基于工業以太網技術的視頻監控系統在煤礦井下的應用研究

王彩珍

（同煤集團永定莊煤業有限責任公司， 山西 大同 037000）

引言

為了實時掌握井下生產狀況，確保礦井安全生產，視頻監控技術越來越受到眾多礦井的青睞。在重要區域、人員無法觀察區、關鍵設備、主要生產環節等采用工業視頻監控系統連續性監控，可了解其生產和運行情況，并及時跟進，確保安全、穩定生產[1-2]。視頻監控技術不僅可以為調度室提供一線生產圖像資料，還可以為決策層提供直觀的可視化信息。但是，隨著信息技術與數字化技術的快速發展，老式的閉路電視監控、點對點傳輸相互獨立，傳輸信息小且速度慢，無法形成集中管控和系統聯動，傳統的視頻監控技術已不能完全滿足煤礦的生產需求。為了優化傳統視頻監控技術，在其基礎上輔以工業以太網數字視頻監控，工業以太網具有采集一體化、圖像與文字轉換、網絡傳輸頻率高等優勢[3]，工業以太網視頻監控技術形成畫面清晰，后臺處理具有邏輯分析判斷功能，存儲信息量大，是目前信息技術發展的趨勢[4]。因此，論文基于工業以太網技術闡述了煤礦視頻監控系統在井下的應用研究，希望能對礦井視頻監控提供更高、更好的礦井監控質量，提高礦井安全生產。

1 工業以太網視頻監控技術

1.1 監控系統構成

礦井工業以太網視頻監控系統由三大部分組成，分別為前端采集信息系統、信息數據傳輸系統和后臺邏輯分析處理系統。IP 攝像儀、拾音器、紅外報警等設備構成了前端采集信息數據系統，工業以太網、光端機、光纖等通訊設備構成了中間信息數據傳輸系統，計算機、PLC 控制器、設備管理服務器、流媒體服務器、錄像存儲等構成了后臺邏輯分析處理系統，經過后臺分析處理后形成高質量的畫面形成視頻墻供監控人員實時觀察，已確定井下生產環節安全。礦井基于工業以太網監控系統構成及其原理如圖1 所示。

圖1 基于工業以太網監控系統示意圖

1.2 信息采集系統

工業以太網視頻監控技術的前端采集信息系統實現的功能主要是生產現場的圖像、音頻等信息，通過井下轉換機作用將音頻信號轉換成數字信息，集中發送給傳輸環節。現場采集設備主要礦用網絡攝像儀和、防爆本安型拾音器和各類傳感器等，下面分別對攝像儀和拾音器作簡要分析。

1.2.1 攝像儀

煤礦井下條件復雜多樣，環境惡劣，為了更好地拍攝高清質量畫面，視頻監控系統采用礦用本質安全型高清攝像儀。內部核心攝像儀、自動對光、兩光三電轉換電路板、電源、紅外補光、外殼等共同組成了礦用本質安全型高清攝像儀，示意結構詳見下頁圖2。

礦用本質安全型高清攝像儀工作原理：前端鏡頭獲取外部光線，并將光線傳送給內部核心攝像儀，在感光芯片作用下，內部處理器將光信號轉換成圖像信號，即處理器輸出的是模擬視頻，在經過流媒體對圖像的加工處理，形成標準的圖像畫面，進而通過網口輸出該視頻圖像信息。此外，在光電轉換板作用下，電信號在調制處理后形成光信息，光信息通過光纖傳輸。若井下能照度過低，在外紅補光下仍可形成高清的視頻畫面，彌補了環境影響，礦用本安型高清攝像儀良好地適用于礦井復雜的條件。

圖2 礦用本安型攝像儀結構組成

1.2.2 拾音器

工業以太網視頻監控技術前端采集音頻信息運用防爆本安型拾音器，該拾音器具有運放和縮放的功能，結合音頻放大電路能夠實現煤礦井下各個生產環節的聲音捕捉，又特別是大型設備運行聲音，為礦井設備維修人員提供便利，例如一旦捕捉到設備發出異常音況，監控系統立即響應，調度維修人員對故障設備進行維修[5]。拾音器與攝像儀一起工作，可以將音頻信息轉換成數字化，為后臺處理器提供有效信息。利用工業以太網技術在井下的視頻監控原理如圖3 所示。

圖3 工業以太網技術在井下的監控原理

1.3 視頻信息傳輸技術

因監控系統傳輸的視頻容量巨大，若不對其進行處理、壓縮，通訊設備無法確保傳輸視頻的穩定性和實時性。經過對比試驗，采用H.265/HEVC 算法技術對視頻圖像進行編碼和壓縮[6]，相比與MPEG-2算法、H.264/AC 算法效率更高，壓縮效果更好，獲取的視頻圖像質量更高清，較好地解決了井下視頻容量大、圖像數據多、傳輸速度慢等困境，為工業以太網視頻監控技術奠定了基礎。

2 視頻監控系統在井下的應用

2.1 視頻畫面

為了驗證基于工業以太網技術的視頻監控系統運行效果，在煤礦調度室查看了其監控畫面，圖4 為節選的部分監控畫面。從整個監控畫面來看，監控系統能夠實時傳輸井下各個區域的生產狀況畫面，圖像清晰，可靠性高，誤差率較小。監控系統應用投入以來，眾多設備減少了人員看守，不僅減輕了人員勞動強度，還節約看護成本。又特別是工作面、瓦斯易聚集區、水倉等區域，監控系統實時掌握其狀況，降低了安全隱患，有效提高了礦井生產工作效率和管理水平。

圖4 井下視頻畫面

2.2 應用分析

基于工業以太網技術的視頻監控系統具有高的準確率和監控檢測率，為此，假設系統監控的樣本畫面為1（即精度），被正確識別監控下來的視頻從采集、傳輸、后臺處理到視頻墻顯示出來的樣本為正樣本數（檢測率），未被識別樣本為誤差率（包括采集失敗、傳輸失敗、后臺處理質量差、無法顯示等）[7]，以檢測率分類器級聯強分類層數為橫坐標，精度為縱坐標建立坐標系，分析基于工業以太網技術的視頻監控系統的監控質量和效果。圖5 所示為試驗測得數據經過匯總而得到檢驗曲線。

圖5 采樣分析曲線

從試驗曲線來看，隨著采集樣本層數增加，誤差率逐漸降低。樣本層數為0～4 時，誤差率從較高的0.326 8 降到0.015，隨著樣本層數繼續增大，誤差率幾乎與橫坐標持平，表明基于工業以太網技術的視頻監控系統在礦井中的運用效果良好，準確性較高。從檢測率來看，其檢測率基本在精度為1 的線上變化，雖然在樣本層數為8 以后略有降低，因為隨著樣本的增加，數據容量增大，井下視頻在采集、傳輸、處理、顯示過程中會有局部失敗，但是此錯誤率是在設計允許范圍內，進而表明基于工業以太網技術的視頻監控系統可靠性高。通過對基于工業以太網技術述煤礦視頻監控系統應用研究，良好的解決了礦井傳統視頻監控技術存在不足難題，為井下視頻監控提供了更高、更好的視頻質量，提高了礦井安全生產和經濟效益。

3 結論

1）礦井工業以太網視頻監控系統由采集、傳輸、處理三大部分組成，采集設備為IP 攝像儀、拾音器、紅外報警、傳感器等，傳輸介質為工業以太網、光端機、光纖等通訊設備，后臺處理為計算機、PLC 控制器、設備管理服務器、流媒體服務器等。

2）工業以太網技術的視頻監控系統在井下應用表明，系統能夠實時傳輸井下各個區域的生產狀況畫面，圖像清晰、可靠性高、誤差率較小，可節約成本，降低安全隱患，有效提高礦井生產工作效率和管理水平。