平上[4]。

新景選煤廠的視頻監控系統仍然是人工監視為主、視頻為輔的“被動化”監控模式，如何喚醒視頻監控系統的自身“主動性”，打造智能化監控系統，成為新景選煤廠構建全新視頻監控系統需要思考的重要問題。

2 關鍵技術

智能視頻系統或設備能夠對操作人員的違章行為進行預警性的提示和管理，并且進行事后的問題處理。如何真正有效辨識穿越警戒面、人物非正常聚集、對人員所處安全位置的判斷等等，都成為新景選煤廠急需依靠智能視頻監控解決的問題，也是本系統的關鍵技術。

智能視頻監控系統中作為“大腦”的是移動偵測技術（英文翻譯為“Motion detection technology”），一般也叫運動偵測[5]。它對視頻圖像序列自動地進行運動對象的提取、描述、跟蹤、識別和行為分析，借助計算機強大的數據處理功能，對采集的數據進行快速分析，迅速屏蔽掉監控者不關心的信息，給監控者呈現出有效信息。它按照不同幀率采集得到的圖像通過CPU按照一定算法進行計算和比較，當畫面有變化時，如有人走過，鏡頭被移動，計算比較結果得出的數字會超過閾值并指示系統自動作出相應的處理。目前常用的圖像采集方法有背景減除法、時間差分法、光流法[6]。根據使用環境的不同，圖像采集也會遇到一些問題：比如對背景變化的可適應性、目標特征的有效甄別、監控對象的遮擋等問題。特別是在選煤廠的使用環境更容易受到光照、噪音、天氣及被障礙物遮擋等情況，而影響到系統的使用效果。因此構建系統的關鍵是找到最能適應選煤廠實際的圖像采集方式和計算方法。

根據選煤廠的生產環境，車間內已經安裝部分攝像機，因此拍照過程中最主要的因素是光線的改變。另外，工人在工作過程中的速度并不快，且不經常發生運動（移動），并綜合考慮到車間的光線變化，以及機器振動（共振），最終選用背景減除法進行圖像檢測，并采用混合高斯模型進行背景建模及更新。首先，背景減除法檢測物體簡單，速度快，對噪聲敏感度低，可克服幀間差分法的空洞現象，可以滿足選煤廠實時檢測的需求。同時為了克服背景減除法對背景變化過為敏感的問題，結合了基于混合高斯模型的算法，方便快捷，適用性高。這也為新景礦智能視頻監控系統提供了可靠的算法保證，提供了智能的“大腦”[7]，視頻綜合監控網絡圖如圖1所示。

3 系統構建

3.1 硬件系統

新景礦屬于高瓦斯礦井，選煤廠很多區域按照瓦斯區管理，選用的攝像頭防護等級為IICT6，符合國家爆炸性氣體環境用防爆電氣設備通用要求[8]。本次共新增65臺紅外筒型網絡攝像機、50臺半球型網絡攝像機、15臺防爆網絡攝像機、20臺紅外網絡高清中速智能球機，共計150臺。系統選用的攝像機最高像素達到130萬，并可以節省大量的帶寬及存儲空間，它可以在煤塵較大、光線較暗、逆光等環境下呈現清晰圖像。

圖1 視頻綜合監控網絡圖

在集控室內安裝了監控管理服務器、流媒體服務器、存儲服務器，可以允許50人同時流暢地瀏覽各監控圖像。集控室原來的DLP大屏全部更換成LED光源，同時在末煤和塊煤等重點生產車間設立了控制室，能夠顯示本車間的崗位視頻和設備流程圖。中央集控室可以顯示全廠所有監控圖像，并能對所有圖像進行控制操作，末煤和塊煤車間只保留瀏覽功能。

視頻綜合平臺支持視頻圖像信息的解碼輸出，通過視頻綜合平臺可實現原有視頻監控系統和新建視頻監控系統圖像信息的解碼輸出和前端設備云臺控制,軟件平臺通過視頻設備接入模塊對非統一標準的視頻碼流進行轉換并顯示圖像到軟件客戶端上[9]。

3.2 視頻監控軟件設計

新景選煤廠智能視頻監控平臺采用模塊化構建方式，通過良好的分層結構，統一的接口服務，可以有效地降低系統構建的復雜度。平臺系統根據分層的設計理念把系統分成以下幾個層次：基礎平臺、平臺服務、業務邏輯子系統、應用子系統。

基礎平臺對操作系統、數據庫、安全加密、多媒體協議的封裝，屏蔽差異，實現上層應用的平臺無關性，提高開發效率和系統兼容性。

平臺服務層提供了中心管理、認證授權、流媒體、存儲管理、報警管理、電視墻代理、云臺代理、網管服務、接入管理、智能分析、Web服務器等通用服務外，還提供了電信級系統必須具備的負載均衡、雙機熱備、全網校時、系統級聯等服務。

4 應用效果分析

新景選煤廠通過智能視頻監控平臺，在完成基本視頻監控的同時，還可以對監控點實現自動巡視功能；支持預覽按幀抓拍及連續抓拍；可在本地查看抓拍的圖片，并在抓拍的圖片上添加備注信息以便做好標記；可以對前端的攝像機鏡頭進行放大、縮小、聚焦，支持轉動速度控制，光圈放大縮小，燈光、雨刷自動掃描，鏡頭的變倍變焦。

監控人員事先對生產系統發生的問題進行報警分級設置，包括視頻系統本身問題的報警和檢測對象的報警。當發生報警后，系統自動啟動包括視頻圖像、聲光顯示、信息疊加，語音對講在內的客戶端聯動，迅速通過EMAIL通知、短信發送、電子地圖、通道抓圖等方式完成輸出聯動，同時支持手動插入備注信息，所有報警信息及確認信息均自動保存，并以報表形式導出，監控人員還可以在電子地圖上查看報警錄像，報警點的相關信息也會實時顯示出來，實現了從被動監控到主動預防的轉變，降低了監控人員的工作負荷，提高了工作效率。據統計，對于人員越界的檢測準確率達90%以上，智能視頻監控系統主界面如圖2所示。

5 結語

本文主要針對新景選煤廠原有視頻監控系統的不足，進行了智能化升級。在硬件上拓展了原系統的存儲空間，提高了攝像頭的拍攝速度和拍攝精度，監控畫面的存儲質量也大為提升。特別是針對選煤廠的安全管理問題，基于背景減除法和混合高斯模型的視覺智能算法，結合選煤廠實際，對監控視頻進行運動目標檢測與分割，以確定是否處于安全區域，有效地提升了選煤廠的本質安全水平。智能監控視頻的應用也為選煤廠向無人化、智能化、高效化發展奠定了視頻保障基礎。

圖2 智能視頻監控系統主界面