煤矿综采工作面无线视频监控系统的设计

煤矿井下视频监控系统对保证煤矿井下安全生产和抢险救灾具有重要作用,是煤矿安全生产综合监控系统的重要组成部分。无线数字视频监控系统具有布线简单,成本低、维护简单快捷的特点;其信号通过微波无线传输,降低了系统成本和施工难度,信号抗干扰性强,不易失真,传输延时低。笔者首先对无线通信技术进行了对比分析,在此基础上采用wifi技术进行煤矿综采工作面无线视频监控系统的设计,对采煤机和液压支架的实时工作状态采集,并将视频数据无线传输到顺槽控制中心进行监视。

煤矿井下作业远离地面,采煤工作面往往地形复杂、空间狭窄、环境恶劣,工作人员需要在极其困难的条件下进行工作生产。利用远程视频监控系统,将工作面各设备工作状态实时传输到顺槽控制中心/地面监控中心,工作人员可以直接对工作面情况进行实时监控,不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况,而且能及时发现事故苗子,防患于未然,也能为事后分析事故提供有关的第一手图像资料。通过远程视频监控系统可使煤矿工作人员尽量远离采煤工作面,将煤矿工人从恶劣的工作环境中解放出来。

我国煤矿企业目前在综采工作面使用的视频监控系统仍以有线监控为主,其布线难度大、传输衰减大,且由于煤矿井下特殊的工作环境,电缆极易损坏,维护保养难度大。无线传输技术可将高清晰的摄像头信号高保真地传送,其传输速度快,延时低;采用射频传输,可覆盖较远的范围,添加放大器或者无线网桥/中继设备还可延长传输距离。随着煤矿未来生产自动化水平的提高,无线视频监控系统将是无人值守工作面、数字化矿山等的有力保障。

无线传输技术对比

煤矿井下是一个特殊的工作环境,因此无线传输技术必须能适应以下条件:

  1. 井下是一个有限空间的特殊工作环境,井下无线电波传输实际是非自由空间传输,传输衰减大大高于自由空间无线电波传输;
  2. 井下空间窄小、机电设备相对集中,环境电磁干扰严重;
  3. 井下电磁波传播过程中反射或散射会产生多径效应。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延,会导致噪声增加和误码率上升,使通信质量严重下降。

1 WLAN技术

WLAN即无线局域网(Wireless Local Area Network),是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网,采用IEEE802.11无线网络系列标准来进行数据的传输。

wifi的全称是Wireless Fidelity,又叫802.11b标准,是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准,属于IEEE802.11标准系列,由于802.11b标准在无线局域网中的应用最为广泛,所以WLAN技术通常也被称作wifi。

wifi技术在地面的短距离无线通讯中已有多年的应用,相对其他无线传输技术来说比较成熟可靠。其最大局限性在于发射功率受限,802.11标准规定的额定发射功率为100mW,实际有效发射功率约60-70mW,在封闭区域只能保证100米左右的有效传输距离。井下视频无线传输时,可采用外接高增益天线以增大wifi发射信号功率,或无线网桥/无线中继的方式来延长wifi信号有效传输距离。

2 Wimax技术

Wimax全称为Worldwide Interoperability for Microwave Access,即全球微波互联接入,它以IEEE 802.16标准进行无线通信。

Wimax又叫做无线城域网,它与wifi技术的最大区别在于覆盖范围大,Wimax的发射功率高,其基站覆盖范围通常可以达到几公里;它以OFDM(正交频分复用)技术为核心,有TDD和FDD两种工作方式。

Wimax目前所能提供的最高传输速率为70Mbps,而其理论上最高速率可达324Mbps。Wimax技术的传输速率及有效传输距离均优于wifi,但其抗多径干扰能力不如后者,且Wimax目前尚缺乏完整的网络规范和标准体系,仅在美国有较广泛的应用,其商用设备种类较少、价格昂贵。

3 3G技术

3G(3rd Generation)第三代移动通信技术,主要包括TD-SCDMA,WCDMA和CDMA2000三种标准,其主要特点是适用于高速移动环境下的无线通信,发射功率高覆盖范围广,但其传输带宽较窄,在无线视频监控应用中,仅能适应一些分辨率较低的视频信号传输。

4 4G技术

4G(4th Generation)第四代移动通信技术,主要包括FDD-LTE和TDD-LTE两种标准,在高速移动环境下可提供远高于3G的无线传输速率,同时其抗噪声和干扰的能力也更强,数据质量更好。4G技术的主要特点是网络结构高度可扩展,它以OFDM(正交频分复用)和MIMO(多入多出)技术为核心。

4G技术目前可在20MHz频谱带宽条件下提供下行100/150Mbps与上行50Mbps的峰值速率,其缺点在于终端设备商用的普及程度还不高,价格昂贵且功耗较大。

5 结论

几种常用的无线传输技术对比如下。

wifi Wimax 3G 4G
技术名称 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
频段 2.4GHz 2-11GHz 2GHz 2GHz
信道宽度 20MHz 20MHz 10MHz 2.5MHz 1.6MHz 20MHz
调制方式 CKK、OFDM OFDM CDMA OFDM
时延
优点 应用最成熟,成本低,可灵活组网,抗干扰能力强 覆盖范围大,传输速率高 应用较成熟,覆盖范围大 覆盖范围大,传输速率高,抗干扰能力强
缺点 发射功率受限 商用程度低,产品少且昂贵,抗干扰能力不如wifi 传输速率低,更适用于移动通信 商用程度低,产品少且昂贵,更适用于移动通信

通过上表的对比,笔者选择wifi技术来进行综采工作面无线视频监控系统的开发和设计,它主要具有以下优点:

  1. 采用标准11通信协议,可便捷地接入井上/井下以太环网,不同监控地点的工作人员均可随意调阅工作面视频;
  2. 扩展性强,基于wifi的无线手机、定位装置、无线网络摄像头、无线传感器等终端将来均可接入此系统,提高了系统的可用性,实现多网合一;
  3. 提高检修效率,可快速定位故障点;
  4. 传输带宽、速率能满足井下视频监控需求,且具备较好的抗干扰能力。

无线视频监控系统设计

无线视频监控系统一般由三部分组成,包括前端视频采集设备、无线传输设备和视频终端设备。笔者设计的综采工作无线视频监控系统如下图1所示,主要设备包括:本安型wifi无线网络摄像仪、矿用隔爆兼本安型基站(含无线接入设备和网络终端)、矿用隔爆兼本安型网络交换机、矿用隔爆兼本安型视频主机等。摄像仪采集的支架、采煤机等设备视音频图像信号经压缩编码后,由天线无线射频发出,沿工作面布置基站,接收无线视频信号并将其接入工作面以太环网,最终由视频主机完成视频信号的解码、存储、显示、分发调阅等。

无线设备标称的发射功率通常受限,在井下覆盖范围只有十几米甚至更小,为实现全工作面视频信号的覆盖,可采用外接高增益天线、放大器,或无线网桥/无线中继的方式来延长wifi信号有效传输距离。

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1、本安型wifi无线网络摄像仪

无线网络摄像仪部署于采煤机、液压支架处,用于采集采煤机和支架的实时工作视频图像,并将视频信号无线射频发出;考虑到井下特殊工作环境,设备的发射功率、体积、工作带宽等均受限,因此笔者对本系统使用的摄像仪进行了改进设计,基于ARM+DSP的嵌入式结构,其主要性能参数如下:

  1. 采用264/AVC视频压缩编码,可根据网络情况自适应地调节传输率,支持在误码、丢包多发环境中的传输;
  2. 视频传输协议支持TCP和UDP;
  3. 数据传输方式支持单播、组播和广播传输;
  4. 视频码率16 kbps-4 Mbps连续可调,帧率1-25 (PAL)或1-30(NTSC)fps连续可调;
  5. 视频分辨率为D1,向下支持CIF、Half D1格式,支持726/G.711音频编码,无线传输方式为802.11b/g/n。

本安型摄像仪满足煤矿井下安全生产要求,由本安主板防护机壳,本安摄像头红外照明LED防护壳体、射频接收发射调制解调与cpu、逻辑控制部分和音视频处理PCB主板、触摸开关、电池等部分组成。

2、矿用隔爆兼本安型基站

矿用隔爆兼本安型基站由无线接入设备(AP)和网络终端组成。AP是实现视频信号无线传输的核心设备, AP是井下无线局域网络中有线、无线网络之间的桥梁,由一个无线输出口和一个有线的网络接口(802.3接口)构成。本系统中根据井下无线信道带宽设计每个AP最多可接入8个无线网络摄像仪的信号,通过AP实现工作面视频信号的全覆盖,解决了井下狭窄环境中通信电缆架设困难的问题。

AP的主要性能参数如下:

  1. 传输方式:802.11b/g/n;
  2. 工作频率:4±O.08GHz;
  3. 发送功率≥-50dBm;
  4. 接收灵敏度≤-70dBm。

网络终端为工作面以太环网的通信节点,将视频信号接入以太网进行传输,同时网络终端还具备协议转换功能,可将工作面其它基于RS485、CANbus等的数据统一接入以太网。

3、矿用隔爆兼本安型视频主机

视频主机用于对工作面无线摄像仪和无线传输设备等的监控管理,以及对工作面视频的显示、存储、分发调阅等,本系统的视频主机设计主要包括软硬件两个方面:

  1. 软件:客户端软件采用C/S架构,支持多用户同时访问和多级用户密码权限管理,不同权限的用户登录后,可分别进行视频调阅、管理、分发等操作;视频监视软件为九分屏设计,通过视频拼接可实现对采煤机完整的跟机监视,用户可操作性很强。
  2. 硬件:视频主机的硬件部分主要由数据处理主板、视频服务主板、解码板、显示器等组成,可实现264视频解码、视频存储管理、分发调阅、视频画面拼接等,内置2TB本地硬盘存储空间,可对D1分辨率视频图像进行10天以上的本地保存。

井下系统测试

我国薄煤层资源丰富,分布广泛,储量占全国煤炭储量的20%,尤其在我国的西南地区煤矿,其煤层赋存条件差、开采作业空间狭小、通风安全保障难度大、技术装备水平落后等问题严重影响薄煤层煤矿的开采,难以实现低成本、安全、高效、规模化开采[9]。使用无线视频监控系统可大大减小采煤工人工作的劳动强度,使采煤工人可在顺槽中心处进行远程监视与操作,本系统在重煤韦家沟煤矿进行了井下工矿适应性测试,在采煤机和液压支架的合适部位安装无线摄像仪,实时监视其工作状态,无线系统监视性能良好,监视画面清晰可辨,系统截图如下。

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在煤矿井下环境中,采用无线网络视频监控系统可以减少通信线缆的布置及接线工作,利于摄像仪的灵活摆放和移动,降低系统的成本和施工难度,提高监控系统的稳定性,可实现便捷的组网和系统扩展。此外,由于wifi协议的通用性和统一性,无线视频系统将来还可支持基于wifi协议的手持主机、通信设备、无线传感器等的接入,实现多网合一,大大提高煤矿综采系统的集成度。

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