基于中小型煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化改造

1、基于中小型煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化改造    摘 要：本文介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)由模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)到數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀，先進的視頻監(jiān)控系統(tǒng)對減少煤礦事故的發(fā)生具有重要的意義。針對目前中小型煤礦的情況，結(jié)合計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的改造方案，以增強對煤礦安全生產(chǎn)的管理。論證了在原來基礎(chǔ)上改造的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有節(jié)約成本、功能強大的優(yōu)點，具有很強的實用價值。關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控系統(tǒng)；數(shù)字化；煤礦安全中圖分類號：TP2771 引言煤礦井下生產(chǎn)過程復雜，自然災(zāi)害多，嚴重影響生產(chǎn)和人身安全。我國煤礦事故發(fā)生率、死亡率數(shù)倍甚至數(shù)十倍于世界其他國家

2、，其原因有很多，但管理措施不到位和占據(jù)安全生產(chǎn)第一要素的人員素質(zhì)是決定性的主因。因此，加強各級監(jiān)管、提高人員安全意識和素質(zhì)將是從根本上改善安全生產(chǎn)落后現(xiàn)狀的核心內(nèi)容。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和進步，自動化程度的提高，部分設(shè)備的操作逐步向無人值守方向發(fā)展，重要工作地點可視化以及視頻信息的存儲與共享成為必不可少的安全措施和手段1。作為高危的煤碳行業(yè)，實行數(shù)字化改造，提高煤礦的自動化程度，對減少煤礦安全事故的發(fā)生具有重要的意義。2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展基本上是從早期的模擬閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)向數(shù)模結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)在的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的演變過程，而現(xiàn)在的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)技術(shù)的發(fā)展又分為

3、數(shù)字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字化遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。2.1 模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為基于微處理器的視頻切換控制加PC 機的多媒體管理和基于PC機實現(xiàn)對矩陣主機的切換控制及對系統(tǒng)的多媒體管理。隨著微處理器、微機的功能、性能的增強和提高，多媒體技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)在功能、性能、可靠性、結(jié)構(gòu)方式等方面都發(fā)生了很大的變化，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成更加方便靈活，與其它技術(shù)系統(tǒng)的接口趨于規(guī)范，人機交互界面更為友好。但由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)中信息流的形態(tài)沒有變，仍為模擬的視頻信號，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要是一種單功能、單向、集總方式的信息采集網(wǎng)絡(luò)，因此系統(tǒng)盡管已發(fā)展到很高的水平，已無太多潛力可挖，其局限性依然存在2。模擬

4、監(jiān)控系統(tǒng)的主要缺點有：1)通常只適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控；2)系統(tǒng)的擴展能力差；3)無法形成有效的報警聯(lián)動，由于各部分獨立運作，相互之間的控制協(xié)議很難互通，聯(lián)動只能在有限的范圍內(nèi)進行。要滿足更高的要求，數(shù)字化是必由之路。2.2 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)在市場上數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的類型：數(shù)字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)字化遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字化本地視頻監(jiān)控系統(tǒng)部分地取代了以視頻矩陣圖像分割器、錄像機為核心，輔以其 它傳送器的模擬視頻監(jiān)控模式，基于PC 機的多媒體監(jiān)控主機綜合了視頻矩陣、圖像分割器、錄像機等眾多功能，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。數(shù)字化遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)基于IP 網(wǎng)絡(luò)，很大程度上改變了安全防范系統(tǒng)

5、的形態(tài)，使之從傳輸介質(zhì)專用到介質(zhì)共用（利用各種公共信息網(wǎng)絡(luò)）；從系統(tǒng)的固定設(shè)置到系統(tǒng)自主生成；由封閉的、單一信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)到開放、多信息共享、多信息融合的系統(tǒng)模式。系統(tǒng)將成為可無所不到、開放、可根據(jù)各種具體要求自動生成的系統(tǒng)。3 系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)3.1 中小型煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成目前，中小型煤礦裝備的視頻監(jiān)控系統(tǒng)絕大多數(shù)仍然是模擬電視監(jiān)控系統(tǒng)，主要由普通防爆攝像機、光端機、視頻分配器、視頻矩陣、視頻分割機和電視墻等組成。采用點對點光纖模擬視頻信號傳輸方式，將井下各監(jiān)視點攝像信號傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室，經(jīng)視頻矩陣切換器，輸送至電視墻進行顯示。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖1 目前大多數(shù)中小型煤礦的視頻監(jiān)控系統(tǒng)

6、結(jié)構(gòu)3.2 數(shù)字化視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成該類型系統(tǒng)采用先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)備，以網(wǎng)絡(luò)攝像機、視頻服務(wù)器、流媒體服務(wù)器和分控管理主機為主體。監(jiān)控中心的構(gòu)建思路是以分支機構(gòu)為核心的分散存儲方式，同時借助于網(wǎng)絡(luò)平臺，由管理中心來完成集中控制。監(jiān)控中心設(shè)立以下主機、服務(wù)器及設(shè)備：分控管理主機；流媒體服務(wù)器(可選)；前端(采集與視頻服務(wù))。其結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。 圖2 監(jiān)控中心組成結(jié)構(gòu)前端設(shè)備為視頻服務(wù)器(簡稱DVS)，通過輸入接口可以和攝像機、云臺、報警設(shè)備、話筒等連接。前端的主要任務(wù)是完成視音頻采集、壓縮、記錄及網(wǎng)絡(luò)傳輸,提供現(xiàn)場的開關(guān)量報警聯(lián)動及所有報警信息的上傳，同時提供透明通道，支持云臺控

7、制及視頻信號的在線檢測等一系列功能。分支機構(gòu)的監(jiān)控中心至少設(shè)立一個分控管理主機，目的是擁有一個或多個自己的監(jiān)視與控制平臺，其操作權(quán)限的設(shè)置與認證，以及控制的對象均由管理中心來授權(quán)和指定，在管理中心授予最大權(quán)限的情況下能實現(xiàn)與主控管理主機相同的最高權(quán)限功能。設(shè)置流媒體服務(wù)器實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬的壓力，流媒體服務(wù)器還可以解決多級瀏覽級聯(lián)問題，具備很高的先進性和擴展性?；诂F(xiàn)有的局域網(wǎng)環(huán)境，充分利用已有資源可輕松實現(xiàn)與局域網(wǎng)的連接，使成本降至最低，操作使用簡單。視頻信號處理流程為：前端的任意多臺視頻服務(wù)器響應(yīng)電視墻管理主機的請求將需要的畫面和語音通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)焦芾碇行牡碾娨晧芾碇鳈C管

8、理主機通過解壓卡配合相應(yīng)軟件對這些數(shù)據(jù)進行解碼并完成至AV 的轉(zhuǎn)換(一次同時可解24 路)可通過軟件設(shè)置解碼輸出的畫面排列順序和進行畫面切換或輪巡的機制(方式和時間)最后輸出至電視墻在電視墻上得到最直觀的效果。4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化改造4.1 煤礦現(xiàn)有條件現(xiàn)在大多數(shù)中小型煤礦已經(jīng)建立了自己的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用點對點光纖模擬視頻信號傳輸方式，將井下各監(jiān)視點攝像信號傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度室，經(jīng)視頻矩陣切換器，輸送至電視墻進行顯示。但是隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴大，視頻監(jiān)視點愈來愈多，相應(yīng)的礦用光纜芯數(shù)大大增加。這不僅提高光纜造價，還大大增加了線路故障的搶修難度和時間，系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠性也隨著光纜芯數(shù)的增加

9、而降低。此外，只有在礦調(diào)度室才能看到井下生產(chǎn)情況，而相關(guān)的領(lǐng)導、業(yè)務(wù)科室及基層單位不能了解職工在現(xiàn)場操作的具體情況，不能通過系統(tǒng)及時指揮生產(chǎn)，造成信息不能共享，形成生產(chǎn)指揮中的不連續(xù)現(xiàn)象3。4.2 煤礦本地數(shù)字化改造整個系統(tǒng)主要由以下模塊組成：攝像頭、硬盤錄像機（DVR）和瀏覽器。攝像頭負責視頻圖像的采集，根據(jù)需求，可以配備不同分辨率的；硬盤錄像機和攝像頭間用標準的BNC視頻接口(75R)連接，把攝像頭采集來的視頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字化處理、壓縮，發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，并存儲在本地硬盤，以便提供歷史回放功能。該類型改造只是在原來監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將一部分模擬視頻信號經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機編碼轉(zhuǎn)換成可以進行網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?/p>

10、數(shù)字視頻信號，送入礦區(qū)的局域網(wǎng)，將監(jiān)控點的信息實時地 提供給煤礦各部門。這種改造相對比較簡單，改造成本較低，基本不會帶來監(jiān)控資源的浪費，比較適合小型煤礦的使用。本土數(shù)字化改造的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3 本土數(shù)字化改造的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.3 煤礦遠程數(shù)字化改造前端圖像采集設(shè)備采用一體化攝像機和球形攝像機，根據(jù)需要安裝紅外等其他探測設(shè)備。前端視頻處理設(shè)備采用DVS，將模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后編碼，通過IP 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給系統(tǒng)中的其他模塊。監(jiān)控中心采用軟件實現(xiàn)，將管理中心、報警主機、主控管理、分控管理等功能根據(jù)系統(tǒng)需求和系統(tǒng)規(guī)模部署在一臺或者數(shù)臺服務(wù)器上，連接到IP 網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)各種管理功能。電視墻

11、管理主機通過在高性能PC 上安裝多路硬件解碼卡實現(xiàn)視頻流的解碼，解碼后轉(zhuǎn)換成AV 信號后輸出，同時亦可實現(xiàn)音頻信號的輸出。單臺主機通過搭載多塊視頻解碼卡可實現(xiàn)同時最多對24 路視頻信號的解碼和AV 輸出；畫面具有靈活的排列組合方式和輪巡機制；配套軟件支持與前端設(shè)備(DVR、DVS)進行雙向語音對講4。當增加新的監(jiān)控點時，最好采用網(wǎng)絡(luò)攝像機，其具有網(wǎng)絡(luò)功能，可以在井下搭建樹形或環(huán)形系統(tǒng)，通過一根光纜將視頻信號傳到井上，可以節(jié)約大量光纜，降低系統(tǒng)成本。此外，可提高系統(tǒng)的擴展性。樹形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。 圖4 遠程數(shù)字化改造的樹形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5 數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)的比較5.1 傳輸傳統(tǒng)的模擬

12、視頻監(jiān)控對距離十分敏感，隨傳輸距離增加，信號很容易出現(xiàn)衰耗(特別是高頻衰耗)、畸變、群延時失真等，在漫長的信號傳輸過程中，很容易受到外來電磁信號的干擾，導致監(jiān)視畫面的雜波增大，并可能由于寄生調(diào)幅而使圖像被疊加了脈動的或網(wǎng)狀的幅度干擾成分，使圖像質(zhì)量嚴重劣化；而將視頻信號數(shù)字化處理后，傳輸距離得到很大擴展，不會由于距離的增加導致信號的衰減，并且數(shù)字信號具有很強的抗干擾性，提高了系統(tǒng)的可靠性。5.2 存儲傳統(tǒng)模擬視頻信號的存儲會耗費大量的存儲介質(zhì)(如錄像帶)，而且視頻錄像帶容易遭破壞或磨損;數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)將視頻圖像記錄在視頻服務(wù)器中的計算機硬盤上，其壽命遠大于普通的錄像帶。其最大優(yōu)點是，既能保證

13、存儲圖像的清晰度不受多次復制而遭劣化影響，又能夠快速檢索到所存儲的圖像。5.3 遠程監(jiān)控傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)只能實現(xiàn)本地監(jiān)控，且是單方向的。數(shù)字系統(tǒng)將先進的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引人視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，極大擴展了視頻監(jiān)控的地理范圍，使得異地遠程監(jiān)控成為可能，并且易于統(tǒng)一集中管理。 5.4 信息檢索傳統(tǒng)的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，記錄在錄像帶上的模擬視頻信息不易檢索。需要查尋歷史圖像時，必須反復回放錄像帶中記錄的圖像，往往要花費大量時間觀看才能找到;而在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻圖像是以數(shù)字化方式存儲，經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)可存儲在磁盤陣列中或保存在硬盤、光盤中，用戶可以完全自動地對監(jiān)控對象進行永不間斷的全程監(jiān)控，并可利用計算機建立的索引，非常方便地查詢?nèi)我粫r間、任一地點的現(xiàn)場資料，在幾分鐘內(nèi)就能找到相應(yīng)的現(xiàn)場記錄，方便快捷。6 總結(jié)視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)獲得非常廣泛的應(yīng)用，隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化已成為未來的發(fā)展趨勢。本文結(jié)合目前中小型煤礦視頻監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了基于網(wǎng)絡(luò)的本地和遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的改造方案。系統(tǒng)的改造具有節(jié)省光纜資源，帶寬資源共享、節(jié)約投資、設(shè)備安全性高、綜合建網(wǎng)性價比高等優(yōu)