三維可視化礦山安全生產監控系統總體架構設計

石海明

（中國礦業大學（北京），北京 100000）

1 系統總體架構設計

三維可視化礦山安全生產監控系統利用前后端分離的方式進行開發[1]，其中后端基于訓練好的改進YOLOv5檢測模型進行安全隱患檢測，前端為B/S架構的可視化平臺，系統總體架構如圖1所示。

圖1 三維可視化礦山安全生產監控系統總體架構

本文的三維可視化礦山安全生產監控系統采用B/S（Browser/Server）[2]結構。C/S（Client/Server）架構往往要求部署的計算機必須進行客戶端的安裝，而B/S架構系統就可以很好地解決C/S架構的這個弊端[3]。因為B/S架構的系統客戶端為瀏覽器，用戶只需要訪問瀏覽器就能夠對三維可視化礦山安全生產監控系統進行實時操控與監管[4]。

2 系統數據庫設計

系統數據庫設計是實現系統所有功能的基礎，是系統各模塊能夠緊密連接的關鍵。本系統數據源主要來自兩部分，一部分為天地圖底圖等二三維空間數據，另一部分則是由PostgreSQL[5]存儲的系統后端基于改進后YOLOv5[6]算法的目標檢測模塊生成的目標檢測信息和報警信息以及其他實時監控數據。例如本系統的實時預警模塊的報警信息表的字段信息見表1。

表1 報警信息表

3 系統功能模塊設計及實現

通過對礦山安全生產監控系統進行需求分析，本文將系統分為六大功能模塊，分別為二三維場景展示模塊（一張圖）、監管大屏模塊、視頻監控模塊、實時預警模塊、人員監管模塊、地理圍欄模塊以及隱患臺賬模塊，接下來將重點介紹六大功能模塊。

3.1 二三維場景展示模塊

本系統利用地理信息數據可視化技術，將二三維空間數據直觀、形象地展示出來，便于用戶理解數據中所蘊含的地理信息，輔助用戶進行決策分析等。具體展示圖層包括柵格數據圖層、矢量數據圖層、三維模型數據以及地圖底圖四類二三維空間數據。如圖2所示。

圖2 二三維展示模塊圖層管理界面

3.2 監管大屏模塊

本系統的監管大屏模塊為本系統的主界面，如圖3所示。由于本系統由甘肅建設綠色建材產業發展集團有限公司委托設計，因此左上角需要標明公司名稱：甘肅建設綠色建材產業發展集團有限公司。本文設計的三維可視化礦山安全生產監控系統的可視化平臺命名為智慧礦山可視化安全監測分析平臺，位于最上方中間位置，系統名稱下方為進入各個功能模塊的菜單欄單擊按鈕可進入對應模塊。功能模塊菜單欄下方為實時數據展示，其中包括礦山人員數量、監控視頻數量、火警數量、揚塵指數、車輛數量以及開采進度，界面中心位置加載圖像為二三維場景展示模塊中的天地圖底圖以及礦區影像等圖層。二三維場景展示模塊的左上角區域為安全指標評價模塊，本系統從管理因素、環境因素、生產人員因素、危險源因素、災害因素、生產裝備因素以及地質因素等多個指標對礦山安全進行評價。其左下角區域為人員曲線模塊，人員曲線展示一天中每個小時的礦工數量，其更新頻率為每小時更新一次。其右上角區域為報警統計模塊，報警統計模塊展示未帶安全帽、未穿反光衣火警等報警類型的占比情況，以圓環圖的形式進行展示。其右下角區域為實時數據模塊，實時數據模塊展示安全隱患數據，主要以表格的形式列出隱患編號、隱患名稱、隱患狀態以及隱患類型等數據。

圖3 監管大屏模塊展示

3.3 視頻監控模塊

系統需要將礦山的監控視頻流推送至系統的服務器端，本系統使用的海康威視攝像頭產生的實時視頻流是RTSP格式的[7]，因此視頻流的URL地址應遵從RTSP協議，其中需要特別說明，本系統由于接入視頻過多，盡量減輕電腦運行負擔，本系統選用子碼流：sub/av_stream，例如，本系統的海康威視攝像頭的視頻流URL為：rtsp://admin:dfmc_123456@192.168.10.48:554/h264/ch1/main/av_stream。

本系統預計需要接入礦山超過100路視頻，最終在系統上實現效果如圖4所示，左側狀態欄會顯示視頻編號，監控位置，設備類型以及操作欄的攝像頭按鈕，通過點擊攝像頭按鈕即可進入對應監控位置的視頻界面進行大屏播放。

圖4 視頻監控模塊展示

3.4 實時預警模塊

前文我們已經基于YOLOv5算法進行針對性改進與優化，得到了三個基于YOLOv5的目標檢測模型權重，他們分別為安全帽佩戴檢測模型權重，反光衣穿戴檢測模型權重和煙霧火災檢測模型權重，通過加載不同模型的權重來構建不同的目標檢測模型實現對是否佩戴安全帽、是否穿戴反光衣以及是否存在煙霧火災的檢測，其工作流程如圖5所示。

圖5 實時預警模塊流程圖

系統前端顯示的報警信息在實時預警模塊展示情況如圖6所示，具體報警信息包括編號、通道名稱、報警類型以及報警時間等。

圖6 實時預警模塊展示

3.5 其他模塊

人員監管模塊會在礦區的工作人員所在的實時具體位置顯示人物圖標以及姓名，通過點擊人物圖標就可以查看該工作人員的具體信息，包括姓名信息（姓名-所屬礦區-所屬車間）、該工作人員的具體坐標、該工作人員的具體位置以及創建時間，人員監管模塊展示情況如圖7所示。

圖7 人員監管模塊展示

地理圍欄模塊會顯示闖入者姓名，闖入的圍欄編號以及闖入時間等信息，地理圍欄模塊具體展示情況如圖8所示。

圖8 地理圍欄模塊展示

隱患臺賬模塊以表格形式展示隱患臺賬信息，包括ID、隱患編號、隱患名稱、隱患狀態、隱患類型、開始實際以及結束時間等隱患臺賬信息，隱患臺賬模塊具體展示情況如圖9所示。

圖9 隱患臺賬模塊展示

4 結論

本文設計并開發了一個前后端分離式的三維可視化礦山安全生產監控系統，系統后端基于訓練好的改進YOLOv5檢測模型進行安全隱患檢測，前端為B/S架構的可視化平臺。該系統由監控大屏模塊、視頻監控模塊、二三維場景展示模塊以及人員監管、地理圍欄、隱患臺賬模塊等構成，實現了通過瀏覽器便可實時查看礦山各重要場景的安全隱患等情況以及礦山的二三維空間數據等功能。三維可視化礦山安全生產監控系統的建立，有助于礦山管理人員更加直觀地了解安全隱患及其報警情況，并及時發現安全隱患所處位置，有助于礦山管理人員制定安全隱患消除措施，為礦山的安全隱患監管提供決策依據，對礦山的安全生產具有重要意義。