基于工业以太网技术的视频监控系统在煤矿井下的应用研究

王彩珍

（同煤集团永定庄煤业有限责任公司， 山西 大同 037000）

引言

为了实时掌握井下生产状况，确保矿井安全生产，视频监控技术越来越受到众多矿井的青睐。在重要区域、人员无法观察区、关键设备、主要生产环节等采用工业视频监控系统连续性监控，可了解其生产和运行情况，并及时跟进，确保安全、稳定生产[1-2]。视频监控技术不仅可以为调度室提供一线生产图像资料，还可以为决策层提供直观的可视化信息。但是，随着信息技术与数字化技术的快速发展，老式的闭路电视监控、点对点传输相互独立，传输信息小且速度慢，无法形成集中管控和系统联动，传统的视频监控技术已不能完全满足煤矿的生产需求。为了优化传统视频监控技术，在其基础上辅以工业以太网数字视频监控，工业以太网具有采集一体化、图像与文字转换、网络传输频率高等优势[3]，工业以太网视频监控技术形成画面清晰，后台处理具有逻辑分析判断功能，存储信息量大，是目前信息技术发展的趋势[4]。因此，论文基于工业以太网技术阐述了煤矿视频监控系统在井下的应用研究，希望能对矿井视频监控提供更高、更好的矿井监控质量，提高矿井安全生产。

1 工业以太网视频监控技术

1.1 监控系统构成

矿井工业以太网视频监控系统由三大部分组成，分别为前端采集信息系统、信息数据传输系统和后台逻辑分析处理系统。IP 摄像仪、拾音器、红外报警等设备构成了前端采集信息数据系统，工业以太网、光端机、光纤等通讯设备构成了中间信息数据传输系统，计算机、PLC 控制器、设备管理服务器、流媒体服务器、录像存储等构成了后台逻辑分析处理系统，经过后台分析处理后形成高质量的画面形成视频墙供监控人员实时观察，已确定井下生产环节安全。矿井基于工业以太网监控系统构成及其原理如图1 所示。

图1 基于工业以太网监控系统示意图

1.2 信息采集系统

工业以太网视频监控技术的前端采集信息系统实现的功能主要是生产现场的图像、音频等信息，通过井下转换机作用将音频信号转换成数字信息，集中发送给传输环节。现场采集设备主要矿用网络摄像仪和、防爆本安型拾音器和各类传感器等，下面分别对摄像仪和拾音器作简要分析。

1.2.1 摄像仪

煤矿井下条件复杂多样，环境恶劣，为了更好地拍摄高清质量画面，视频监控系统采用矿用本质安全型高清摄像仪。内部核心摄像仪、自动对光、两光三电转换电路板、电源、红外补光、外壳等共同组成了矿用本质安全型高清摄像仪，示意结构详见下页图2。

矿用本质安全型高清摄像仪工作原理：前端镜头获取外部光线，并将光线传送给内部核心摄像仪，在感光芯片作用下，内部处理器将光信号转换成图像信号，即处理器输出的是模拟视频，在经过流媒体对图像的加工处理，形成标准的图像画面，进而通过网口输出该视频图像信息。此外，在光电转换板作用下，电信号在调制处理后形成光信息，光信息通过光纤传输。若井下能照度过低，在外红补光下仍可形成高清的视频画面，弥补了环境影响，矿用本安型高清摄像仪良好地适用于矿井复杂的条件。

图2 矿用本安型摄像仪结构组成

1.2.2 拾音器

工业以太网视频监控技术前端采集音频信息运用防爆本安型拾音器，该拾音器具有运放和缩放的功能，结合音频放大电路能够实现煤矿井下各个生产环节的声音捕捉，又特别是大型设备运行声音，为矿井设备维修人员提供便利，例如一旦捕捉到设备发出异常音况，监控系统立即响应，调度维修人员对故障设备进行维修[5]。拾音器与摄像仪一起工作，可以将音频信息转换成数字化，为后台处理器提供有效信息。利用工业以太网技术在井下的视频监控原理如图3 所示。

图3 工业以太网技术在井下的监控原理

1.3 视频信息传输技术

因监控系统传输的视频容量巨大，若不对其进行处理、压缩，通讯设备无法确保传输视频的稳定性和实时性。经过对比试验，采用H.265/HEVC 算法技术对视频图像进行编码和压缩[6]，相比与MPEG-2算法、H.264/AC 算法效率更高，压缩效果更好，获取的视频图像质量更高清，较好地解决了井下视频容量大、图像数据多、传输速度慢等困境，为工业以太网视频监控技术奠定了基础。

2 视频监控系统在井下的应用

2.1 视频画面

为了验证基于工业以太网技术的视频监控系统运行效果，在煤矿调度室查看了其监控画面，图4 为节选的部分监控画面。从整个监控画面来看，监控系统能够实时传输井下各个区域的生产状况画面，图像清晰，可靠性高，误差率较小。监控系统应用投入以来，众多设备减少了人员看守，不仅减轻了人员劳动强度，还节约看护成本。又特别是工作面、瓦斯易聚集区、水仓等区域，监控系统实时掌握其状况，降低了安全隐患，有效提高了矿井生产工作效率和管理水平。

图4 井下视频画面

2.2 应用分析

基于工业以太网技术的视频监控系统具有高的准确率和监控检测率，为此，假设系统监控的样本画面为1（即精度），被正确识别监控下来的视频从采集、传输、后台处理到视频墙显示出来的样本为正样本数（检测率），未被识别样本为误差率（包括采集失败、传输失败、后台处理质量差、无法显示等）[7]，以检测率分类器级联强分类层数为横坐标，精度为纵坐标建立坐标系，分析基于工业以太网技术的视频监控系统的监控质量和效果。图5 所示为试验测得数据经过汇总而得到检验曲线。

图5 采样分析曲线

从试验曲线来看，随着采集样本层数增加，误差率逐渐降低。样本层数为0～4 时，误差率从较高的0.326 8 降到0.015，随着样本层数继续增大，误差率几乎与横坐标持平，表明基于工业以太网技术的视频监控系统在矿井中的运用效果良好，准确性较高。从检测率来看，其检测率基本在精度为1 的线上变化，虽然在样本层数为8 以后略有降低，因为随着样本的增加，数据容量增大，井下视频在采集、传输、处理、显示过程中会有局部失败，但是此错误率是在设计允许范围内，进而表明基于工业以太网技术的视频监控系统可靠性高。通过对基于工业以太网技术述煤矿视频监控系统应用研究，良好的解决了矿井传统视频监控技术存在不足难题，为井下视频监控提供了更高、更好的视频质量，提高了矿井安全生产和经济效益。

3 结论

1）矿井工业以太网视频监控系统由采集、传输、处理三大部分组成，采集设备为IP 摄像仪、拾音器、红外报警、传感器等，传输介质为工业以太网、光端机、光纤等通讯设备，后台处理为计算机、PLC 控制器、设备管理服务器、流媒体服务器等。

2）工业以太网技术的视频监控系统在井下应用表明，系统能够实时传输井下各个区域的生产状况画面，图像清晰、可靠性高、误差率较小，可节约成本，降低安全隐患，有效提高矿井生产工作效率和管理水平。