網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控技術(shù)在井下礦山的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展迅速，特別是隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、數(shù)字視頻采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代視頻監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸、存儲(chǔ)和顯示功能顯著不斷完善。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字、高純度和智能是視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展、設(shè)計(jì)和實(shí)施的主要趨勢(shì)。在國(guó)內(nèi)的大多數(shù)井下礦山企業(yè)都設(shè)計(jì)并安裝了井下重點(diǎn)區(qū)域視頻監(jiān)控系統(tǒng),但大部分礦山企業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)還采用落后的老一代模擬視頻監(jiān)控技術(shù),存在圖像不清晰、丟包嚴(yán)重、維護(hù)成本高等弊端現(xiàn)象,同時(shí)不利于井下數(shù)字化礦山的建設(shè)。而網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控技術(shù)不但能解決老系統(tǒng)的弊端問題,還能夠代替操作人員智能監(jiān)控,可與設(shè)備自動(dòng)化聯(lián)動(dòng),是實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人操作的基礎(chǔ)。1視頻監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)1.1視頻處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)技術(shù)特點(diǎn),視頻監(jiān)控技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段:模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng),該階段主要是以模擬信號(hào)為主的閉路電視監(jiān)控系統(tǒng);第二階段:數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng),該階段主要利用計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行視頻的采集、傳輸、處理和存儲(chǔ),通過(guò)顯示器的高分辨率和應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)圖像的多畫面顯示,從而大大提高圖像質(zhì)量;第三階段,就是目前的網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng),以IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),集成多媒體技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)及遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)刃录夹g(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)圖像傳輸、遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換等監(jiān)控功能,重要的是還可結(jié)合智能圖像分析及識(shí)別技術(shù),對(duì)視頻進(jìn)行一系列分析,從視頻中提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)相關(guān)信息,發(fā)現(xiàn)重要的目標(biāo)和事件,并根據(jù)預(yù)設(shè)程序規(guī)則將這些有用的信息及時(shí)反饋給監(jiān)控員1.2不同階段視頻監(jiān)控技術(shù)的分析與比較1.2.1模擬視頻圖像傳輸?shù)木窒扌阅M視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端模擬攝像機(jī)、視頻切換矩陣、監(jiān)視顯示器、VCR錄像機(jī)等設(shè)備組成,通過(guò)視頻線、控制線、光纜等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息連接,其主要特點(diǎn)是視頻和音頻信號(hào)的采集、傳輸、儲(chǔ)存均為模擬的方式,一定距離范圍內(nèi)視頻圖像質(zhì)量保持很好,但也有一定的局限性。首先,模擬視頻信號(hào)通常使用同軸電纜進(jìn)線傳輸,在傳輸距離上受到很大限制,以同軸電纜SYV75-5為例,傳輸?shù)挠行Ь嚯x大約為400m,在長(zhǎng)距離傳輸時(shí),需要采用視頻放大器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行放大以補(bǔ)償傳輸中的損耗,其不利因素就是將導(dǎo)致信號(hào)的信噪比下降,視頻圖像會(huì)產(chǎn)生明顯失真。其次,儲(chǔ)存模擬視頻圖像信號(hào)需要使用大量的錄像帶儲(chǔ)存信號(hào)圖像,其成本高、體積大且不易保存,檢索信號(hào)圖像不方便,操作復(fù)雜。再次,與其他數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)無(wú)法兼容,且數(shù)據(jù)也無(wú)法交換,應(yīng)用的靈活性較差,不易擴(kuò)展1.2.2錄像視頻的讀取數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由模擬攝像機(jī)、傳輸采集設(shè)備、工控機(jī)、數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR、視頻壓縮卡、通信接口卡等組成。利用終端模擬攝像機(jī)獲取圖像信號(hào)信息,通過(guò)光路、同軸線等傳輸線路匯接到數(shù)字硬盤錄像機(jī)DVR中;然后,通過(guò)矩陣或PC工控機(jī)查看圖像。數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)采用數(shù)字化信號(hào)強(qiáng)化了儲(chǔ)存壓縮能力和保存能力,以及可以通過(guò)DVR來(lái)控制攝像機(jī),其功能較強(qiáng)(包括監(jiān)控、錄像、回放、報(bào)警、遠(yuǎn)控等功能),而且便于現(xiàn)場(chǎng)操作。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)視頻、音頻信號(hào)的接入,圖像的切換和前端設(shè)備的控制主要采用模擬方式,而圖像的存儲(chǔ)和傳送采用數(shù)字方式。其局限性表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):①大型監(jiān)控系統(tǒng)需要將視頻源匯聚到監(jiān)控設(shè)備中心,因此布線量大;②矩陣、DVR、視頻分配器、光端機(jī)等多種設(shè)備需要占用大量的機(jī)柜和機(jī)房空間,而且眾多的視頻閉路線給施工和維護(hù)均帶來(lái)不便。1.2.3視頻傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)是數(shù)據(jù)信息數(shù)字化的系統(tǒng),一般基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),可以通過(guò)局域網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)傳輸,網(wǎng)絡(luò)寬帶能夠重復(fù)利用,無(wú)需重復(fù)布線,布控區(qū)域大大超出前兩代系統(tǒng),因?yàn)閿?shù)字化視頻可以在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上傳輸圖像數(shù)據(jù),受距離限制影響很小,信號(hào)抗干擾性很強(qiáng),從而很好的提高了圖像的品質(zhì)和穩(wěn)定性。同時(shí),智能化的監(jiān)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)的視覺技術(shù),可以對(duì)視頻圖像進(jìn)行一系列的分析,從圖像中提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息,發(fā)現(xiàn)重要的目標(biāo)和事件,并根據(jù)預(yù)設(shè)模板或用戶預(yù)設(shè)的規(guī)則,自動(dòng)識(shí)別出用戶需要的目標(biāo)和相關(guān)數(shù)據(jù),并能智能分析和判斷產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),從而可以在許多情況下代替或協(xié)助人工監(jiān)控2網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)柜場(chǎng)的鋪設(shè)、傳輸數(shù)字化礦山建設(shè)的核心理念就是實(shí)現(xiàn)井下無(wú)人操作,所以一個(gè)礦山的調(diào)度指揮室建議設(shè)在地面,大小規(guī)模以礦山實(shí)力而定,一個(gè)設(shè)備機(jī)房緊靠調(diào)度指揮室建設(shè)。對(duì)于設(shè)備機(jī)房的建設(shè),一般要求盡量大一些,為數(shù)字化礦山建設(shè)所用其他設(shè)備預(yù)留空間。設(shè)備機(jī)柜則要求相對(duì)兩柜子之間的柜門能自由打開,打開后通道還能過(guò)人為最好,這樣安裝設(shè)備和檢修維護(hù)都較為方便。視頻監(jiān)控系統(tǒng)所用機(jī)柜一般準(zhǔn)備4個(gè),1個(gè)視頻矩陣柜,1個(gè)硬盤錄像機(jī)柜,1個(gè)視頻光端機(jī)柜,1個(gè)光纜配線柜。設(shè)備機(jī)房采用靜電地板,柜體間布線可以敷設(shè)在地板下,所以靜電地板鋪設(shè)時(shí)要預(yù)留一定的高度距離。視頻信號(hào)傳輸過(guò)程中,由于井下礦山終端攝像設(shè)備與設(shè)備機(jī)房一般都較遠(yuǎn),為保證視頻質(zhì)量,建議使用光纜傳輸。在前端視頻采集上,通常利用模擬攝像機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行采集,如果現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)該區(qū)域視頻圖像進(jìn)行監(jiān)控,那么現(xiàn)場(chǎng)需要配置一套視頻分配器、畫面分割器以及監(jiān)控電視機(jī)。視頻信號(hào)由視頻分配器一分為二,一路給現(xiàn)場(chǎng)提供監(jiān)控圖像,一路傳至地面硬盤錄像機(jī)。有需要智能監(jiān)控的區(qū)域,需要通過(guò)網(wǎng)線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。具體組網(wǎng)設(shè)計(jì)見圖1。3智能井工程的應(yīng)用3.1協(xié)助或代替操作人員監(jiān)控智能視頻監(jiān)控技術(shù)起源于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù),主要對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行智能分析,協(xié)助或代替操作人員監(jiān)控。其原理的實(shí)現(xiàn)過(guò)程首先是進(jìn)行目標(biāo)圖像的背景建模,確認(rèn)其正常狀態(tài),然后再不斷抽取圖片與背景作比較,從而發(fā)現(xiàn)異常物體,對(duì)識(shí)別物連續(xù)觀察后再根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則作出事件判斷,并觸發(fā)聯(lián)動(dòng)報(bào)警。3.2采礦業(yè)3.2.1礦井智能監(jiān)控畫面建模井下水倉(cāng)或礦倉(cāng)智能監(jiān)控技術(shù)主要包括井下礦山的井筒水倉(cāng)水面智能監(jiān)控、底排水水倉(cāng)水面智能監(jiān)控以及井下礦倉(cāng)礦位智能監(jiān)控。首先,對(duì)報(bào)警視頻畫面建模,即設(shè)置水倉(cāng)或礦倉(cāng)最高警界位,提取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫面與建模畫面進(jìn)行對(duì)比分析,當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)點(diǎn)并在調(diào)度上位機(jī)報(bào)警水位滿或礦位滿等信息。該技術(shù)適用于粉塵不大,水倉(cāng)水霧較小的環(huán)境。3.2.2紅外傳感配合視頻監(jiān)控井下炸藥庫(kù)大門監(jiān)控系統(tǒng)可利用人臉特征技術(shù)進(jìn)行身份驗(yàn)證,通過(guò)人臉檢測(cè)抓拍、人臉對(duì)比,對(duì)輸入視頻圖像進(jìn)行人臉檢測(cè)和提取人臉特征數(shù)據(jù),與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖片進(jìn)行匹配,輸出識(shí)別結(jié)果,確定大門是否打開。同時(shí),在井下炸藥庫(kù)后門以及通風(fēng)巷道口為防止小動(dòng)物或其他人員出入,可以安裝紅外線感應(yīng)器配合視頻監(jiān)控報(bào)警。該技術(shù)適用于井下重要的生產(chǎn)崗位。3.2.3車輛在2臺(tái)圖像中的轉(zhuǎn)速分布在預(yù)定的2個(gè)點(diǎn)上各安裝1臺(tái)攝像機(jī),選擇固定車輛出現(xiàn)為背景建模,根據(jù)事件檢測(cè)分析算法計(jì)算車輛在2臺(tái)攝像機(jī)間出現(xiàn)的時(shí)間,并根據(jù)已知距離智能計(jì)算車速。目前,背景模型受車輛進(jìn)入角度的影響,該技術(shù)只能應(yīng)用于有軌機(jī)車,并且計(jì)算出的車速是個(gè)誤差較大的平均值,適用于對(duì)速度誤差要求不大的有軌機(jī)車。3.2.4井下礦山其他方面除了以上應(yīng)用及常規(guī)視頻監(jiān)控錄像應(yīng)用外,井下礦山其他方面也可應(yīng)用。例如,可以配合主斜坡道的紅綠交通指示燈進(jìn)行闖燈抓拍,一