高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)中的應(yīng)用

王 瑛

（汾西礦業(yè)集團(tuán)信息中心，山西 介休032000）

近些年，為了加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮調(diào)度，各煤礦都安裝了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)煤礦的重要地點(diǎn)進(jìn)行了視頻監(jiān)控。隨著應(yīng)用的深入，也暴露出一些問(wèn)題，如：視頻圖像不清晰，視頻監(jiān)控需單獨(dú)布線，視頻圖像不能被遠(yuǎn)距離傳輸和查看，視頻圖像存儲(chǔ)時(shí)間較短等。為了解決以上問(wèn)題，我公司應(yīng)用了新一代科達(dá)高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 應(yīng)用背景

我集團(tuán)公司是全國(guó)最大的主焦煤產(chǎn)地，下轄28座礦井，分別分布于山西的5地區(qū)13個(gè)縣，跨越面積廣，相距遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)的距離集團(tuán)公司本部約300km。為了高效地將這些跨區(qū)域的生產(chǎn)單位做到管理到位，利用了已有的工業(yè)以太網(wǎng)，使用了網(wǎng)絡(luò)光纖傳輸技術(shù)，采用了高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)，建立了高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。其中采用720P的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，視頻圖像采用IP SAN存儲(chǔ)。

從安全生產(chǎn)和管理的角度出發(fā)，把視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為三級(jí)平臺(tái)。最低層平臺(tái)部署在下屬各個(gè)礦井或區(qū)域公司的調(diào)度中心，它連接了各個(gè)生產(chǎn)一線的高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，是該平臺(tái)的三級(jí)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入；我公司調(diào)度中心的高清網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是二級(jí)管理基礎(chǔ)系統(tǒng)；焦煤集團(tuán)為一級(jí)管理平臺(tái)。

這樣，不同的管理層次都可以直接看到礦井的實(shí)時(shí)生產(chǎn)圖像，而平臺(tái)越高，則權(quán)限越大，能看到的礦井視頻監(jiān)控更多。

各級(jí)調(diào)度中心物理距離相隔非常遠(yuǎn)，要實(shí)現(xiàn)上面的功能，必須借助于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖1）。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

2 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

為了達(dá)到圖像清晰和傳輸靈活的目的，我們?cè)谇岸瞬捎昧烁咔寰W(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸采用了現(xiàn)有的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

2.1 高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和H.264壓縮

高清是指物理分辨率達(dá)到720p以上，英文表述為High Definition，簡(jiǎn)稱HD。這里我們采用了720p的攝像機(jī)，其中720是指橫向1280、縱向720，圖像比例為16：9，p是指逐行掃描，相比隔行掃描圖像更加清晰。它每秒輸出25幀圖像，能夠提供比模擬攝像機(jī)更加清晰的圖像。

相比模擬攝像機(jī)，高清攝像機(jī)提供更加清晰的圖像，但隨之也帶來(lái)了數(shù)據(jù)量巨大的問(wèn)題，因此必須在傳輸圖像前進(jìn)行壓縮處理。

H.264是新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它的優(yōu)點(diǎn)是低碼率、容錯(cuò)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，能夠在較低的帶寬下提供高質(zhì)量的圖像。經(jīng)過(guò)H.264壓縮的視頻數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中所需要的帶寬更少，在視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)所占容量也更小，更加經(jīng)濟(jì)（見(jiàn)圖2）。

圖2

2.2 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)

與模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用專用的傳輸線路不同，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用現(xiàn)有的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)采用專用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，千兆干線帶寬，冗余連接，其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，能在300ms內(nèi)迅速切換，不會(huì)影響業(yè)務(wù)的正常傳輸。

如今，各煤礦已經(jīng)建立起工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，在煤礦生產(chǎn)中的重要地點(diǎn)（井下變電所、皮帶傳輸機(jī)、井底車場(chǎng)、主副井井口、主通風(fēng)機(jī)房、水泵房、避難硐室，地面如辦公樓、生產(chǎn)車間等）安裝了工業(yè)交換機(jī)，建立起了完整的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)只要就近接入工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，不再需要鋪設(shè)專門的線路。

3 多級(jí)視頻管理平臺(tái)

高清圖像經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)矫旱V計(jì)算機(jī)機(jī)房，進(jìn)入專用的視頻監(jiān)控管理平臺(tái)。視頻監(jiān)控管理平臺(tái)是一臺(tái)專用設(shè)備，它是整個(gè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的中心，它負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的接入與認(rèn)證、監(jiān)控視頻碼流分發(fā)、業(yè)務(wù)功能控制、系統(tǒng)管理等功能。另外，它還具備級(jí)聯(lián)功能，可以分層次進(jìn)行管理和控制（見(jiàn)圖3）。

圖3

3.1 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的接入與認(rèn)證

各網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)接入工業(yè)以太網(wǎng)后，需要在管理平臺(tái)中登記注冊(cè)，以便進(jìn)行統(tǒng)一的管理。比如：登記網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的名稱，IP地址，設(shè)備型號(hào)，圖像規(guī)格等信息。

圖4 三級(jí)平臺(tái)級(jí)聯(lián)

3.2 監(jiān)控視頻碼流分發(fā)

用戶可以通過(guò)計(jì)算機(jī)或調(diào)度大屏查看實(shí)時(shí)圖像或錄像回放。這些都是通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)查看的，即用戶不與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)直接通訊，這樣做有兩個(gè)原因：一是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)能力差，它只負(fù)責(zé)將圖像傳送至管理平臺(tái)；二是可以隔離用戶與攝像機(jī)，以便進(jìn)行權(quán)限控制。

3.3 管理平臺(tái)級(jí)聯(lián)

圖4中進(jìn)行了三級(jí)平臺(tái)級(jí)聯(lián)。三級(jí)平臺(tái)為煤礦平臺(tái)，為生產(chǎn)的第一線；二級(jí)平臺(tái)為子公司平臺(tái)，負(fù)責(zé)生產(chǎn)協(xié)調(diào)；一級(jí)平臺(tái)為集團(tuán)公司平臺(tái)，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌安排。平臺(tái)越高，能看到的范圍越大，各平臺(tái)各司其職，形成一個(gè)統(tǒng)一的視頻監(jiān)控指揮調(diào)度系統(tǒng)。

4 視頻監(jiān)控的查看和存儲(chǔ)

由于通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，因此只要接入網(wǎng)絡(luò)，便可以在任何地方對(duì)視頻進(jìn)行查看和存儲(chǔ)。

4.1 視頻監(jiān)控的查看

（1）通過(guò)計(jì)算機(jī)查看（軟解碼）。用戶可以坐在辦公室通過(guò)計(jì)算機(jī)查看視頻監(jiān)控圖像。這需要在用戶的計(jì)算機(jī)中安裝專用的客戶端軟件，該軟件接收來(lái)自“視頻管理平臺(tái)”的壓縮圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)CPU對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264軟解碼后，呈現(xiàn)出視頻畫面。

（2）通過(guò)調(diào)度大屏查看（硬解碼）。如今，各煤礦都在調(diào)度中心建立了調(diào)度大屏，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示各種生產(chǎn)信息。視頻監(jiān)控系統(tǒng)也可以顯示在調(diào)度大屏上，這需要在調(diào)度中心安裝專用的視頻解碼器硬件，它接收來(lái)自“視頻管理平臺(tái)”的壓縮圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)自身的硬件平臺(tái)進(jìn)行H.264硬解碼，將視頻畫面呈現(xiàn)在大屏上。

4.2 視頻監(jiān)控存儲(chǔ)

為了實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控畫面的回放，需要對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。以往的視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用硬盤錄像機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，它存儲(chǔ)容量小，擴(kuò)展性差，安裝位置不靈活。在本項(xiàng)目中我們采用了先進(jìn)的IP SAN磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)，它具有存儲(chǔ)容量巨大，擴(kuò)展性強(qiáng)，安裝位置靈活的優(yōu)點(diǎn)。

IP SAN磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)iSCSI（互聯(lián)網(wǎng)小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口）標(biāo)準(zhǔn)，在TCP／IP上進(jìn)行數(shù)據(jù)塊的傳輸，iSCSI可以實(shí)現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行SCSI協(xié)議，使其能夠在高速千兆以太網(wǎng)上進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)存取操作。即在任何位置，只要接入以太網(wǎng)，就可以對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，這個(gè)特性，大大提高了部署存儲(chǔ)系統(tǒng)的靈活性。

在本項(xiàng)目中，我們采用的磁盤陣列提供16個(gè)硬盤插槽，每個(gè)插槽安裝一塊2TB SATA3.0接口硬盤，總存儲(chǔ)容量達(dá)32TB。為了提高存儲(chǔ)安全性，16塊硬盤做RAID5操作。與傳統(tǒng)的硬盤錄像機(jī)相比，磁盤陣列系統(tǒng)提供了更高的讀取速度和更大的存儲(chǔ)容量，同時(shí)在存儲(chǔ)冗余安全性上也得到了提高。

5 結(jié)語(yǔ)

采用了高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)后，視頻圖像比原來(lái)的模擬系統(tǒng)清晰，視頻圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間更長(zhǎng)，系統(tǒng)整體架構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)各組成部分安裝位置靈活，多級(jí)平臺(tái)架構(gòu)提供了遠(yuǎn)程指揮管理。實(shí)踐證明，高清網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以更好地在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮其作用。