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煤礦綜采工作面無線視頻監控系統的設計

煤礦井下視頻監控系統對保證煤礦井下安全生產和搶險救災具有重要作用,是煤礦安全生產綜合監控系統的重要組成部分。無線數字視頻監控系統具有布線簡單,成本低、維護簡單快捷的特點;其信號通過微波無線傳輸,降低了系統成本和施工難度,信號抗干擾性強,不易失真,傳輸延時低。筆者首先對無線通信技術進行了對比分析,在此基礎上采用wifi技術進行煤礦綜采工作面無線視頻監控系統的設計,對采煤機和液壓支架的實時工作狀態采集,并將視頻數據無線傳輸到順槽控制中心進行監視。

煤礦井下作業遠離地面,采煤工作面往往地形復雜、空間狹窄、環境惡劣,工作人員需要在極其困難的條件下進行工作生產。利用遠程視頻監控系統,將工作面各設備工作狀態實時傳輸到順槽控制中心/地面監控中心,工作人員可以直接對工作面情況進行實時監控,不僅能直觀地監視和記錄井下工作現場的安全生產情況,而且能及時發現事故苗子,防患于未然,也能為事后分析事故提供有關的第一手圖像資料。通過遠程視頻監控系統可使煤礦工作人員盡量遠離采煤工作面,將煤礦工人從惡劣的工作環境中解放出來。

我國煤礦企業目前在綜采工作面使用的視頻監控系統仍以有線監控為主,其布線難度大、傳輸衰減大,且由于煤礦井下特殊的工作環境,電纜極易損壞,維護保養難度大。無線傳輸技術可將高清晰的攝像頭信號高保真地傳送,其傳輸速度快,延時低;采用射頻傳輸,可覆蓋較遠的范圍,添加放大器或者無線網橋/中繼設備還可延長傳輸距離。隨著煤礦未來生產自動化水平的提高,無線視頻監控系統將是無人值守工作面、數字化礦山等的有力保障。

無線傳輸技術對比

煤礦井下是一個特殊的工作環境,因此無線傳輸技術必須能適應以下條件:

  1. 井下是一個有限空間的特殊工作環境,井下無線電波傳輸實際是非自由空間傳輸,傳輸衰減大大高于自由空間無線電波傳輸;
  2. 井下空間窄小、機電設備相對集中,環境電磁干擾嚴重;
  3. 井下電磁波傳播過程中反射或散射會產生多徑效應。多徑干擾信號的頻率選擇性衰落和路徑差引起的傳播時延,會導致噪聲增加和誤碼率上升,使通信質量嚴重下降。

1 WLAN技術

WLAN即無線局域網(Wireless Local Area Network),是指以無線信道作傳輸媒介的計算機局域網,采用IEEE802.11無線網絡系列標準來進行數據的傳輸。

wifi的全稱是Wireless Fidelity,又叫802.11b標準,是IEEE定義的一個無線網絡通信的工業標準,屬于IEEE802.11標準系列,由于802.11b標準在無線局域網中的應用最為廣泛,所以WLAN技術通常也被稱作wifi。

wifi技術在地面的短距離無線通訊中已有多年的應用,相對其他無線傳輸技術來說比較成熟可靠。其最大局限性在于發射功率受限,802.11標準規定的額定發射功率為100mW,實際有效發射功率約60-70mW,在封閉區域只能保證100米左右的有效傳輸距離。井下視頻無線傳輸時,可采用外接高增益天線以增大wifi發射信號功率,或無線網橋/無線中繼的方式來延長wifi信號有效傳輸距離。

2 Wimax技術

Wimax全稱為Worldwide Interoperability for Microwave Access,即全球微波互聯接入,它以IEEE 802.16標準進行無線通信。

Wimax又叫做無線城域網,它與wifi技術的最大區別在于覆蓋范圍大,Wimax的發射功率高,其基站覆蓋范圍通??梢赃_到幾公里;它以OFDM(正交頻分復用)技術為核心,有TDD和FDD兩種工作方式。

Wimax目前所能提供的最高傳輸速率為70Mbps,而其理論上最高速率可達324Mbps。Wimax技術的傳輸速率及有效傳輸距離均優于wifi,但其抗多徑干擾能力不如后者,且Wimax目前尚缺乏完整的網絡規范和標準體系,僅在美國有較廣泛的應用,其商用設備種類較少、價格昂貴。

3 3G技術

3G(3rd Generation)第三代移動通信技術,主要包括TD-SCDMA,WCDMA和CDMA2000三種標準,其主要特點是適用于高速移動環境下的無線通信,發射功率高覆蓋范圍廣,但其傳輸帶寬較窄,在無線視頻監控應用中,僅能適應一些分辨率較低的視頻信號傳輸。

4 4G技術

4G(4th Generation)第四代移動通信技術,主要包括FDD-LTE和TDD-LTE兩種標準,在高速移動環境下可提供遠高于3G的無線傳輸速率,同時其抗噪聲和干擾的能力也更強,數據質量更好。4G技術的主要特點是網絡結構高度可擴展,它以OFDM(正交頻分復用)和MIMO(多入多出)技術為核心。

4G技術目前可在20MHz頻譜帶寬條件下提供下行100/150Mbps與上行50Mbps的峰值速率,其缺點在于終端設備商用的普及程度還不高,價格昂貴且功耗較大。

5 結論

幾種常用的無線傳輸技術對比如下。

wifi Wimax 3G 4G
技術名稱 802.11 802.16 WCDMA CDMA

2000

TD-SCDMA TDD-LTE FDD-LTE
下行流量 54Mbps 70Mbps 14.4Mbps 3.1Mbps 2.8Mbps 100Mbps 150Mbps
上行流量 54Mbps 70Mbps 5.76Mbps 1.8Mbps 2.2Mbps 50Mbps 40Mbps
頻段 2.4GHz 2-11GHz 2GHz 2GHz
信道寬度 20MHz 20MHz 10MHz 2.5MHz 1.6MHz 20MHz
調制方式 CKK、OFDM OFDM CDMA OFDM
時延
優點 應用最成熟,成本低,可靈活組網,抗干擾能力強 覆蓋范圍大,傳輸速率高 應用較成熟,覆蓋范圍大 覆蓋范圍大,傳輸速率高,抗干擾能力強
缺點 發射功率受限 商用程度低,產品少且昂貴,抗干擾能力不如wifi 傳輸速率低,更適用于移動通信 商用程度低,產品少且昂貴,更適用于移動通信

通過上表的對比,筆者選擇wifi技術來進行綜采工作面無線視頻監控系統的開發和設計,它主要具有以下優點:

  1. 采用標準11通信協議,可便捷地接入井上/井下以太環網,不同監控地點的工作人員均可隨意調閱工作面視頻;
  2. 擴展性強,基于wifi的無線手機、定位裝置、無線網絡攝像頭、無線傳感器等終端將來均可接入此系統,提高了系統的可用性,實現多網合一;
  3. 提高檢修效率,可快速定位故障點;
  4. 傳輸帶寬、速率能滿足井下視頻監控需求,且具備較好的抗干擾能力。

無線視頻監控系統設計

無線視頻監控系統一般由三部分組成,包括前端視頻采集設備、無線傳輸設備和視頻終端設備。筆者設計的綜采工作無線視頻監控系統如下圖1所示,主要設備包括:本安型wifi無線網絡攝像儀、礦用隔爆兼本安型基站(含無線接入設備和網絡終端)、礦用隔爆兼本安型網絡交換機、礦用隔爆兼本安型視頻主機等。攝像儀采集的支架、采煤機等設備視音頻圖像信號經壓縮編碼后,由天線無線射頻發出,沿工作面布置基站,接收無線視頻信號并將其接入工作面以太環網,最終由視頻主機完成視頻信號的解碼、存儲、顯示、分發調閱等。

無線設備標稱的發射功率通常受限,在井下覆蓋范圍只有十幾米甚至更小,為實現全工作面視頻信號的覆蓋,可采用外接高增益天線、放大器,或無線網橋/無線中繼的方式來延長wifi信號有效傳輸距離。

1

1、本安型wifi無線網絡攝像儀

無線網絡攝像儀部署于采煤機、液壓支架處,用于采集采煤機和支架的實時工作視頻圖像,并將視頻信號無線射頻發出;考慮到井下特殊工作環境,設備的發射功率、體積、工作帶寬等均受限,因此筆者對本系統使用的攝像儀進行了改進設計,基于ARM+DSP的嵌入式結構,其主要性能參數如下:

  1. 采用264/AVC視頻壓縮編碼,可根據網絡情況自適應地調節傳輸率,支持在誤碼、丟包多發環境中的傳輸;
  2. 視頻傳輸協議支持TCP和UDP;
  3. 數據傳輸方式支持單播、組播和廣播傳輸;
  4. 視頻碼率16 kbps-4 Mbps連續可調,幀率1-25 (PAL)或1-30(NTSC)fps連續可調;
  5. 視頻分辨率為D1,向下支持CIF、Half D1格式,支持726/G.711音頻編碼,無線傳輸方式為802.11b/g/n。

本安型攝像儀滿足煤礦井下安全生產要求,由本安主板防護機殼,本安攝像頭紅外照明LED防護殼體、射頻接收發射調制解調與cpu、邏輯控制部分和音視頻處理PCB主板、觸摸開關、電池等部分組成。

2、礦用隔爆兼本安型基站

礦用隔爆兼本安型基站由無線接入設備(AP)和網絡終端組成。AP是實現視頻信號無線傳輸的核心設備, AP是井下無線局域網絡中有線、無線網絡之間的橋梁,由一個無線輸出口和一個有線的網絡接口(802.3接口)構成。本系統中根據井下無線信道帶寬設計每個AP最多可接入8個無線網絡攝像儀的信號,通過AP實現工作面視頻信號的全覆蓋,解決了井下狹窄環境中通信電纜架設困難的問題。

AP的主要性能參數如下:

  1. 傳輸方式:802.11b/g/n;
  2. 工作頻率:4±O.08GHz;
  3. 發送功率≥-50dBm;
  4. 接收靈敏度≤-70dBm。

網絡終端為工作面以太環網的通信節點,將視頻信號接入以太網進行傳輸,同時網絡終端還具備協議轉換功能,可將工作面其它基于RS485、CANbus等的數據統一接入以太網。

3、礦用隔爆兼本安型視頻主機

視頻主機用于對工作面無線攝像儀和無線傳輸設備等的監控管理,以及對工作面視頻的顯示、存儲、分發調閱等,本系統的視頻主機設計主要包括軟硬件兩個方面:

  1. 軟件:客戶端軟件采用C/S架構,支持多用戶同時訪問和多級用戶密碼權限管理,不同權限的用戶登錄后,可分別進行視頻調閱、管理、分發等操作;視頻監視軟件為九分屏設計,通過視頻拼接可實現對采煤機完整的跟機監視,用戶可操作性很強。
  2. 硬件:視頻主機的硬件部分主要由數據處理主板、視頻服務主板、解碼板、顯示器等組成,可實現264視頻解碼、視頻存儲管理、分發調閱、視頻畫面拼接等,內置2TB本地硬盤存儲空間,可對D1分辨率視頻圖像進行10天以上的本地保存。

井下系統測試

我國薄煤層資源豐富,分布廣泛,儲量占全國煤炭儲量的20%,尤其在我國的西南地區煤礦,其煤層賦存條件差、開采作業空間狹小、通風安全保障難度大、技術裝備水平落后等問題嚴重影響薄煤層煤礦的開采,難以實現低成本、安全、高效、規?;_采[9]。使用無線視頻監控系統可大大減小采煤工人工作的勞動強度,使采煤工人可在順槽中心處進行遠程監視與操作,本系統在重煤韋家溝煤礦進行了井下工礦適應性測試,在采煤機和液壓支架的合適部位安裝無線攝像儀,實時監視其工作狀態,無線系統監視性能良好,監視畫面清晰可辨,系統截圖如下。

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在煤礦井下環境中,采用無線網絡視頻監控系統可以減少通信線纜的布置及接線工作,利于攝像儀的靈活擺放和移動,降低系統的成本和施工難度,提高監控系統的穩定性,可實現便捷的組網和系統擴展。此外,由于wifi協議的通用性和統一性,無線視頻系統將來還可支持基于wifi協議的手持主機、通信設備、無線傳感器等的接入,實現多網合一,大大提高煤礦綜采系統的集成度。

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