三维可视化矿山安全生产监控系统总体架构设计

石海明

（中国矿业大学（北京），北京 100000）

1 系统总体架构设计

三维可视化矿山安全生产监控系统利用前后端分离的方式进行开发[1]，其中后端基于训练好的改进YOLOv5检测模型进行安全隐患检测，前端为B/S架构的可视化平台，系统总体架构如图1所示。

图1 三维可视化矿山安全生产监控系统总体架构

本文的三维可视化矿山安全生产监控系统采用B/S（Browser/Server）[2]结构。C/S（Client/Server）架构往往要求部署的计算机必须进行客户端的安装，而B/S架构系统就可以很好地解决C/S架构的这个弊端[3]。因为B/S架构的系统客户端为浏览器，用户只需要访问浏览器就能够对三维可视化矿山安全生产监控系统进行实时操控与监管[4]。

2 系统数据库设计

系统数据库设计是实现系统所有功能的基础，是系统各模块能够紧密连接的关键。本系统数据源主要来自两部分，一部分为天地图底图等二三维空间数据，另一部分则是由PostgreSQL[5]存储的系统后端基于改进后YOLOv5[6]算法的目标检测模块生成的目标检测信息和报警信息以及其他实时监控数据。例如本系统的实时预警模块的报警信息表的字段信息见表1。

表1 报警信息表

3 系统功能模块设计及实现

通过对矿山安全生产监控系统进行需求分析，本文将系统分为六大功能模块，分别为二三维场景展示模块（一张图）、监管大屏模块、视频监控模块、实时预警模块、人员监管模块、地理围栏模块以及隐患台账模块，接下来将重点介绍六大功能模块。

3.1 二三维场景展示模块

本系统利用地理信息数据可视化技术，将二三维空间数据直观、形象地展示出来，便于用户理解数据中所蕴含的地理信息，辅助用户进行决策分析等。具体展示图层包括栅格数据图层、矢量数据图层、三维模型数据以及地图底图四类二三维空间数据。如图2所示。

图2 二三维展示模块图层管理界面

3.2 监管大屏模块

本系统的监管大屏模块为本系统的主界面，如图3所示。由于本系统由甘肃建设绿色建材产业发展集团有限公司委托设计，因此左上角需要标明公司名称：甘肃建设绿色建材产业发展集团有限公司。本文设计的三维可视化矿山安全生产监控系统的可视化平台命名为智慧矿山可视化安全监测分析平台，位于最上方中间位置，系统名称下方为进入各个功能模块的菜单栏单击按钮可进入对应模块。功能模块菜单栏下方为实时数据展示，其中包括矿山人员数量、监控视频数量、火警数量、扬尘指数、车辆数量以及开采进度，界面中心位置加载图像为二三维场景展示模块中的天地图底图以及矿区影像等图层。二三维场景展示模块的左上角区域为安全指标评价模块，本系统从管理因素、环境因素、生产人员因素、危险源因素、灾害因素、生产装备因素以及地质因素等多个指标对矿山安全进行评价。其左下角区域为人员曲线模块，人员曲线展示一天中每个小时的矿工数量，其更新频率为每小时更新一次。其右上角区域为报警统计模块，报警统计模块展示未带安全帽、未穿反光衣火警等报警类型的占比情况，以圆环图的形式进行展示。其右下角区域为实时数据模块，实时数据模块展示安全隐患数据，主要以表格的形式列出隐患编号、隐患名称、隐患状态以及隐患类型等数据。

图3 监管大屏模块展示

3.3 视频监控模块

系统需要将矿山的监控视频流推送至系统的服务器端，本系统使用的海康威视摄像头产生的实时视频流是RTSP格式的[7]，因此视频流的URL地址应遵从RTSP协议，其中需要特别说明，本系统由于接入视频过多，尽量减轻电脑运行负担，本系统选用子码流：sub/av_stream，例如，本系统的海康威视摄像头的视频流URL为：rtsp://admin:dfmc_123456@192.168.10.48:554/h264/ch1/main/av_stream。

本系统预计需要接入矿山超过100路视频，最终在系统上实现效果如图4所示，左侧状态栏会显示视频编号，监控位置，设备类型以及操作栏的摄像头按钮，通过点击摄像头按钮即可进入对应监控位置的视频界面进行大屏播放。

图4 视频监控模块展示

3.4 实时预警模块

前文我们已经基于YOLOv5算法进行针对性改进与优化，得到了三个基于YOLOv5的目标检测模型权重，他们分别为安全帽佩戴检测模型权重，反光衣穿戴检测模型权重和烟雾火灾检测模型权重，通过加载不同模型的权重来构建不同的目标检测模型实现对是否佩戴安全帽、是否穿戴反光衣以及是否存在烟雾火灾的检测，其工作流程如图5所示。

图5 实时预警模块流程图

系统前端显示的报警信息在实时预警模块展示情况如图6所示，具体报警信息包括编号、通道名称、报警类型以及报警时间等。

图6 实时预警模块展示

3.5 其他模块

人员监管模块会在矿区的工作人员所在的实时具体位置显示人物图标以及姓名，通过点击人物图标就可以查看该工作人员的具体信息，包括姓名信息（姓名-所属矿区-所属车间）、该工作人员的具体坐标、该工作人员的具体位置以及创建时间，人员监管模块展示情况如图7所示。

图7 人员监管模块展示

地理围栏模块会显示闯入者姓名，闯入的围栏编号以及闯入时间等信息，地理围栏模块具体展示情况如图8所示。

图8 地理围栏模块展示

隐患台账模块以表格形式展示隐患台账信息，包括ID、隐患编号、隐患名称、隐患状态、隐患类型、开始实际以及结束时间等隐患台账信息，隐患台账模块具体展示情况如图9所示。

图9 隐患台账模块展示

4 结论

本文设计并开发了一个前后端分离式的三维可视化矿山安全生产监控系统，系统后端基于训练好的改进YOLOv5检测模型进行安全隐患检测，前端为B/S架构的可视化平台。该系统由监控大屏模块、视频监控模块、二三维场景展示模块以及人员监管、地理围栏、隐患台账模块等构成，实现了通过浏览器便可实时查看矿山各重要场景的安全隐患等情况以及矿山的二三维空间数据等功能。三维可视化矿山安全生产监控系统的建立，有助于矿山管理人员更加直观地了解安全隐患及其报警情况，并及时发现安全隐患所处位置，有助于矿山管理人员制定安全隐患消除措施，为矿山的安全隐患监管提供决策依据，对矿山的安全生产具有重要意义。