綜采工作面攝像儀視角計算及分析軟件的實現*

任偉， 劉帥， 黃騫

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司， 北京 100013)

0 引言

隨著煤礦自動化設備的普遍應用，煤礦自動化水平得到不斷提高，綜采工作面參與生產的人員也不斷減少，但綜采工作面一直以來都是煤礦最危險的生產區域。“無人操作、有人巡視”[1]、“視覺沉浸技術”[2]、“少人化、無人化”[3]、“透明工作面”[4-5]等諸多行業新理念、新技術的不斷提出與實踐，將工人逐步從環境惡劣的工作面解放出來[6]，坐在順槽監控中心即可實現對綜采工作面設備的遠程可視化人工干預控制[7-8]。在這一革命性變化的生產模式下，視頻監視系統[9]成了一個必不可少的環節，它相當于將人的視覺延伸至工作面[10]，地面人員可對井下情況進行實時監控，及時發現事故隱患，指導地面人員遠程控制設備啟停，避免事故發生，同時可為事故原因分析提供第一手影像資料[11-12]。

我國煤炭開采從薄煤層、中厚煤層，再到大采高、特厚煤層[13-14]，綜采工作面視頻監控區域復雜多變，視頻配套難度較大，如果配套人員對攝像儀的選型、布置把握不準，勢必造成工作面視頻監控區域不全、視頻圖像不清楚等問題，將會嚴重影響監控中心的遠程操作人員的視覺判斷和操作響應，給日常生產帶來安全隱患；同時，研發人員在攝像儀的選型設計時，如果不能有效獲得現場的監控視角范圍和有效視距，也會影響產品的適用性和增加返工的成本，甚至造成研發失敗。

本文將結合綜采工作面攝像儀[15](以下簡稱：攝像儀)的現場布置經驗，對攝像儀的視角和有效視距進行計算推導，并以此進行了分析軟件的設計，以期為研發人員和現場配套人員提供比較科學有效的攝像儀視角分析與驗證的工具。

1 綜采工作面監控區域

圖1所示為煤礦井下綜采工作面需要從兩個方向進行監控：面向煤壁的a向和平行支架排列的b向。a向查看采煤機工作狀態，b向順著支架走向查看支架狀態與人員狀況。

圖1 綜采工作面示意圖

攝像儀安裝在綜采工作面支架上，對監控區域的圖像進行采集、上傳和顯示，必須保證采煤機前后滾筒、支架護板、支架動作等監控實時無死角，才能保證遠程可視化采煤操作的安全性。

2 攝像儀種類及特點

目前綜采工作面常用的攝像儀主要分為固定式攝像儀和云臺式攝像儀。

2.1 固定式攝像儀

圖2所示為固定式攝像儀,監控角度恒定，觀察到的區域也固定不變，視頻采集覆蓋范圍完全取決于攝像儀本身的視角范圍，其優缺點如下：

優點：功耗低、抗振動、體積小、自清潔易于實現；

缺點：由于視角有限，在配套數量有限的條件下，監控存在盲區，但如果要擴大監控范圍，攝像儀的配套數量就需要增加，使得系統配套、運維成本和復雜度增加。

(c)

2.2 云臺式攝像儀[16]

圖3所示是將恒定角度的攝像儀固定在云臺電機旋轉機構上，通過單軸或者雙軸云臺電機的轉動來調節攝像頭的監控方向，從而達到動態監視大范圍內的目標，其優缺點如下：

圖3 云臺式攝像儀

優點：動態視頻監控范圍大(最大360°無死角)、可貼頂梁安裝、配套數量少、安裝維護便利。

缺點：攝像頭非固定、有轉動機構、抗振動性能差；功耗大；透明罩暴露面積大、易磕碰、不易清潔。

3 攝像儀視角計算分析

固定式攝像儀和云臺式攝像儀都是一個攝像頭的兩種應用方式，對綜采工作面監控視場角進行分析,以下視場角分析只針對單個攝像頭。

綜采工作面監控系統中作為圖像采集設備的攝像儀通常安裝在液壓支架的頂梁下方，負責對煤壁區和支架側進行視頻監測。但目前攝像儀的視角范圍都有限，做不到全方位無死角覆蓋，如何有效分析和了解工作面視頻監控范圍，對于攝像儀選型和系統配套有著重要的意義。

3.1 垂直方向視場角分析

煤礦井下綜采工作面的攝像儀安裝在液壓支架上，用于監視煤壁向和支架側的區域圖像，現將攝像儀的視場角分析如下(圖中的圓圈示意攝像儀)：

假設攝像儀的視角足夠大，在垂直方向上能觀察到整個煤壁以及溜槽的橫向全貌，如圖4所示。

圖4 工作面攝像儀安裝示意圖(大視角)

在工作面液壓支架和攝像儀安裝位置已知的情況下，攝像儀垂直視角與各項參數之間的關系公式如下：

(1)

式中：h為攝像儀距液壓支架頂部距離，m；L為攝像儀距煤壁的水平距離，m；α為攝像儀垂直方向視場角，(°)；H為液壓支架高度，m；m為溜槽寬度，m。

垂直方向監視的最大距離為：

(2)

式中：Dv為垂直方向最大監視距離，m。

假設攝像儀的視角較小，在垂直方向上只能觀察到部分煤壁，如圖5所示。

圖5 工作面攝像儀安裝示意圖(小視角)

在工作面液壓支架和攝像儀安裝位置已知的情況下，攝像儀垂直視角α與煤壁視覺盲區高度p之間的關系如下：

(3)

式中：h為攝像儀距液壓支架頂部距離，m；L為攝像儀距煤壁的水平距離，m；α為攝像儀垂直方向視場角，(°)；H為液壓支架高度，m；p為煤壁視覺盲區高度，m。

垂直方向最大監視距離為：

(4)

式中：Dv為垂直方向最大監視距離。

3.2 水平方向視場角分析

在支架參數、攝像儀安裝位置確定的情況下，如圖6所示，攝像儀水平方向的視角與最大監視距離的公式為：

圖6 攝像儀井下安裝水平視角

(5)

式中：β為攝像儀水平視角的1/2 ，(°)；n為攝像儀水平監視覆蓋水平寬度的1/2，m；L為攝像儀與煤壁間距離，m。

垂直方向最大監視距離：

(6)

式中：n為攝像儀水平監視覆蓋水平寬度的1/2，m；L為攝像儀與煤壁間距離，m。

4 攝像儀視角分析軟件的實現與應用

為了選型分析方便，利用前文推導的視場角分析公式， 舉例說明工作面攝像儀配套的參數分析。

4.1 已知工作面情況選型配套攝像儀

某薄煤層工作面：支架高度1.55 m、支架寬度1.75 m，攝像儀安裝距離頂梁0.3 m、距煤壁3.027 m，每3架安裝一臺攝像儀，則視場角覆蓋范圍分析結果如圖7所示。

圖7 配套攝像儀選型分析

經過分析得出：為了滿足現場看全煤壁和溜槽的區域(圖中溜槽可見寬度2.9 m)，攝像儀需要垂直視角90°、最大視距3.27 m；水平視角81.86°、最大視距4.01 m，以此可以選型配套的攝像儀。

4.2 已知攝像儀參數評估實際視角覆蓋范圍

某攝像儀參數：水平視角≤80°，垂直視角≤44°，有效視距≤5 m。

該薄煤層工作面配套分析數據如圖8所示。

圖8 薄煤層視角覆蓋范圍評估

經過分析得出：該款攝像儀配套該薄煤層，除溜槽只能看到1.5 m寬區域外，其他視角覆蓋與配套比較吻合，適用于該薄煤層使用。

若該款攝像儀配套中厚煤層，分析如下：

某中厚煤層工作面：支架高度4.5 m、支架寬度2.05 m，攝像儀安裝距離頂梁0.5 m、距煤壁4 m，則視場角覆蓋范圍分析結果如圖9所示。

圖9 中厚煤層視角覆蓋范圍

經過分析得出：該款攝像儀配套該中厚煤層，溜槽區域全部、煤壁20%區域處于盲區，實際現場不能同時看全采煤機和護幫板，不能是操作人員有效觀察自動采煤的過程。為了滿足視角全覆蓋，只能選用更大視角的攝像儀或云臺攝像儀。

綜上所述，攝像儀選型應該根據實際工作面的空間和支架的參數，結合攝像儀本身的視場角進行配套，一般固定式攝像頭每3～4架安裝1臺，云臺攝像儀每4～6架安裝1臺。

5 結論

本文介紹和推導的視角分析公式及軟件的實現，已經過現場配套的測試，效果比較理想，方便現場配套人員的選型配套工作,同時也為攝像儀(如多目全景攝像儀)的研制需求分析提供了一種便利的測算工具。