采煤機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周國(guó)慧，儲(chǔ)婷婷

（1.上海寅唯訊包裝機(jī)械有限公司，上海 201401；2.天地上海采掘裝備科技有限公司，上海 201401）

0 引言

視頻監(jiān)控在地面上是非常成熟的技術(shù)，已經(jīng)應(yīng)用于各行各業(yè)[1]。煤礦井下的大巷、變電所等場(chǎng)所已經(jīng)廣泛使用這項(xiàng)技術(shù)但是在采煤機(jī)中，由于其在工作中常處于移動(dòng)狀態(tài)，且受采煤惡劣工作環(huán)境的限制，目前國(guó)內(nèi)很少有使用集成攝像機(jī)的采煤機(jī)。而遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)化少人甚至無(wú)人生產(chǎn)的一個(gè)必要條件[2]，因此研究并設(shè)計(jì)適合于采煤機(jī)使用的機(jī)載攝像機(jī)及視頻傳輸系統(tǒng)，其不僅對(duì)于提高井下采煤裝備自動(dòng)化技術(shù)水平和技術(shù)含量有著重大意義，也是滿足我國(guó)煤礦井下采掘裝備遠(yuǎn)距離遙控和安全作業(yè)需要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)整體原理結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從視頻信號(hào)的采集，到視頻信號(hào)的采樣量化、壓縮處理、調(diào)制、傳輸，然后是視頻數(shù)據(jù)接收端的解調(diào)、解碼，最后是視頻信號(hào)的還原再現(xiàn)。系統(tǒng)的電氣原理框圖如圖1所示。

圖1 機(jī)載攝像及順槽視頻監(jiān)視系統(tǒng)原理框圖

2 采煤機(jī)機(jī)載攝像機(jī)選型

工作面上低照度甚至零照度的環(huán)境，要求采煤機(jī)機(jī)載攝像機(jī)必須在低照度條件下能采集到清晰的圖像；另外井下工人隨身攜帶的高亮照明燈有可能照過(guò)被攝區(qū)域，這就要求攝像機(jī)需同時(shí)具有低照度、寬動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)。采煤機(jī)在牽引割煤過(guò)程中振動(dòng)強(qiáng)烈，剛性連接到采煤機(jī)搖臂和機(jī)身上的攝像機(jī)如果沒(méi)有防抖措施，那么采集到的視頻圖像會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)甚至虛影，導(dǎo)致視頻圖像質(zhì)量的下降。

綜上所述，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中選用的攝像頭具有如下特點(diǎn)：

低照度功能，能滿足最低照度0.002Lux的要求，同時(shí)具備自動(dòng)電子快門(mén)與自動(dòng)增益功能（AGC），可適應(yīng)不同監(jiān)控環(huán)境[3]。寬動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍超過(guò)75dB；有效像素976×582，水平解析度可達(dá)700TVL滿足監(jiān)視圖像質(zhì)量的要求；具有電子防抖動(dòng)功能，能有效的降低低頻機(jī)械振動(dòng)對(duì)圖像采集的影響；單線復(fù)合視頻信號(hào)輸出形式，便于簡(jiǎn)化應(yīng)用線路連接。

3 攝像機(jī)輔助照明系統(tǒng)

本文中所選用的攝像頭不能滿足井下采煤工作面零照度的要求，需要外加輔助照明光源。如外加單獨(dú)的輔助照明裝置，采煤機(jī)特別是薄煤層采煤機(jī)機(jī)身空間有限，難以為輔助照明裝置尋找合適的安裝位置，同時(shí)需增加電纜單獨(dú)給照明裝置供電，增加設(shè)備的復(fù)雜度和維護(hù)難度。項(xiàng)目中采用如下方案：把輔助照明燈集成于攝像機(jī)的內(nèi)部，使其易于安裝、維護(hù)。為了達(dá)到以上效果，需綜合考慮攝像機(jī)、照明燈的電源、信號(hào)走線、照明燈的散熱問(wèn)題。

項(xiàng)目中采用的電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 攝像機(jī)電氣結(jié)構(gòu)框圖

其中攝像機(jī)對(duì)外只有一根四芯帶編織金屬絲屏蔽的礦用隔爆電纜，四根芯線兩兩雙絞：其中一組雙絞線負(fù)責(zé)給攝像機(jī)提供24VAC電源；另外一組雙絞線負(fù)責(zé)把攝像機(jī)采集到的模擬視頻信號(hào)傳輸給編碼器，利用雙絞線傳輸視頻信號(hào)，可以提高視頻信號(hào)抗干擾能力。

照明燈驅(qū)動(dòng)模塊采用MORNSUN的超寬壓范圍輸入的大功率LED恒流源驅(qū)動(dòng)模塊KC24RT-700，最大能提供700mA的驅(qū)動(dòng)電流，配合Illumitex生產(chǎn)的高亮LED點(diǎn)陣，兩米處的照度能達(dá)到150Lux，使得攝像機(jī)在沒(méi)有額外光源的情況下，也能采集到清晰的圖像信號(hào)。給攝像頭供電的電源模塊采用金升陽(yáng)的寬壓輸入隔離穩(wěn)壓DC/DC模塊URB2412JMD-3W，能為攝像頭提供穩(wěn)定的12VDC電壓，使其可靠工作。

4 攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

攝像機(jī)內(nèi)部要集成攝像頭、驅(qū)動(dòng)接口模塊、高亮LED點(diǎn)陣及其散熱裝置，另外攝像機(jī)還需要滿足GB3836-2010標(biāo)準(zhǔn)中隔爆設(shè)備的要求。攝像機(jī)殼體整體采用黃銅材料加工而成，發(fā)熱量大的器件——LED驅(qū)動(dòng)器與高亮LED點(diǎn)陣直接或通過(guò)導(dǎo)熱性好的銅支架與殼體大面積連接，其結(jié)合面在安裝過(guò)程中涂抹導(dǎo)熱硅脂，以利于熱量可以更快地通過(guò)攝像機(jī)外殼散發(fā)到外部空間，避免攝像機(jī)隔爆腔內(nèi)熱量的持續(xù)累積，導(dǎo)致攝像機(jī)和照明燈驅(qū)動(dòng)等電路失效，提高攝像機(jī)的可靠性。

圖3 攝像機(jī)外形效果圖

另外，為了方便外掛于采煤機(jī)特別是薄煤層采煤機(jī)機(jī)身上，攝像機(jī)的體積盡量小。同時(shí)為了滿足GB3836-2010標(biāo)準(zhǔn)中隔爆設(shè)備的要求,最終確定其內(nèi)部容積不超過(guò)100CM3，這樣可以進(jìn)一步減小隔爆接合面的寬度。因此在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)盡可能地合理利用空間，在滿足散熱條件的同時(shí)盡量壓縮隔爆腔體積。實(shí)際設(shè)計(jì)中，攝像機(jī)內(nèi)部高度集成，空間利用非常緊湊，其外形效果圖如圖3所示。

5 視頻傳輸設(shè)計(jì)

由于煤礦井下通信線路及通信方式的限制，為了保證視頻流數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，要求視頻信號(hào)的壓縮格式在保證視頻質(zhì)量的前提下盡可能少的占用傳輸帶寬[4-7]。在本文中，我們通過(guò)視頻傳輸延時(shí)實(shí)驗(yàn)得出視頻編碼與解碼延時(shí)對(duì)于整個(gè)視頻傳輸系統(tǒng)具有重要影響。經(jīng)過(guò)權(quán)衡和驗(yàn)證，我們最終采用了硬件編碼方式，并采用H.264視頻編碼壓縮技術(shù)[8]。

6 結(jié)語(yǔ)

性能試驗(yàn)主要是對(duì)機(jī)載采煤機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能和電氣性能進(jìn)行驗(yàn)證，主要試驗(yàn)項(xiàng)目如下：

視頻信號(hào)直接傳輸模擬信號(hào)延時(shí)測(cè)試；視頻信號(hào)仿真實(shí)際傳輸系統(tǒng)延時(shí)測(cè)試；通過(guò)軟件方法測(cè)試單路及視頻信號(hào)傳輸波特率，同時(shí)測(cè)試壓縮編解碼前后波特率的變化；

攝像頭清洗電路及控制指令傳輸測(cè)試；

測(cè)試不同硬件配置運(yùn)行軟件解碼器的效率；

目測(cè)視頻信號(hào)進(jìn)過(guò)整個(gè)系統(tǒng)后還原圖像的質(zhì)量；

測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室的各項(xiàng)電氣參數(shù)與工作性能的驗(yàn)證后，將采煤機(jī)機(jī)載攝像機(jī)系統(tǒng)在車間裝在采煤機(jī)上試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)視頻信號(hào)的延時(shí)為159ms，顯示屏還原的視頻圖像清晰穩(wěn)定。