井下综采工作面无线视频监控系统研究

张东军

陕西煤矿安全监察局榆林监察分局

井下综采工作面无线视频监控系统研究

张东军

陕西煤矿安全监察局榆林监察分局

随着煤矿井下信息化通信的不断升级，对矿井监控系统的可靠性和实用性的要求越来越高，以此同时煤矿安全生产事故也不断引起全社会和各级政府的高度重视，尤其在矿井采煤作业的第一线---采煤工作面，集中了大量的人员、设备，根据相关数据表明，采煤工作面是煤矿安全事故的主要发生地点之一。为了确保采煤工作面的安全生产，减少煤矿安全事故的伤亡率，研究新型的、高性能的井下无线视频监控系统具有重要的现实意义。本文采用理论分析、实验研究和模拟现场安装测试的方法，研制和开发了井下无线视频监控系统，对系统中的现场安装方案进行了深入研究。

无线电波；无线网桥；无线摄像仪；延时时间；采煤工作面

一、项目背景

随着煤矿井下信息化通信的不断升级，对矿井监控系统的可靠性和实用性的要求越来越高，尤其在矿井采煤作业的第一线---采煤工作面，集中了大量的人员、设备，根据相关数据表明，采煤工作面是煤矿安全事故的主要发生地点之一[1]。为了确保采煤工作面的安全生产，减少煤矿安全事故的伤亡率，研究新型的、高性能的井下无线视频监控系统具有重要的现实意义。

无线视频监控相对传统的有线视频监控而言优势非常明显：

1.安装无线视频监控系统所需线路较少，线路开通速度快，在宽带允许的情况下，可以根据实际需要随时架设，随时增加线路，安装、扩容方便。

2.有线视频监控的检修维护需沿电缆线路查找故障点[2]，出现中断、断路等故障时，不能够快捷迅速地找到原因，而无线视频监控的维修主要是检查接收机和发射机(系统中的网桥)，出现故障时可及时查出原因[3]。

无线视频监控系统是传统的视频监控和无线电波信号传输技术的结合，通过模拟摄像机实时监控现场的图像信息，然后经无线传输设备(无线网桥)处理以后传至监控中心。项目验收成功后，较为直观的监控采煤工作面生产现场的各种情况，还能及时发现各种安全事故，而且可以给事后调查事故提供相关的现场视频图像资料[4]。

二、项目载体

1.无线网桥。本课题所采用的无线网桥同时包含接收机和发射机，图2-1是无线网桥的功能框架图。

图2-1 无线网桥功能框架图

当无线网桥处于发射功能时，视频服务器把输入的视频信号处理成数字信号，通过网线传输给无线网桥的发射机，发射机把数字信号处理成无线电波信号，再通过天线向外发射。

当无线网桥处于接受功能时，天线接收到无线电波信号，接收机把无线电波信号处理成数字信号。

2.无线摄像仪。无线摄像仪是井下无线视频监控系统的核心载体，一台完整的无线摄像仪由无线网桥、视频服务器和模拟摄像机组成，然后12V防爆电源同时给三者供电。模拟摄像机进行采集视频信号，视频服务器处理视频信号，然后再输入无线网桥，由天线发射、接收视频信号。

下图分别是在采煤工作面同一位置用防爆相机和无线摄像仪与笔记本连接所取得的照片。

图2-2 防爆相机所拍图像

图2-3 无线摄像仪所摄图像

三、解决方案

采煤工作面安装28台无线摄像仪，工作面大概三百米长，174台液压支架，其中24台无线摄像仪安装在液压支架上，4台安装在采煤机上(如图2-4防爆相机所拍图像)，监控待采区煤层、刮板运输机轨道、液压支架顶板、采煤机工作情况，把监控到的图像经总网交换机实时传输至地面监控中心。

液压支架上24台无线摄像仪采用的是四级拓扑中继连接方式(如图3-1，3-2)。

图3-1中标 的总网交换机距离工作面约50米，之间有各种设备，布线难度大，因此在总网交换机旁边安装一台只内置无线网桥的无线摄像仪AP0(所有无线摄像仪用AP代替)，AP0用网线与总网交换机连接，采煤工作面的28台无线摄像仪无线通信后，再通过AP1与AP0无线通信，AP0把所有视频信号经网线传输至总网交换机，最后传到地面监控中心[7]。

第一级无线摄像仪AP0是无限客户端模式，第二级无线摄像仪AP1是中继模式，第三级无线摄像仪AP2、AP3、AP4、AP5、都是接入点模式(相当于四个“基站”)，其他所有无线摄像仪都是无线客户端模式，并且设置成自由连接状态，即哪个接入点模式的无线摄像仪发出的无线信号最强，无线客户端就连接哪个。液压支架上安装19台设置无限客户端模式的摄像仪，工作时无线连接最近(信号最强)的基站，而采煤机从工作面最左端到最右端来回运动时，采煤机上面的四台无限客户端模式的摄像仪也同样连接距离最近的基站。这就好比坐汽车时用手机打电话，手机的信号是通过无线发射塔(相当于基站)向別人的手机发射信号的，打电话过程中可能会经过N个信号塔，那么手机就会不断自动切换所连接的基站，接入信号最强的基站来传输信号，这也是所谓的“无缝连接”功能。

图3-1 四级拓扑结构

图3-2 中继连接结构

采煤机在不断运动时，无线摄像仪会自动切换到连接最近的“基站”，即使采煤机在工作面两端，之间通信距离最远也不超过60米。

四、后期改进措施

1、出现的问题。在井下无线视频监控系统的方案三运行一段时间后，发现两个问题：

1. AP4、AP5及所带的第四级客户端上传的视频图像不连贯，容易延时中断。

2.采煤机上的四台无线摄像仪上传的视频图像也容易延时中断，未达到预期效果。

2、分析原因。

1.AP1作为整个系统的中继，无线覆盖不够稳定，和距离最远的AP4、AP5无线通信较易中断，尤其在液压支架移位时。

2.对本系统的各种路径损耗和干扰严重时，系统的带宽不足(延时中断的主要原因)。

3、改进措施。

1.增加AP1覆盖范围：更换AP0、AP1、AP4、AP5的天线，将原来的全向天线换成功率和增益更高的定向天线，譬如在AP1内的无线网桥天线接口安装一个微带二公分，连接两个定向天线，其中一个定向天线指向辅巷的AP0，另外一个指工作面的基站。

2.降低系统所占用带宽：更改采煤机上面四台无线摄像仪的连接方式，将四个单路视频服务器换成一个四路视频服务器。四个模拟摄像机装在各自的防爆外壳内，四路视频服务器、12V电源和无线网桥装在一个防爆外壳内，12V电源同时给四台模拟摄像机、四路视频服务器和无线网桥供电，无线网桥连接两个定向天线，指向采煤机的两端。

工作原理：四台模拟摄像机监控采煤机运行状况，采集视频信号，并且处理成电信号后传输给四路视频服务器，经视频服务器处理以后传输给无线网桥，无线网桥设置无限客户端模式，通过两个定向天线发射给最近的基站。

实施效果：信号稳定，视频清晰通畅，延时中断现象大幅度减少。

五、项目实施效果

通过一年多对无线摄像仪一系列的设计、测试以及整个系统在地面和采煤工作面的实验、试运行，本系统把采煤工作面监控到的所有视频信号经总网交换机进入矿局域网，然后传到地面调度室监控中心的服务器(图5-1)和调度大屏，在客观条件限制的最大范围内，把采煤机工作面的视频图像稳定地传至地面监控中心，系统达到验收条件。

六、项目展望

本课题研究的井下无线视频监控系统，基于无线摄像仪核心载体设计四级拓扑无线连接结构，有效地克服了采煤工作面无线传输所存在的问题，但由于无线网桥仍存在的不稳定性---较高故障率，由各种衰减引发的井下无线带宽不足，等等这些问题有待于深入研究，因此本系统还有非常大的扩展空间，其可靠性和实用性还需要进一步提高。

[1]胡达涛等.实施矿山数字化技术的问题及策略[J]. 矿业快报，2008(3)： 21-23.

[2]吴东旭等. ImPact综合通讯系统在地下矿山的应用研究[J]. 矿业工程， 2008(3)：6-7

[3]张勇.网络数字视频监控系统在矿井安全生产中的应用[J].煤炭工程， 2003(7)：11-12

[4] 邵子健.基于3G移动通信的视频监控系统研究[M]. 长安大学出版社， 2011：168-175

图5-1 地面服务器的视频监控图像