基于以太网煤矿视频监控系统的应用

高 强

(神东煤炭集团，陕西 神木 719315)

0 引言

随着矿井自动化水平的不断提高，煤矿工业视频监控技术是安全防范体系中重要的组成部分，以其方便、直观、实用而被广泛使用，成为保障重要岗位的安全生产全程监控的重要手段。文中结合大柳塔煤矿生产自动化、智能化和数字化进程，设计出一套基于工业以太环网由调度室固定式监控转为移动式多人随时随地视频监控系统和井下变电所、水泵房巡检机器人视频监控系统。实现了不同协议摄像仪通过手机终端实时监控、远程图像预览、远程录像回放、云台控制、本地图片和录像存储、报警推送信息管理。巡检机器人实现可靠的变电所无人值守，通过巡检机器人完成变电所不间断，关键点无死角，多手段的周期性自动化巡检的基础功能，并通过将机器人融入矿区区域自动化系统，实现智能联动，智能故障识别判断，隐患预警等智能化功能。补齐矿井整体系统的短板，提高人员工作效率，降低劳动强度，实现煤矿安全、稳定、高效运行。

1 手机电子眼视频监控系统

1.1 现状描述及概述

从1988年起，大柳塔煤矿以生产信息化为重点，经过基础网络建设、成熟软件应用、系统融合等发展阶段，实现了统一调度、有线无线融合的一体化移动通信系统，2017建成工业以太环网，采用万兆骨干、千兆汇聚、百兆到桌面，实现井下、办公生活区WiFi全覆盖。

移动通信系统经历了4个阶段，第1个阶段1987—2005年，井下固定电话的投入使用，实现了井下和地面远距离通讯；第2个阶段2005—2011年，小灵通投入使用，实现井下无线通讯；第3个阶段2011年3G网络的接入实现井下、地面数据传输与视频监控；第4个阶段2017年接入4G网络采用万兆环网实现视频、VR等业务。

大柳塔煤矿自自动化系统投入运用以来，不断对主要海量数据工程及一些新功能进行二次开发。工业视频信息系统处于孤岛，不能共享，只能借助控制指挥中心进行全面监控，无法分层让每个管理人员对井下工业视频全面监控，导致未跟班队干部无法对井下工作生产情况实时性的掌握，无法提供有效的决策依据。大柳塔煤矿目前井下工业视频安装181台，有5种不同设备厂家的摄像机且有不同的数据协议。系统数据和信息相互独立分散，手机电子眼监控系统(iVMS-4500)数据无法同时在线共享，5种不同协议摄像机无法同时在一台手机软件中监控，导致视频监控系统只能借助调度室实现监控，不利于煤矿安全生产。

传统的视频监控系统是通过中央控制指挥中心“网络远程视频监控管理平台”实现网络监控，再通过“虚拟矩阵控制中心软件”拼接到控制指挥中心大屏中实现部分视频实时监控，加之大屏无法容纳井下所有工业视频，导致部分主运输系统、供电及供排水系统工业视频无法实现实时监控。

为解决上述工业视频无法共享的问题，提高矿井安全水平，设计出一套能实现工业视频移动式多人随时随地视频监控系统：手机电子眼视频监控系统和井下巡检机器人系统。

1.2 解决问题方案

搭建自动化工业环网方案设计：所谓工业以太网，是将以太网应用于工业控制的局域网技术，其拓扑结构可以是总线、星型、环型等，组成环形的工业以太网叫工业以太环网，简称工业环网(图1)。

图1 工业以太环网设计

构建综合自动化工业环网，不仅具备容量大、功能强、结构简单、维护方便，扩展性强、传输性能高等优点，而且将连采所有系统接入环网，利用三网交换机，将电信网、广播电视网和互联网融为一体，实现了数据的统一管理、网络的互联互通、资源的合理利用。为工业视频系统提供一条高速、安全、可靠的传输平台。

根据煤矿实际情况建设工业以太环网及综合通信分站系统，环网的组建包括万兆环网和千兆环网，万兆环网由矿用万兆环网交换机实现，千兆环网由综合通信分站实现。建设综合通信分站是本安的、模块化的、标准化的和可管理的，综合通信分站提供千兆网络传输和组网功能，可以和工业交换机组网形成环网或自组环网，通过插入不同的模块实现各种业务系统功能，以光纤为主要连接，双绞线、无线电可以作为辅助连接。承载无线通讯系统、人员定位系统、监测监控系统、视频监控系统、广播通讯系统等信息调制为数字信息借助光纤网络传输至环网系统至井上调度室核心机房设备进行解析。

手机电子眼视频监控方案设计：井下视频监控系统通过数据采集箱接入网络交换机，用环网的形式连接起来，再通过RTU通讯协议和RS485接口，采用骨干环网交换机上传至地面工控机，再将分配好的视频IP统一集成在PSI平台，实现调度室远程监测和控制。

通过建立硬盘录像机通讯协议实现工业视频同款软件同时监控。井下工业视频有5种不同设备厂家的摄像机且有不同的数据协议。导致工业视频数据信息不统一，无法在手机电子眼监控系统(iVMS-4500)中同时添加使用，为解决5种不同通讯协议的摄像机能在同款软件中同时监控，在上位机通过4G网络接口连接海康威视硬盘录像机，海康威视硬盘录像机能同时兼容5种不同通讯协议的摄像机，将井下各种型号工业视频添加进硬盘录像机后上传手机电子眼监控系统(iVMS-4500)，并可根据用户需求开放云台控制、报警推送等功能，从而实现持手机终端的用户随时随地对井下工业视频进行实时远程监控。

安装步骤：通过井下WiFi通信系统，在矿用手机上下载软件iVMS-4500客户端运行于Android 4.0及以上版本系统的手机，通过管理员提前设置好的海康威视硬盘录像机IP地址及用户名，实现所有持有手机终端的用户移动式监控，见表1。

表1 手机电子眼视频监控系统安装步骤

功能介绍：iVMS-4500(Android)客户端软件运行于Android 4.0及以上版本系统的手机/平板。本软件可通过无线网络，实现对硬盘录像机、视频服务器、网络摄像机和网络球机的实时图像预览、远程录像回放、云台控制、本地图片和录像存储、报警推送信息管理等功能。同时客户端软件支持萤石云，在客户端上登录萤石云账号后，可对与此账号关联的设备进行管理。 iVMS-4500软件支持WiFi，3G或4G网络等连接方式。若设备位于私有局域网，可能为设备的数据端口做端口映射。软件支持域名方式连接设备，方便动态IP用户使用。此外，iVMS-4500软件还支持以下功能：①实时预览。实时预览在多屏预览模式下，可以拖动播放窗口调整窗口位置，画面可分割成1/6/9/16多种窗口同时切换游览，并可手动录像与抓拍、语音对讲，通过云台控制对摄像机进行画面质量、角度调整；②远程回放。远程回放工业视频发生过的故障点，滑动回放时间轴可以调整回放时间，拖动回放窗口可以调整窗口位置，并可调整回放速度1/16、1/8、1/4、1/2、1、2、4、8、16倍速回放；③报警管理。在报警管理模块，可开启报警推送，管理报警信息，查看报警发生通道对应的实时预览和远程回放，选择设备开启报警推送，开启后报警信息会第一时间推送至手机便于管理人员及时制止故障扩散。

手机电子眼视频监控系统主要创新点：①通过建立硬盘录像机通讯协议来实现不同摄像仪在同款软件同时监控；②改变工业视频固定监控理念，实现通过手机电子眼监控系统让矿领导、机关、区队负责人持手机终端的用户随时随地对井下工业视频进行移动性、实时性的远程图像预览、远程录像回放、云台控制、本地图片和录像存储、报警推送信息管理。

使用效果：2018年公司在上湾煤矿实施了一套关于手机监控工业视频的软件——矿长助手，花费金额约110万元，到目前为止仍在运用。而大柳塔煤矿手机电子眼监控系统开发项目是自动化系统中的二次开发项目无需花费。运用手机电子眼监控系统不仅打破了传统固定式的监控理念而且使得工业视频实现移动式多人随时随地监控，让各系统故障消灭在萌芽状态，大大降低了设备的故障率，提高了设备的有效开机率，如图2所示。

图2 手机电子眼视频监控系统效果

2 巡检机器人视频监控系统的研究及应用

2.1 现状描述

目前，国内外机器人应用已经从传统的工业焊接、搬运等成熟应用行业延伸到了各个行业，机器人发展的浪潮已经开始，但是煤矿机器人的应用目前还主要是用于救援等特殊场合，日常的煤炭生产场合的成熟应用才刚刚开始，巡检机器人应用于变电所，地下皮带走廊等高安全防护要求，环境较为复杂的工业场合也逐步展开。

煤矿井下水泵房、变电所、大型输送带输送机巷道等场所的巡视和检修工作大部分都依靠人工进行定时检查、驻点值守，而该场所中环境复杂、空间狭小、积水情况常见，对人工巡视造成非常大的阻碍和干扰；使得人工巡检容易受到个人经验和情绪、主观意识的影响，受到监测手段、数据记录、数据分析方面的制约，通常花费大量人力却不能得到有效的数据结果，且得到的数据难以形成系统性，参考意义不大；当设备有问题时不能及时地发现问题导致问题扩大化；另一方面在复杂的设备运行环境下多人多频次巡检也会增加人员人身安全的不确定性。故研究一种自动巡检机器人装置，具有效率高、费用低、实时性好、安全性高等特点，具有非常重要的实际使用意义。

大柳塔煤矿综合自动化系统从最初的单一矿井自动化，发展到现在的LCS，区域自动化，经过几期的建设，目前在通讯网络，数据采集，控制系统完善等方面已经打下了坚实的基础。所以目前已经具备了向更高的目标迈进的技术基础，在神东的技术规划路线中，机器人从矿井到地面各个生产环节对生产人员的辅助已经成为了技术方向，所以目前适时的开始巡检机器人的应用已经具备了技术条件。以大柳塔煤矿三盘区变电所为试点场所，建设一套巡检机器人系统，真正实现可靠的变电所无人值守，通过巡检机器人完成变电所，不间断，关键点无死角，多手段的周期性自动化巡检的基础功能，并通过将机器人融入矿区区域自动化系统，实现智能联动，智能故障识别判断，隐患预警等智能化功能。补齐矿井整体系统的短板，提高人员工作效率，降低劳动强度，实现变电所的安全、稳定、高效运行。

2.2 概述介绍

首先在机器人巡检区域规划好机器人运行轨道，并且在该区域内安装无线基站，使机器人巡检范围内遍布无线网络信号。之后无线基站与远程控制站之间通过光缆或矿工业环网进行连接，最终将远程控制站与机器人本体形成为一个整体。远程控制站相当于机器人的大脑，机器人可以按照远程工作站上预设的巡检模式，沿着巡检区域内预铺设的轨迹完成相应的巡检工作。机器人巡检过程中可以利用其自身携带的环境检测传感器及配套的拾音器、双视云台，实时将现场信息传输至机器人的远程控制站处，所有信息经过远程控制站的分析处理，最终实现机器人系统对巡检现场视觉、听觉、嗅觉等全方位的巡检监护。机器人巡检任务结束后将自动返回机器人轨道终端的充电装置处，完成井下补电工作。如巡检过程中发现设备故障，将第一时间发出声光报警。整个过程不需人工干预，如图3所示。

图3 轨道巡检机器人系统结构

另外，机器人巡检结果可以通过机器人远程控制站处预留的TCP/IP接口，使用Modbus TCP协议将机器人巡检结果上传至调度室，实现巡检信息的合理化利用。

同时，机器人轮式运动底盘采用四轮驱动形式，每个驱动配备了大功率电机，通过自身携带的大容量电池，也为机器人平台的自由移动提供了有力的动力支撑。

2.3 巡检机器人方案设计

大柳塔煤矿三盘区变电所全长120 m，宽4.8 m，所内拥有防爆型高压柜56台，共6个进线段，主要承载5-2煤整个采取供配电。变电所实现无人值守后，现场设备硬件发生故障后，调度室无法远程准确查看，因此设计安装一套智能轨道式巡检机器人，方便调度室远程移动操作监控摄像机，实时查看每台高压柜的现场显示状态及完好情况。

在变电所内搭建巡检机器人轨道：轨道材质采用高强度铝合金挤压模型，可以拼接，并且根据现场地形设计弯曲度。最小弯轨道弯曲半径为R300 mm，承载重量为50 kg以上，轨道防锈，防腐蚀。如图5所示。

图5 轨道巡检机器人轨道结构

采用无线充电装置对机器人自动充电：当电量低于预设值时，机器人自动返回充电位置，到达充电位置后，限位开关闭合，主控制器给电源触点控制端发送充电命令，电源触点控制端开始对机器人进行充电。充电桩采用本安型电源箱作为充电来源，在接触状态下，实时判断电量状态，当电量低于预设值，实现对机器人内部电池进行充电。实现了机器人自动补充电能，保证了安全性，充电功率可达20 W。

轨道巡航系统及视频服务器等硬件设施：轨道巡航系统包括轨道、可移动小车、固定架、控制自检系统、动力传感系统和网络摄像机。首先安装固定架，将轨道与滑触线平行安装在固定架上，将网络摄像机、动力传感系统、控制自检系统安装在可移动小车上，可移动小车安装在轨道上，通过皮带连接可移动小车，点位自检装置分别安装在轨道的两端与动力传感系统电信号连接，从功能上分为不定向巡航、控制自检、承载动力等几个部分。视频处理单元是变电站端的核心设备，应用专业品牌视频服务器，完成站内所有音视频信号及环境信息等控制器信息的解编码、转换处理、存储和上传等功能。

智能巡检系统与自动化系统的联动：利用系统高度模块化、信息化特点，实现与变电所内综合自动化系统的联动，当变电所内某台配电柜发生继电保护动作、断路器、隔离开关变位等事件时，系统主机发送控制命令至移动小车及摄像机，移动小车根据控制命令迅速移动至轨道的指定位置，并进行视频信号采集、传输与存储，从而实现对电气设备的实时监控，如图6所示。轨道巡检机器人效果如图7所示。

图6 轨道巡检机器人系统原理

图7 轨道巡检机器人效果

3 结论

(1)通过应用变电所智能轨道巡检系统，有效解决了无人值守变电所内设备多、高压设备对巡检人员存在安全隐患，以及时间较长后巡检人员可能存在惰性，导致巡检工作疏忽等问题，并实现与自动化系统的联动，确保及时发现设备异常并报警，提高了调度人员对数字化变电站的遥视监控能力，缩短了变电设备的故障发现时间与缺陷排除的时间，进一步确保了电网安全稳定运行。目前该智能轨道式巡检机器人在大柳塔煤矿三盘区变电所内运行正常，在运行过程中可实时将设备运行情况和保护器显示的故障原因上传至智能控制中心，为地面操作人员远程快速处理故障提供了依据。同时在员工停送电操作时，可远程近距离的监督现场操作情况，发现问题，及时纠正，确保员工规范操作。

(2)手机电子眼视频监控系统和变电所巡检机器人上线运行，弥补了矿井整体自动化、智能化水平短板，节约成本200余万元，提高人员工作效率，降低劳动强度，真正意义上实现了井下变电所的安全、稳定、高效运行。