視頻成像技術(shù)在煤礦井下的應(yīng)用

0遠(yuǎn)程監(jiān)控可視化隨著兩年單位煤炭產(chǎn)量的恢復(fù)，城市化和兩化融合促進(jìn)了煤炭生產(chǎn)的從數(shù)量和輸入向質(zhì)量和效率的轉(zhuǎn)變。從技術(shù)上講，從機械化、自動化到智能生產(chǎn)。煤炭智能化生產(chǎn)、快速發(fā)展,行業(yè)建成了“有人巡視、無人值守”的智能化開采工作面、智能化皮帶集控系統(tǒng)、智能化排水自動化系統(tǒng)等,針對重要的、危險的工作場所要具有遠(yuǎn)程監(jiān)控可視化及可追溯。特別是基于“兩化融合”發(fā)展理念為基礎(chǔ)的智慧礦山建設(shè)需求,國家在2018年推出了《GBT34679-2017智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》和《GBT＿51272-2018＿煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》兩個國家標(biāo)準(zhǔn),在標(biāo)準(zhǔn)文件中要求煤礦井下圖像監(jiān)控系統(tǒng)必須提供實時調(diào)用、保存和回放的二次開發(fā)接口,并且生產(chǎn)系統(tǒng)必須具備音頻、視頻監(jiān)控,實現(xiàn)無人值守的系統(tǒng)應(yīng)與音頻、視頻監(jiān)控聯(lián)動。通過音頻、視頻監(jiān)控技術(shù),為煤礦各重要場所及生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守提供直觀真實且可追溯、可分析的技術(shù)支撐及保障。1煤礦井下數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)及《煤礦安全規(guī)程》及《工業(yè)電視系統(tǒng)工程設(shè)計規(guī)范》的要求,國內(nèi)煤礦設(shè)備制造廠家研發(fā)生產(chǎn)了國內(nèi)第一代礦用隔爆型攝像儀,核心采用模擬低照度星光級攝像儀,顯示圖像為黑白色彩,通過視頻光端機模塊,將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成光信號傳輸?shù)降孛?采用NVR進(jìn)行視頻存儲,圖像顯示效果一般。近幾年隨著高清網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)的發(fā)展,基于高清視頻進(jìn)行圖像分析技術(shù)的研發(fā)逐步開始興起,公安、交通、工業(yè)制造等行業(yè)利用圖像分析技術(shù),實現(xiàn)人員、車輛、貨物等具體細(xì)節(jié)的分析,輸出分析結(jié)果為管控提供數(shù)據(jù)支撐。煤礦井下的視頻技術(shù)逐步升級到數(shù)字高清視頻時代,國內(nèi)煤礦設(shè)備制造廠家不在停留于隔爆型攝像儀技術(shù),而是根據(jù)煤礦井下的環(huán)境特點,逐步研發(fā)本安型的高清攝像儀,并且加入紅外補光或白光提高視頻圖像清晰度。傳輸方式上從傳統(tǒng)的點對點光纖傳輸,轉(zhuǎn)換成基于工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸,在煤礦井下大量增加攝像儀的同時,有效利用主干傳輸網(wǎng)絡(luò),減少光纖數(shù)量和故障點,提高網(wǎng)絡(luò)利用率和降低維護(hù)工作量。2平臺系統(tǒng):隔爆或本安型鏡頭儀+ip語音廣播根據(jù)《GBT34679-2017智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》和《GBT＿51272-2018煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》兩個國家標(biāo)準(zhǔn),在標(biāo)準(zhǔn)文件中要求煤礦井下圖像監(jiān)控系統(tǒng)必須提供實時調(diào)用、保存和回放的二次開發(fā)接口,并且生產(chǎn)系統(tǒng)必須具備音頻、視頻監(jiān)控,實現(xiàn)無人值守的系統(tǒng)應(yīng)與音頻、視頻監(jiān)控聯(lián)動。通過音頻、視頻監(jiān)控技術(shù),為煤礦各重要場所及生產(chǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守提供直觀真實且可追溯、可分析的技術(shù)支撐及保障。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,煤礦井下使用的隔爆或本安型攝像儀不僅要求具備現(xiàn)場圖像信息的采集,同時必須具有音頻采集功能。隨著在攝像儀在條件較為惡劣的綜采工作面或掘進(jìn)工作面的使用,攝像儀在除塵、透霧等方面必須有成像技術(shù)方面的突破。未來煤礦井下所用視頻的隔爆或本安型攝像儀,至少具備圖像、聲音的采集,并且利用IP語音廣播技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程的音視頻一體化交互工作機制,具有可視化圖像聲音采集及對講功能。未來煤礦井下智能工業(yè)視頻的發(fā)展受制于攝像儀音視頻采集技術(shù)、圖像分析技術(shù)及設(shè)備本身的防護(hù)除塵技術(shù)等。煤礦井下使用的攝像儀能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下常規(guī)環(huán)境及極端惡劣環(huán)境條件下的使用,才能夠成為煤礦建設(shè)智慧礦山采集現(xiàn)場真實場景的“千里眼”及“順風(fēng)耳”。智能工業(yè)視頻的發(fā)展首先需要研發(fā)適用煤礦井下不同工作環(huán)境不同類型攝像儀,防爆等級提高到本安型,具有監(jiān)控圖像、采集聲音和廣播聲音功能。而且根據(jù)煤礦工作面、固定硐室等環(huán)境條件,開發(fā)符合使用環(huán)境具有透粉塵、除塵且防護(hù)等級達(dá)到防塵、防水的更高標(biāo)準(zhǔn)。同時將攝像儀與煤礦井下各生產(chǎn)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)進(jìn)行集成,針對性根據(jù)應(yīng)用場景通過攝像儀提高安全保障,真正實現(xiàn)無人值守、減員增效。3煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)方案煤礦屬于特殊的工作環(huán)境,屬于高危險行業(yè),未來的煤礦發(fā)展逐步進(jìn)入智能化、少人化。工業(yè)視頻作為最直接有效的現(xiàn)場真實場景采集和模擬工具,將成為煤礦未來建設(shè)不可缺少的關(guān)鍵性輔助系統(tǒng),按照《GBT34679-2017智慧礦山信息系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》和《GBT＿51272-2018煤炭工業(yè)智能化礦井設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》兩個國家標(biāo)準(zhǔn),未來煤礦建設(shè)智能工業(yè)視頻需要與生產(chǎn)性系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合,例如針對無人綜采工作面、無人掘進(jìn)工作面、無人變電所、無人皮帶集控、無人排水集控等重要系統(tǒng),采集現(xiàn)場音視頻信息已經(jīng)成為無人化必須具備的輔助手段和技術(shù)保障。煤礦智能工業(yè)視頻在智慧礦山建設(shè)過程,按照智慧礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),其主要作用如下:無人智能綜采系統(tǒng):無人智能綜采的建設(shè)是代表煤礦生產(chǎn)能力智能化的最直接衡量標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)我國現(xiàn)階段對煤礦智能化建設(shè)提出的標(biāo)準(zhǔn)要求,煤礦未來的發(fā)展趨勢是必須建設(shè)無人智能綜采系統(tǒng)。利用音視頻一體化集成的高清數(shù)字?jǐn)z像儀,在工作面液壓支架之間安裝,根據(jù)割煤機的移動位置,自動切換和顯示割煤機范圍內(nèi)的圖像和聲音,為地面及井下的智能綜采操作人員提供真實場景可視化。無人智能掘進(jìn)系統(tǒng):煤礦掘進(jìn)工作面處于高危險及超惡劣工作環(huán)境,利用具有除塵、透粉塵技術(shù)的音視頻一體化攝像儀,在掘進(jìn)機上安裝實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境的遠(yuǎn)程可視化,掘進(jìn)機操作人員在煤礦井下安全操作倉或者地面即可遠(yuǎn)程遙控掘進(jìn)機進(jìn)行作業(yè)。無人電力管控系統(tǒng):煤礦井下中央變電所、采區(qū)變電所等場所,通過建設(shè)電力監(jiān)控系統(tǒng)后實現(xiàn)遠(yuǎn)程的電力參數(shù)監(jiān)測和控制。利用音視頻一體化云臺型攝像儀對各變電所現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,同時可采集現(xiàn)場聲音,通過云臺角度調(diào)整和焦距調(diào)整,可查看各電器設(shè)備的儀表顯示內(nèi)容,用于與電力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對比,達(dá)到無人值守的輔助手段保障。無人皮帶集控系統(tǒng):皮帶是煤礦井下煤流運輸?shù)闹饕ぞ?直接影響到煤礦的煤炭產(chǎn)量。實現(xiàn)皮帶集控后,可利用音視頻一體化攝像儀監(jiān)控皮帶啟停情況,并對現(xiàn)場聲音進(jìn)行監(jiān)聽。通過組態(tài)軟件可將聲音和圖像嵌入至皮帶集控軟件中,皮帶啟停、報警時可自動調(diào)出攝像儀,對現(xiàn)場圖像和聲音進(jìn)行跟蹤。另外皮帶運行過程,煤流容易攜帶大塊物體、錨桿、木頭、鐵器等異物,容易造成皮帶損傷或者堵塞煤倉口,利用視頻可對皮帶異物進(jìn)行分析,并提前進(jìn)行預(yù)警提醒工作人員清理異物。視頻可對皮帶煤流的狀態(tài)進(jìn)行分析,通過分析皮帶載煤量的多少,輸出控制信號通過變頻器調(diào)節(jié)皮帶速度,不僅提高皮帶運行的安全技術(shù)保障,達(dá)到無人值守的保障條件,而且可實現(xiàn)節(jié)能降耗。無人排水集控系統(tǒng):排水系統(tǒng)相比較皮帶系統(tǒng)比較特殊,單純的圖像監(jiān)控?zé)o法識別水泵的運行狀態(tài),利用音視頻一體化攝像具有的聲音監(jiān)聽功能可監(jiān)聽皮帶的運行聲音,從而判斷皮帶真正的工作狀態(tài)。如果加入高保真拾音器可對水泵運行的異常聲音進(jìn)行實時監(jiān)聽,利用大數(shù)據(jù)分析手段可為皮帶長期穩(wěn)定運行提供更多的數(shù)據(jù)分析依據(jù)。少人輔助運輸系統(tǒng):煤礦輔助運輸系統(tǒng)主要包括無軌膠輪車、電機車、無極繩絞車及斜巷絞車等,利用攝像儀可分別為不同的輔助運輸系統(tǒng)提供安全保障和可視化操控。無軌膠輪車和電機車可在車頭安裝攝像儀,實現(xiàn)行車視頻記錄功能,并可為未來實現(xiàn)車輛的無人駕駛提供關(guān)鍵技術(shù)保障。無極繩絞車及斜巷絞車長期處于盲開狀態(tài),絞車司機只能通過打點信號從而判斷控制車輛的時機,利用無線攝像儀可實現(xiàn)絞車的可視化遠(yuǎn)程控制,絞車司機可實時看清絞車前后圖像,從而實現(xiàn)絞車的少人化運行,并提高了行車安全。4系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能4.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)智能工業(yè)視頻與常規(guī)工業(yè)視頻系統(tǒng)在設(shè)備選型方面有較大區(qū)別,智能工業(yè)視頻是煤礦智慧礦山建設(shè)自動化、信息化的關(guān)鍵傳感器,為智慧礦山平臺提供現(xiàn)場圖像及聲音的采集和傳感。智能工業(yè)視頻前端必須選用具有聲音監(jiān)聽、圖像采集和語音對講功能的音視頻一體化攝像儀或云臺攝像儀;地面存儲及管理系必須選用具有二次開發(fā)接口視頻綜合管理平臺,可以為排水、皮帶、工作面監(jiān)控等提供圖像取流和管理。煤礦智能工業(yè)視頻綜合應(yīng)用系統(tǒng)示意圖見圖6。4.2錄像視頻監(jiān)控在每個絞車控制室安裝1套隔爆計算機及本安型膠封顯示器作為顯示控制終端,在隔爆計算機上安裝專用的音視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件,用來實時顯示和操控斜巷礦車車運行情況;絞車旁安裝傳感器采集絞車運行位置信息,前端在關(guān)鍵位置安裝音視頻攝像儀,根據(jù)傳感信息自動在軟件中跟蹤顯示絞車附近實時視頻圖像和聲音。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖5。4.3圖像監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測當(dāng)前采無絞車前后圖像,是在巷道在每個絞車控制室安裝1套隔爆計算機及本安型膠封顯示器作為顯示控制終端,在隔爆計算機上安裝專用的音視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件,用來實時顯示無極繩絞車梭車前后實時圖像;在無極繩絞車運輸巷道中沿途安裝多臺本安型無線基站,在梭車上安裝兩臺基于WIFI技術(shù)的無線音視頻一體化攝像儀分別監(jiān)控梭車前后,絞車司機通過具有本安型顯示器實時監(jiān)控梭車前后情形,根據(jù)路況控制無極繩絞車前進(jìn)和停車,如有跟車工可利用聲音監(jiān)聽功能實時聽到跟車的現(xiàn)場聲音信號。系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖6。5素、動、損傷技術(shù)煤礦智能工業(yè)視頻發(fā)展研究在于突破設(shè)備本身的功能限制和圖像清晰度,如今地面攝像儀圖像清晰度已經(jīng)達(dá)到了600萬像素,煤礦井下攝像儀也逐步發(fā)展到200萬像素、400萬像素,并增加了紅外補光、除塵技術(shù)、透粉塵技