礦井工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)集成技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)

1、科技進步獎申報書成果名稱全光纖結(jié)構(gòu)礦井工業(yè)電視監(jiān)控集成技術(shù)研究與應(yīng)用主要完成者崔常興、曲培臣、翟慎峰、于建正、周秀君、侯立民、董文杰申請獎勵等級科技進步一等獎成果內(nèi)容簡介梁家煤礦工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)集遠程光纖傳輸技術(shù)、以太環(huán)網(wǎng)接入技術(shù)、計算機遠程控制技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)、矩陣切換技術(shù)、大屏幕顯示技術(shù)于一體，實現(xiàn)了全礦井多套工業(yè)電視系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)的集成，該項集成技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)，具有極高的應(yīng)用與推廣價值。系統(tǒng)實現(xiàn)了選煤廠電視監(jiān)控系統(tǒng)、主副井工廣電視監(jiān)控系統(tǒng)、井下電視監(jiān)控系統(tǒng)、文化長廊電視監(jiān)控系統(tǒng)、指紋考勤電視監(jiān)控系統(tǒng)及選煤廠大屏幕顯示系統(tǒng)、調(diào)度大屏幕顯示系統(tǒng)、集控中心大屏幕顯示系統(tǒng)的綜合集成，實現(xiàn)

2、了全礦井工業(yè)電視視頻信號的集中顯示與遠程監(jiān)控，通過礦信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)視頻圖像的遠程傳輸。系統(tǒng)井上井下共安裝122個工業(yè)攝像頭，在國內(nèi)率先將工業(yè)攝像頭安裝到采煤工作面，該系統(tǒng)在礦井安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮、綜合自動化遠程集控工作中發(fā)揮了重要作用，系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模及技術(shù)均達到了國內(nèi)一流水平。所在單位鑒定意見 所在單位(章) 負責(zé)人簽字(章) 年 月 日 評比小組評比意見 組長簽字(章) 年 月 日備注全光纖結(jié)構(gòu)礦井工業(yè)電視監(jiān)控集成技術(shù)研究與應(yīng)用一、礦井工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)概論  隨著數(shù)字信息時代的到來，數(shù)字化高新技術(shù)產(chǎn)品日益增加和完善。各行業(yè)為了提高和完善生產(chǎn)、管理水平和增加競爭性，都爭先采用完善的高新

3、技術(shù)產(chǎn)品，礦井數(shù)字化電視監(jiān)控系統(tǒng)就是信息時代的產(chǎn)物之一。礦井工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用于礦山工業(yè)生產(chǎn)和管理范圍的電視監(jiān)控系統(tǒng)，區(qū)別于一般工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)，其設(shè)備和傳輸線纜必須具備防爆或本安、防塵、防潮、阻燃等特點，以適應(yīng)礦井的惡劣環(huán)境。系統(tǒng)通過分布在地面生產(chǎn)系統(tǒng)、工廣、井下皮帶、運輸大巷、機電峒室、采煤工作面等各個生產(chǎn)地點的攝像機，將視頻信號實時傳輸至控制中心，通過顯示設(shè)備可以直觀地監(jiān)視（可視）整個礦區(qū)中各重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)和設(shè)備，對被監(jiān)視場所的情況一目了然，又由于它具有只需一人在控制中心操作就可觀察許多區(qū)域，甚至遠距離區(qū)域的獨特功能，被認為是達到全礦井自動化之必須手段，利用它可以大大減少不必要的人力，

4、在某些地點可實現(xiàn)無人值守，進而達到安全高效生產(chǎn)的目的，為管理人員提高質(zhì)量管理、指揮生產(chǎn)、正確決策提供重大依據(jù)，也是礦井安全生產(chǎn)、綜合自動化控制的重要保障。二、礦井工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)組成工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)一般由圖像采集、圖像傳輸、圖像顯示和系統(tǒng)控制四大部分組成。系統(tǒng)組成框圖如下所示。圖象顯示圖象切換圖象傳輸圖象采集控制中心解碼驅(qū)動控制鍵盤及網(wǎng)絡(luò)分控圖像采集部分是監(jiān)控系統(tǒng)的前沿部分，是整個系統(tǒng)的“眼睛”，包括攝像儀、光發(fā)射機、電源、云臺等設(shè)備。圖像采集設(shè)備的功能主要是完成目標景物到圖像信息的轉(zhuǎn)換，其物理變化是一個光電轉(zhuǎn)換過程，在這個轉(zhuǎn)換過程中攝像器件承擔(dān)了主要任務(wù)，而云臺、鏡頭和其他輔助設(shè)備則完成目標

5、景物的取景、照明和聚焦等功能。從整個系統(tǒng)看，圖像采集部分是原始信號源，因此圖像采集設(shè)備的好壞將直接影響圖像信號質(zhì)量和整個系統(tǒng)的質(zhì)量。圖像傳輸部分是指監(jiān)控系統(tǒng)的圖像信號通路。一般來說，傳輸部分主要是傳輸圖像信號，但同時控制中心要對攝像儀、鏡頭、云臺、防護罩等進行控制，因此還應(yīng)包括控制信號的傳輸。圖像傳輸部分的功能就是把各個圖像采集裝置產(chǎn)生的電信號形式的圖像信息及時準確地傳送到圖像顯示和記錄設(shè)備，實現(xiàn)景物再現(xiàn)。對于圖像信號的傳輸，主要要求在圖像信號經(jīng)過傳輸系統(tǒng)后，不產(chǎn)生明顯的噪聲和失真，保證原始圖像信號的清晰度和灰度等級沒有明顯下降等。在傳輸方式上全部采用光纜進行傳輸。圖像顯示部分一般由多臺監(jiān)視器

6、組成，是圖像監(jiān)控系統(tǒng)面向用戶的終端設(shè)備，主要完成圖像信息的電光轉(zhuǎn)換，在屏幕上再現(xiàn)目標景物的圖像。在由多臺攝像儀組成的圖像監(jiān)控系統(tǒng)中，一般不是一臺監(jiān)視器對應(yīng)一臺攝像儀進行顯示，而是n臺攝像儀的圖像信號用一臺監(jiān)視器輪流切換顯示。由于畫面分割器的應(yīng)用，用畫面分割器把n臺攝像儀送來的圖像信號同時顯示在一臺監(jiān)視器上，把屏幕分成n個面積相等的小畫面，每個畫面顯示一個攝像儀送來的圖像。根據(jù)用戶要求，有的監(jiān)控系統(tǒng)還有記錄設(shè)備。系統(tǒng)控制是整個系統(tǒng)的“心臟”和“大腦”，是實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的指揮中心。系統(tǒng)控制部分的主要功能有視頻信號分配、圖像信號的校正與補償、圖像信號的切換、圖像信號的記錄、攝像儀及鏡頭、云臺、防護

7、罩的控制(遙控)等。對于圖像質(zhì)量影響最大的是放大與分配，校正與補償和圖像切換，經(jīng)過校正和補償?shù)膱D像信號，再經(jīng)分配(或放大)，進入視頻切換部分，然后送到監(jiān)視器上顯示。對攝像儀、鏡頭、云臺、防護罩的遙控，可以實現(xiàn)對被監(jiān)視的場所全面、詳細地監(jiān)視或跟蹤監(jiān)視。設(shè)有記錄設(shè)備的系統(tǒng)，還可隨時把發(fā)生情況的被監(jiān)視場所的圖像記錄下來，以便事后備查或作為重要依據(jù)。三、我礦工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)情況我礦工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時間不一，各個系統(tǒng)相對獨立，根據(jù)建設(shè)時間順序，大體可以分為以下幾個系統(tǒng)。1. 2003年建設(shè)的文化長方廊、指紋考勤電視監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)共安裝11臺彩色攝像儀，信號轉(zhuǎn)輸采用同軸電纜，輸出信號一對一方式直

8、接傳輸至機房視頻服務(wù)器。2. 2004年建成的選煤廠工業(yè)電視系統(tǒng)，該系統(tǒng)共安裝地面彩色攝像儀46臺，輸出視頻信號由視頻光發(fā)射機轉(zhuǎn)換為光信號，通過多模光纜傳輸至選煤廠集控室視頻服務(wù)器及DLP大屏顯示系統(tǒng)進行圖像的存儲及顯示。3. 2004年建成的KJ32工業(yè)電視系統(tǒng)，共安裝地面彩色攝像儀5臺，井下防爆兼本安型黑白攝像儀11臺，所有信號均采用單模光纜傳輸至調(diào)度指揮中心視頻服務(wù)器及DLP大屏顯示系統(tǒng)進行圖像的存儲及顯示。4. 2005年建設(shè)成的皮帶集控井下工業(yè)電視系統(tǒng),共安裝井下防爆兼本安型黑白攝像儀49臺，所有信號均采用單模光纜傳輸至綜合自動化集控中心視頻服務(wù)器及DLP大屏顯示系統(tǒng)進行圖像的存儲及

9、顯示。四、系統(tǒng)集成方案的提出根據(jù)信息化礦井三年發(fā)展規(guī)劃，調(diào)度指揮中心大屏顯示系統(tǒng)、選煤廠工業(yè)電視系統(tǒng)及大屏幕顯示系統(tǒng)、工業(yè)電視（一期）和工業(yè)電視（二期）和集控中心大屏顯示系統(tǒng)的相繼形成，如何將各個監(jiān)控系統(tǒng)進行硬件上的集成，通過一個顯示系統(tǒng)集中顯示，并且利用目前先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建一個軟件平臺，讓每個局域網(wǎng)用戶通過該平臺集中瀏覽，是本項目所要解決的主要課題。工業(yè)電視在各行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用已經(jīng)相當廣泛，技術(shù)也很成熟，但全光纖結(jié)構(gòu)工業(yè)電視集成技術(shù)目前在國內(nèi)比較少見，基本沒有完整的理論和實踐技術(shù)可以借鑒，而我礦工業(yè)電視又具有系統(tǒng)相對獨立，分布范圍比較廣，所采用的設(shè)備多、技術(shù)復(fù)雜等特點，無疑又增加了系統(tǒng)集成的

10、難度。我們主要從一下方面著手開展研究。1.實現(xiàn)硬件上的集成因為前端設(shè)備如攝像儀、光發(fā)射機等設(shè)備型號不一致，采用的傳輸方式也有所不同，無法在底層實現(xiàn)信號的集成，而如果要實現(xiàn)硬件上的集成，就要尋找它們的共同點。經(jīng)研究認為，所有的工業(yè)電視系統(tǒng)信號經(jīng)采集處理后，都轉(zhuǎn)換為制式為PAL/NTSC的VBS全電視信號，集成比較容易，因此確定在工業(yè)電視系統(tǒng)圖像顯示部分和控制部分實現(xiàn)全礦井工業(yè)電視系統(tǒng)的集成，要求在綜合自動化集控中心或調(diào)度指揮中心通過大屏顯示系統(tǒng)能夠切換并查看全部工業(yè)電視信號。2.實現(xiàn)軟件上的集成利用綜合自動化平臺的搭建，將各個系統(tǒng)視頻服務(wù)器接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，通過組建Web服務(wù)，在綜合自動化平臺建

11、立工業(yè)電視鏈接頁面，綜合顯示各工業(yè)電視信號。五、集成方案的實施1.硬件集成集成方案確定后，根據(jù)各系統(tǒng)的施工時間，逐步開展實施工作，隨著調(diào)度指揮中心大屏幕顯示系統(tǒng)的投入使用，首先將副井地面文化長廊、指紋考勤系統(tǒng)的11路信號接入大屏系統(tǒng)視頻切換矩陣；工業(yè)電視一期工程共16路信號，其中副井井下4路與地面5路信號經(jīng)視頻光端機轉(zhuǎn)換為視頻信號后進入視頻分配器，也接入調(diào)度大屏視頻矩陣，主井的的信號由于受光纖芯數(shù)的限制，無法實現(xiàn)一對一傳輸，我們利用目前國際最先進的波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計采購四臺8/1視頻光端機，每臺可以將8路信號通過一芯光纖進行傳輸，將主井選煤廠工業(yè)電視的25路與井下7路共32路信號接入四臺8/1

12、光發(fā)射機，只利用四芯光纖，即實現(xiàn)了32路視頻信號的遠程傳輸，為了確保遠程光纜傳輸不影響信號質(zhì)量，導(dǎo)致信號失真，我們充分利用先進的熔接機和OTDR（光時域反射儀）控制熔接的質(zhì)量，確保每一芯光纖熔接損耗都達到0.00dbm,信號到達調(diào)度室后再轉(zhuǎn)換為視頻信號經(jīng)視頻分配器接入大屏矩陣。集控中心大屏幕顯示系統(tǒng)建成后，皮帶集控二期工程的49路視頻信號全部接入集控大屏視頻矩陣。至此，通過調(diào)度指揮中心大屏幕顯示系統(tǒng)可以實現(xiàn)文化長廊、指紋考勤、工業(yè)電視一期、主井選煤廠共52路信號的切換顯示；通過集控中心大屏幕顯示系統(tǒng)可以實現(xiàn)皮帶集控49路信號的切換顯示。 但根據(jù)生產(chǎn)需要和集成方案的要求，需要從一個大屏顯示系統(tǒng)切

13、換顯示全礦工業(yè)電視信號，而集控中心和調(diào)度室所采用的視頻矩陣都是64路輸入，將彼此信號進行分配接入視頻矩陣顯然端口數(shù)量不夠，如果增加矩陣，成本太高，科研小組再次經(jīng)過設(shè)計，在四樓矩陣的第1路輸出到二樓大屏矩陣的第64路輸入連接視頻線一根（50米），將四樓大屏控制機和二樓大屏控制機用一根網(wǎng)絡(luò)線通過RJ45口進行直連，分別在兩臺控制機上安裝遠程控制軟件，四樓大屏控制軟件界面中增加45路信號列表，查看信號時將二樓第64路切到任意一臺監(jiān)視器或大屏上，再通過遠程控制打開四樓控制界面信號列表，點擊想要查看的視頻名稱即可。從二樓第九臺監(jiān)視器的AV2輸出到四樓矩陣的第1路輸入連接視頻線一根，在四樓將第一路切換到任

14、意一臺監(jiān)視器或大屏上，遠程打開二樓控制機界面，點擊想要查看的視頻名稱再點擊第9臺監(jiān)視器即可。通過整合各個系統(tǒng)的工業(yè)電視信號和改造大屏幕顯示系統(tǒng)視頻矩陣，完成了全礦井工業(yè)電視系統(tǒng)信號的集成，實現(xiàn)了在調(diào)度指揮中心或集控中心切換顯示全礦所有工業(yè)電視信號的目的。（見圖1）2.軟件集成基于已建成的覆蓋井上、下的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，將選煤廠視頻服務(wù)器、工業(yè)電視一期視頻服務(wù)器、工業(yè)電視二期視頻服務(wù)器接入環(huán)網(wǎng)，每臺視頻服務(wù)器可以實現(xiàn)32路視頻信號的顯示與存儲，通過組建Web服務(wù)，在綜合自動化軟件平臺主頁建立工業(yè)電視鏈接，因網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信號占用帶寬太大，我們采取單路讀取的方式，有效避免了帶寬占用的問題，通過點擊軟件平臺鏈接，可以逐路查看工業(yè)電視信號，從而實現(xiàn)了工業(yè)電視軟件的集成。（見圖2）六、利用的技術(shù)及效益情況1. 波分復(fù)用技術(shù)2. 矩陣切換技術(shù)3. 以太環(huán)網(wǎng)接入技術(shù)4. 計算機遠程控制技術(shù)5. 遠程光纖傳輸技術(shù)全光纖結(jié)構(gòu)工業(yè)電視系統(tǒng)的集成產(chǎn)生的效益主要體現(xiàn)在以下兩個方面：a. 通過波分復(fù)用技術(shù)進行主、副井遠距離工業(yè)電視信號的傳輸，節(jié)約了4000米光纜