煤矿综采工作面全自动视频监控系统设计

王 波，吴晓娥

(1.神华神东煤炭集团公司，陕西 神木 719315；2.神木职教中心机电系，陕西 神木 719315)

0 引言

煤矿是我国国民经济不可缺少的基础性行业，然而煤矿事故的频繁发生使得它成为高危行业。所以煤矿生产少人值守、无人值守是煤矿生产发展的必由之路，是解决目前煤矿事故频发这一难题的最佳办法。随着煤炭工业信息化融合速度的加快，煤炭生产过程实现自动化已经具备了可行的条件。在煤矿所有生产过程中采掘工作面的自动化又是整个生产环节的重中之重[1]。因为综采是我国煤矿最主要的采煤工艺，所以综采工作面的少人化和无人化就成了解决煤矿安全的核心课题。

综采工作面是煤矿生产最前沿的工作环节，也是最复杂的工作环节。以往煤矿采掘面监控系统虽然有各种数据、信息的反馈，却没有最直观、真实的视频信息和良好的视频采集方式及视频管理方式。工作面可视化系统是打造全自动无人工作面的关键。该系统也相当于无人工作面整套系统的眼睛，也使得煤矿综采工作面全自动视频监控系统的研究具有非常重要的意义[2]。

1 工作面视频传输技术与系统构成

由于井下综采工作面的环境相比井下其他地方要困难和复杂，其设备数量多、体积庞大，设备之间互相制约，这给井下的布线带来了较大的困难。在采煤工作面粉尘和水雾大、电磁干扰多、能见度低、某些大型设备在不断往前移动，这也使得视频数据采集较为困难，视频监测效果较差。所以综采工作面视频图像的高质量采集和远距离稳定传输与处理也成为了综采工作面全自动视频监控系统的核心。

1.1 视频信号传输方式

同轴电缆传输：用同轴电缆传输[3]的优点是不会产生电磁干扰，不会产生电火花，这在井下使用是比较安全的，防止引发瓦斯等易燃性气体爆炸。但它的缺点是布线困难，尤其是在大型设备较多的综采工作面。

双绞线或光纤数字传输：在井下巷道内，通过使用双绞线和光纤[4]与井上连接而成的网络视频监控系统技术已经比较成熟，目前在国内一些煤矿已经成功使用，且较为稳定安全。在综采工作面采用双绞线和光纤进行视频传输和控制也应用较为广泛。相比同轴电缆，优点是布线较为容易，传输距离远。但缺点是井下布线较多，施工难度大。特别是光纤的成本较高，维护性较差。

无线传输：最近随着无线通信技术在煤矿安全生产方面的应用[5]，无线传输在井下视频监控方面也有着很好的发展前景。相对于其他几种传输方式，无线传输有着布线简单、成本低、施工难度小、信号传输较稳定、传输速度快、后期维护方便等优点。

1.2 工作面视频监控系统构成

一个完整的井下全自动视频监控系统主要可以分为3大部分，即井下综采面视频监控系统、地面视频处理系统、远程视频访问系统；这3部分系统分别为独立结构，可以串联或者并联成系统使用。

井下综采面视频监控系统是用来采集井下视频信号，同时将所采集到的信息通过隔爆计算机进行显示。视频信息可以单画面或多画面同时显示。同时井下视频监控系统将所采集到的原始数据通过光缆发送到地面视频处理系统进行处理。

地面视频处理系统将井下发送上来的数据进行解压、还原至调度室监控计算机上实时显示，同时可以对视频信息进行存储、录像反调等。

通过远程视频访问系统，用户可以在个人电脑、手机等终端设备上查看工作面的视频信息。

2 工作面自动视频监控系统设计

2.1 系统设计要求

系统应满足：①前端监控摄像机和液压支架一体化，摄像机需满足井下粉尘多、能见度低、水雾大等恶劣条件；②传输性能要能满足实时性传输，布线维护方便；③井下终端设备要满足防爆要求；④能够实现自动跟随采煤机轨迹，显示滚筒运行情况；⑤支持多通道输出等。

2.2 系统结构概述

一套完整的综采工作面自动视频监控系统主要由井下综采面视频监控系统、地面视频处理系统和远程视频访问系统组成。系统结构框图如图1所示。

图1 综采工作面视频监控系统结构框图

综采工作面的视频传输技术是整个系统设计的关键技术之一。通过合理的安装摄像机对工作面的每个环节实现实时监控。使监控人员在远程监控中心有身临其境的感觉，能够全面反映综采现场所有设备的运行情况，为实现采煤机的远程控制提供可视化的效果。但是视频图像的信息量较大，要求传输网络有足够的带宽，系统要能让监控操作人员根据现场的需求实现快速灵活的画面切换。根据综采工作面的实际情况，一般的工作面150～400 m左右，每个液压支架的宽度一般在1.5 m左右，根据实际要求，每隔几个支架安装一个隔爆摄像机，摄像机安装示意图如图2所示。系统根据采煤机的定位信号，通过自动监控软件实现监控摄像机的初步定位、自动切换跟踪和显示。每台摄像机在自己的监控区域内可以做小范围精确自动巡航，最后通过视频传输将距离采煤机最近的画面上传到视频监视器上，由监控中心的监控人员对其进行操作和控制。视频监视器可以安装在井下顺槽控制中心或地面调度中心。

图2 前端摄像机安装位置示意图

通过矿井自动化网络，工作面井下视频信息可以传输给地面视频处理系统以供地面控制调度中心查看。另外，通过远程视频访问系统，可将井下视频信息发送给个人电脑、手机，工业服务器等客户端，从而方便地面用户查看井下工作面视频信息。

2.3 系统设计要点

相比以往的采掘面监控系统，综采工作面视频监控系统能够提供最直观、最真实的视频信息和良好的视频采集、管理方式。该系统的主要工作是完成工作面情况的实时监控。根据需要可以实时地反映到工作面控制中心操作平台上，供操作人员分析使用。该系统通过在液压支架和采煤机上分别安装隔爆摄像机，并根据采煤机的位置控制摄像机交替工作，实现自动跟踪采煤机行走，以保证最佳的视频效果。系统设计要点：①系统前端隔爆摄像机采用360°全方位、全自动摄像机；②前端隔爆摄像机要能满足工作面多粉尘、多水雾、能见度低等特殊环境要求；③摄像机有自动巡航、外置灯补光、图像清晰等特点；④系统可驱动摄像机“跟随”采煤机行走，实现自动跟踪，且具有局部放大和自动切换等功能；⑤工作面采用光纤传输方案，传输线路要简单，方便快速故障维护和紧急处理；⑥隔爆摄像机、隔爆计算机等井下设备具有较强散热功能，在一定高温下能正常工作；⑦地面视频处理系统可扩展多个监控点数据和访问；⑧支持用户手机、电脑等终端设备的地面远程访问功能；⑨系统需满足实时监控要求，图像显示流畅无阻滞，无延时，画面清晰；⑩系统所有控制通过上位机的客户端执行控制。

3 结论

(1)煤矿生产的无人值守是煤矿生产发展的最终目标。综采工作面是煤矿生产最前沿、最复杂的工作环节，所以怎样实现工作面的少人化、无人化，提高综采工作面的全自动化水平是实现整个煤矿生产无人值守最终目标的关键。工作面视频监控系统是打造全自动无人工作面的关键部分，该系统就相当于无人工作面整套系统的眼睛。

(2)井下的视频传输可以通过双绞线、光纤或者无线进行传输。由于采煤机不断移动的特点，采用移动无线视频传输技术比较好，使得整个工作面达到无线网络全覆盖，该技术在煤矿具有较好的发展和应用前景。

(3)综采工作面视频监控系统结合了各种先进的图像采集技术、图像控制技术[6]、光信号传输技术、网络信息技术等。在煤矿井下综采工作面实现图像的采集、跟踪、画面智能切换、远距离传输等功能，并能在地面实现用户的远程监控。

(4)虽然目前国内在该领域已有几宗比较成功的案例，但如何解决前端摄像机的防尘、提高图像清晰度，并且如何实现工作面无线网络的全面覆盖等技术难点也有待于进一步研究与实践。