視頻監(jiān)控系統(tǒng)在佛子沖礦的建設與應用

羅俊，蒙少明，趙利坤，程貴海

（1.廣西大學，南寧530004；2.武漢理工大學，武漢430070）

佛子沖鉛鋅礦至今已擁有40多年開采歷史，經過幾十年的發(fā)展，在其井下形成了比較復雜的巷道開拓系統(tǒng)。據2009年廣西區(qū)域地質調查研究院提供的勘察數據資料顯示，自2006年以來，該礦平均年產量為32.2萬t，2009年新探明礦產資源量為758.83萬t，新探明的資源量預計可延長礦山服務年限15年［1］?；诘V山服務年限延長，為了加大對所屬礦山的安全管理力度，實現(xiàn)礦山的遠程網絡視頻監(jiān)控已成為一種必然趨勢。本文主要從視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能結構特點、復雜礦井條件下系統(tǒng)網絡設備的選型使用等方面進行了介紹和探討。

1 系統(tǒng)硬件架構

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由前端設備（攝像機）、視頻光端收／接發(fā)機、數據傳輸介質（鎧裝光纜）、視頻分配器、矩陣切換器、硬盤錄像機（存儲服務器）、設備防雷裝置以及地面主控中心監(jiān)視器等組成（如圖1）。

1.1 系統(tǒng)設計原理

前端設備（攝像機）采集視頻信號，編碼器將視頻信號轉變?yōu)槟M信號并傳輸給光端發(fā)射機，發(fā)射機對模擬信號進行編碼，將視頻信號進行電—光轉變，光信號基于光纜為傳輸介質進行傳輸，在地面監(jiān)控中心，光端接收機對光信號進行解碼，即進行光—電轉變。模擬信號進入視頻分配器，視頻分配器將每路模擬信號均分為兩路：一路直接輸入硬盤錄像機進行錄像備份后，直接輸出到監(jiān)控中心多屏幕顯示監(jiān)視器；一路則輸入矩陣切換器系統(tǒng)中的單片機中進行實時處理，一旦接收到上位機的各種控制命令，即可輸出到監(jiān)視器放大顯示，解決了監(jiān)控人員對所需查看監(jiān)控點進行視頻切換的問題，實現(xiàn)了單個放大顯示的功能［2－3］。

1.2 系統(tǒng)硬件功能介紹

前端設備（攝像機）是一種視頻輸入設備，主要負責對井下重要區(qū)域進行實時監(jiān)視。

視頻光端機分為光端發(fā)射機及光端接收機［4］。發(fā)射機主要用于系統(tǒng)前端，負責編碼及傳輸視頻信號。接收機主要用于系統(tǒng)終端，負責視頻信號的接收及解碼，即完成光—電信號轉變，還原出模擬信號。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設備網絡連接圖Fig.1 Diagram of video monitoring hardware

視頻分配器［5］可以實現(xiàn)一路視頻輸入、多路視頻輸出的功能，使之可在無清晰度損失或無扭曲情況下觀察視頻輸出。通常視頻分配器除了提供多路獨立視頻輸出外，兼具視頻信號放大功能，故也稱為視頻分配放大器。視頻分配器以獨立和隔離的互補晶體管或由獨立的視頻放大器集成電路提供4～6路獨立的75歐負載能力，包括具備兼容性和一個較寬的頻率響應范圍，視頻輸入和輸出均為BNC端子。

矩陣切換器是一類切換多路信號的輸出設備，該系列產品可廣泛應用于大屏幕投影顯示工程等。矩陣切換器的功能是在多路信號輸入的情況下，可獨立地根據需要選擇多路（包括單路）信號進行輸出，完成信號的選擇。

硬盤錄像機（DVR）（監(jiān)控存儲服務器）［6］是一套進行圖像存儲處理的計算機存儲服務系統(tǒng)，具有對語音／圖像進行長時間錄音、錄像、遠程監(jiān)視和控制的功能。

2 終端系統(tǒng)軟件功能模塊

2.1 網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件模塊

遠程辦公端網絡監(jiān)控系統(tǒng)軟件主要包括以下功能模塊：預覽、回放、地圖、日志、配置等。其功能結構如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控軟件功能模塊Fig.2 Function blocks of video monitoring software

系統(tǒng)軟件主要安裝在個人計算機上，實現(xiàn)對礦山的遠程監(jiān)控?；谙到y(tǒng)完善的模塊功能，遠程客戶端可對任意的視頻資料進行截圖、錄像、回放、儲存等系列操作處理。缺點是：高清彩照圖像畫面的遠程傳輸需要占用較大的帶寬；一般客戶機的存儲空間比較小，難以滿足長時間大容量的錄像資料儲存。

2.2 數字化硬盤錄像機功能

本系統(tǒng)所采用的硬盤錄像機（DVR）具有圖像任意分割和組合顯示、視頻切換、圖像錄像、視頻儲存、錄像回放、錄像截取導出、云臺鏡頭控制、報警聯(lián)動控制和遠程網絡傳輸控制等功能［7］。有自己的網絡及USB接口等，只要使用普通的鼠標輸入設備，勿需登陸計算機，即可完成所有的功能操作。比較適合于本地監(jiān)控。當然也存在自身的缺點，主要表現(xiàn)為在進行遠程監(jiān)控時，傳輸圖像質量不高；如果進行24小時循環(huán)錄像，則使用壽命比較短；對PC機的配置要求比較高、維護不便等。

3 系統(tǒng)建設及應用

3.1 地面主控中心的建設及應用

在佛子沖礦地面主控中心，安裝電視墻并容納4臺55英寸的液晶監(jiān)視器，最多可容納接入64個監(jiān)控點。其中的3臺監(jiān)視器各顯示16路視頻畫面，第四臺監(jiān)視器則用來單屏循環(huán)放大顯示48路視頻圖像。擁有3臺（DVR）硬盤錄像機，每臺可容納16路視頻／音頻信號的輸入。擁有用戶使用權限的管理人員經過系統(tǒng)身份認證后即可快速實現(xiàn)對權限范圍內的參數進行設置及修改，實現(xiàn)錄像快速查詢及回放功能，且可以方便地對回放錄像進行快進／快退播放，錄像回放的同時不影響錄像機的錄制存儲進程；擁有直接面對用戶的USB接口等，用戶只需將U盤等存儲設備與其接口對接，即可截取導出所需的事故錄像等重要資料。矩陣切換器具有手動切換、自動順序切換、報警切換及分組同步切換等功能。當操作者按下任意的數碼鍵盤時，系統(tǒng)即可轉入手動狀態(tài)，可根據操作者的需要直接切取所需放大觀看的畫面，當按下自動鍵（AUTO）時，矩陣切換器系統(tǒng)即轉入自動循環(huán)切換視頻信號狀態(tài)，實現(xiàn)48路視頻信號圖像的依次循環(huán)顯示，直到進入手動狀態(tài)［5］。基于佛子沖礦井下呈多階段開拓布置，在每一階段都有多個監(jiān)控點，為了突出顯示某階段的視頻錄像，通過矩陣分組同步切換功能即可實現(xiàn)。借助本系統(tǒng)的光纜傳輸介質網路、網絡傳輸設備等，實現(xiàn)了井下辦公點訪問互聯(lián)網的功能，達到了地面及地下共同實時監(jiān)控的效果。

3.2 地面、地下分控點建設應用

根據需要，分控點可設在行政辦公區(qū)的礦長辦公室、生產副礦長辦公室、總工程師辦公室、保衛(wèi)處，所屬公司總部等，可通過鋪設光纜或租用電信部門現(xiàn)有線路（通過互聯(lián)網觀看）等進行聯(lián)接，用辦公電腦可對監(jiān)控點進行實時觀看監(jiān)控。

目前，佛子沖礦在地面及井下都設有值班室，井下值班室是井下發(fā)生事故時的第一應急處理指揮中心，所以井下值班人員對井下的實時監(jiān)控也尤為重要。井下監(jiān)控功能的實現(xiàn)主要依賴于建立起的監(jiān)控網絡將因特網、地面主控中心服務器及井下值班室有機地聯(lián)接。具體方法：采用一對網絡交換機及一對光收發(fā)器，把存儲服務器連接到監(jiān)控網絡中，借助光纜等傳輸介質，在井下值班中心計算機組上安裝網絡視頻監(jiān)控軟件，通過對監(jiān)控網絡IP地址進行設置后，即可訪問地面監(jiān)控中心存儲服務器，完成井下分控點的建設并能付諸應用；同時借助網絡監(jiān)控系統(tǒng)成功實現(xiàn)井下值班中心訪問互聯(lián)網的功能（如圖3所示），大大提高井下值班人員對井下的管理水平和辦公效率。

圖3 主控中心與分控中心網路連接圖Fig.3 Diagram of main monitoring centers and secondary monitoring centers

3.3 系統(tǒng)集成

在監(jiān)控系統(tǒng)的光纖網絡建成后，可以將原有的斜井監(jiān)控一起并入新建的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實行統(tǒng)一管理。還可以與井下人員定位、通信聯(lián)絡系統(tǒng)（廣播對講及電話系統(tǒng)）、監(jiān)測系統(tǒng)進行網絡集成，實現(xiàn)網絡資源共享使用。隨著礦山各類系統(tǒng)的建成使用，多系統(tǒng)的集成研究應用將是未來礦山發(fā)展的必然趨勢，意義重大。

4 系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的問題及解決方法

監(jiān)控系統(tǒng)在礦山建成運行后，大大加快了礦山信息化管理建設的步伐。同時在運行過程中，系統(tǒng)出現(xiàn)了以下一系列問題：

1）前端設備采集得到的部分視頻信號傳輸至監(jiān)控中心監(jiān)視器顯示時，雪花噪點較為明顯（主因2個：在傳輸過程中受強電磁場干擾嚴重；視頻線傳輸線路過于冗長，模擬信號損耗嚴重）。

2）監(jiān)視器畫面上出現(xiàn)白杠并緩慢上下移動（主因3個：光端機光功率不達標；光端機電源不達標；前終端設備接地不當發(fā)生的電位差）。

3）監(jiān)控端無視頻顯示（主因2個：跳線節(jié)點過多，超過8個；節(jié)點處信號損耗嚴重，或視頻信號線與其屏蔽線串通聯(lián)接發(fā)生短路）。

4）監(jiān)視器上出現(xiàn)斜紋干擾、跳動干擾、圖像嚴重扭曲、無法分辨（主因2個：視頻屏蔽線質量太差，傳輸信號受周圍電磁干擾嚴重；光端機光功率不達標）［8］。

5）光端機發(fā)生間歇性病癥（除了本身質量問題外，受環(huán)境因素影響也比較大）。

基于這些已找出的主因以及其他可能會影響視頻質量的隱形因素，在進行監(jiān)控系統(tǒng)安裝建設時需采取一定的防護措施：1）井下鋪設視頻線不宜過長（不超過600m）且盡量遠離易產生強電磁場的高壓線路等；2）光纜彎曲半徑不宜過?。ú灰诵∮?5 cm）；3）光纖跳線節(jié)點不宜過多（不超過7個點）；4）視頻線的拼接節(jié)點盡量少，且應采取焊錫熔接技術進行處理，保證良好永久的接觸；5）需嚴格控制熔纖允許誤差值（誤差不超過0.02db），針對光端機受環(huán)境影響而發(fā)生間歇性故障問題，在機柜中通過安裝一定功率的燈泡進行不間斷烘烤等措施，即需做好防潮、防塵等措施；6）設備防雷接地電阻不宜過大（不超過4歐姆）并要注意接地方式；7）除此之外，設備購置選型時質量檢驗認證也很重要。

5 總結與展望

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在礦山建設并投入運行使用以來，取得了非常好的效益，主要表現(xiàn)在：

1）通過在運輸岔道口處及運輸主干道部署多個監(jiān)控點，大大方便了生產調度室對井下運輸車動向的實時掌握，較好地杜絕了以前因調度失誤而經常導致的井下撞車事故。針對極少數司機不遵守規(guī)則導致的撞車事故，監(jiān)控系統(tǒng)能完全地進行錄制并保存，為事故的查證等起到了非常好的輔助作用。

2）以監(jiān)控傳輸網絡為介質，實現(xiàn)了如井下值班室等多個點訪問因特網的功能，目前下井人員可以在井下多個點進行網上辦公，大大方便了井下與地面之間的網絡通訊聯(lián)系，井下辦公效率明顯提高。

3）通過租借電信網絡，所屬公司總部完全可以對礦山總體情況進行實時遠程監(jiān)控，大大提高了礦山領導對礦山的遠程指揮控制能力。

4）加大了對水倉、空壓機房，配電室等重要場所的實時監(jiān)控，確保了重要設備免遭人為破壞。尤其是該礦山后續(xù)將計劃以監(jiān)控系統(tǒng)傳輸網絡為介質建立的監(jiān)測系統(tǒng)、遠程控制設備開停系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)及人員定位系統(tǒng)等，將使監(jiān)控系統(tǒng)的功能作用得到大大地挖掘利用。如通過監(jiān)控系統(tǒng)對井下水倉水位進行遠程實時監(jiān)控，根據監(jiān)控的結果，通過遠程控制設備開停系統(tǒng)可對水泵電機等重要電器設備進行開停控制，通過監(jiān)測系統(tǒng)可以直接檢測設備的運行狀態(tài)，最終代替目前仍然用多個工人輪流全天24小時現(xiàn)場看守控制的原始方法。廣播系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的綜合應用將提高對井下系列違規(guī)操作的監(jiān)控，并能及時通過廣播喊話制止事態(tài)的進一步發(fā)展。借助監(jiān)控系統(tǒng)網絡建立的廣播系統(tǒng)，可以播放音樂、安全知識、新聞廣播等，可大大豐富井下工作人員枯燥的工作生活。

總之，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在佛子沖礦山建成運行以后，各類安全事故、偷盜現(xiàn)象銳減，井下辦公效率大大提高，實現(xiàn)了集團公司對礦山的遠程監(jiān)控指揮。本文還對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設備及軟件模塊功能進行了介紹；在礦山復雜環(huán)境條件下如何進行設備選型和維護進行了探討；對系統(tǒng)建成運行后所遇到的問題進行了匯總和解決。為同類項目工程提供一個參考。

［1］ 陳國章，莫達飛.廣西佛子沖鉛鋅礦延壽15年，礦山外圍新增資源量達大型礦床規(guī)模［N／OL］.［2009－12－22］ http：／／www.gxdlr.gov.cn／Newscentre／NewsShow.aspx？NewsId＝5620.

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