中小型煤矿视频监控系统的数字化改造

    1 引言
　　
    煤矿井下生产过程复杂，自然灾害多，严重影响生产和人身安全。我国煤矿事故发生率、死亡率数倍甚至数十倍于世界其他国家，其原因有很多，但管理措施不到位和占据安全生产第一要素的人员素质是决定性的主因。因此，加强各级监管、提高人员安全意识和素质将是从根本上改善安全生产落后现状的核心内容。随着信息化技术的发展和进步，自动化程度的提高，部分设备的操作逐步向无人值守方向发展，重要工作地点可视化以及视频信息的存储与共享成为必不可少的安全措施和手段[1]。作为高危的煤碳行业，实行数字化改造，提高煤矿的自动化程度，对减少煤矿安全事故的发生具有重要的意义。
　　
    2 视频监控系统的发展
　　
    视频监控系统的发展基本上是从早期的模拟闭路电视监控系统向数模结合视频监控系统和现在的数字视频监控系统的演变过程，而现在的数字视频监控系统根据技术的发展又分为数字化本地视频监控系统和数字化远程视频监控系统。
　　
    2.1 模拟视频监控系统
　　
    模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加PC 机的多媒体管理和基于PC机实现对矩阵主机的切换控制及对系统的多媒体管理。随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活，与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然存在[2]。模拟监控系统的主要缺点有：1)通常只适合于小范围的区域监控；2)系统的扩展能力差；3)无法形成有效的报警联动，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。要满足更高的要求，数字化是必由之路。
　　
    2.2 数字视频监控系统
　　
    现在市场上数字视频监控系统的类型：数字化本地视频监控系统和数字化远程视频监控系统。
　　
    数字化本地视频监控系统部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式，基于PC 机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等众多功能，使系统结构大为简化。
　　
    数字化远程视频监控系统基于IP 网络，很大程度上改变了安全防范系统的形态，使之从传输介质专用到介质共用（利用各种公共信息网络）；从系统的固定设置到系统自主生成；由封闭的、单一信息系统结构到开放、多信息共享、多信息融合的系统模式。系统将成为可无所不到、开放、可根据各种具体要求自动生成的系统。
　　
    3 系统的组成与结构
　　
    3.1 中小型煤矿视频监控系统的组成
    目前，中小型煤矿装备的视频监控系统绝大多数仍然是模拟电视监控系统，主要由普通防爆摄像机、光端机、视频分配器、视频矩阵、视频分割机和电视墙等组成。采用点对点光纤模拟视频信号传输方式，将井下各监视点摄像信号传输到地面调度室，经视频矩阵切换器，输送至电视墙进行显示。其结构所示。
　　
    3.2 数字化视频监控系统的组成
    该类型系统采用先进的网络技术设备，以网络摄像机、视频服务器、流媒体服务器和分控管理主机为主体。监控中心的构建思路是以分支机构为核心的分散存储方式，同时借助于网络平台，由管理中心来完成集中控制。监控中心设立以下主机、服务器及设备：分控管理主机；流媒体服务器(可选)；前端(采集与视频服务)。其结构组成所示。
　　
    前端设备为视频服务器(简称DVS)，通过输入接口可以和摄像机、云台、报警设备、话筒等连接。前端的主要任务是完成视音频采集、压缩、记录及网络传输,提供现场的开关量报警联动及所有报警信息的上传，同时提供透明通道，支持云台控制及视频信号的在线检测等一系列功能。
　　
    分支机构的监控中心至少设立一个分控管理主机，目的是拥有一个或多个自己的监视与控制平台，其操作权限的设置与认证，以及控制的对象均由管理中心来授权和指定，在管理中心授予最大权限的情况下能实现与主控管理主机相同的最高权限功能。
　　
    设置流媒体服务器实现转发功能，从而缓解网络带宽的压力，流媒体服务器还可以解决多级浏览级联问题，具备很高的先进性和扩展性。基于现有的局域网环境，充分利用已有资源可轻松实现与局域网的连接，使成本降至最低，操作使用简单。
　　
    视频信号处理流程为：前端的任意多台视频服务器响应电视墙管理主机的请求→将需要的画面和语音通过网络实时传输到管理中心的电视墙管理主机→管理主机通过解压卡配合相应软件对这些数据进行解码并完成至AV 的转换(一次同时可解24 路)→可通过软件设置解码输出的画面排列顺序和进行画面切换或轮巡的机制(方式和时间)→最后输出至电视墙→在电视墙上得到最直观的效果。
　　
    4 视频监控系统的数字化改造
　　
    4.1 煤矿现有条件
    现在大多数中小型煤矿已经建立了自己的模拟视频监控系统，采用点对点光纤模拟视频信号传输方式，将井下各监视点摄像信号传输到地面调度室，经视频矩阵切换器，输送至电视墙进行显示。但是随着煤矿生产规模的扩大，视频监视点愈来愈多，相应的矿用光缆芯数大大增加。这不仅提高光缆造价，还大大增加了线路故障的抢修难度和时间，系统的稳定、可靠性也随着光缆芯数的增加而降低。此外，只有在矿调度室才能看到井下生产情况，而相关的领导、业务科室及基层单位不能了解职工在现场操作的具体情况，不能通过系统及时指挥生产，造成信息不能共享，形成生产指挥中的不连续现象[3]。
　　
    4.2 煤矿本地数字化改造
    整个系统主要由以下模块组成：摄像头、硬盘录像机（DVR）和浏览器。摄像头负责视频图像的采集，根据需求，可以配备不同分辨率的；硬盘录像机和摄像头间用标准的BNC视频接口(75R)连接，把摄像头采集来的视频数据进行数字化处理、压缩，发布到网络上，并存储在本地硬盘，以便提供历史回放功能。
    该类型改造只是在原来监控系统的基础上将一部分模拟视频信号经过网络硬盘录像机编码转换成可以进行网络传输的数字视频信号，送入矿区的局域网，将监控点的信息实时地提供给煤矿各部门。这种改造相对比较简单，改造成本较低，基本不会带来监控资源的浪费，比较适合小型煤矿的使用。本土数字化改造的系统结构所示。
　　
    4.3 煤矿远程数字化改造
    前端图像采集设备采用一体化摄像机和球形摄像机，根据需要安装红外等其他探测设备。前端视频处理设备采用DVS，将模拟信号进行模数转换后编码，通过IP 网络发送给系统中的其他模块。
    监控中心采用软件实现，将管理中心、报警主机、主控管理、分控管理等功能根据系统需求和系统规模部署在一台或者数台服务器上，连接到IP 网络中，实现各种管理功能。电视墙管理主机通过在高性能PC 上安装多路硬件解码卡实现视频流的解码，解码后转换成AV 信号后输出，同时亦可实现音频信号的输出。单台主机通过搭载多块视频解码卡可实现同时最多对24 路视频信号的解码和AV 输出；画面具有灵活的排列组合方式和轮巡机制；配套软件支持与前端设备(DVR、DVS)进行双向语音对讲[4]。
    当增加新的监控点时，最好采用网络摄像机，其具有网络功能，可以在井下搭建树形或环形系统，通过一根光缆将视频信号传到井上，可以节约大量光缆，降低系统成本。此外，可提高系统的扩展性。树形系统结构所示。
　　
    5 数字系统与模拟系统的比较
　　
    5.1 传输
    传统的模拟视频监控对距离十分敏感，随传输距离增加，信号很容易出现衰耗(特别是高频衰耗)、畸变、群延时失真等，在漫长的信号传输过程中，很容易受到外来电磁信号的干扰，导致监视画面的杂波增大，并可能由于寄生调幅而使图像被叠加了脉动的或网状的幅度干扰成分，使图像质量严重劣化；而将视频信号数字化处理后，传输距离得到很大扩展，不会由于距离的增加导致信号的衰减，并且数字信号具有很强的抗干扰性，提高了系统的可靠性。
　　
    5.2 存储
    传统模拟视频信号的存储会耗费大量的存储介质(如录像带)，而且视频录像带容易遭破坏或磨损;数字视频监控系统将视频图像记录在视频服务器中的计算机硬盘上，其寿命远大于普通的录像带。其最大优点是，既能保证存储图像的清晰度不受多次复制而遭劣化影响，又能够快速检索到所存储的图像。
　　
    5.3 远程监控
    传统的模拟系统只能实现本地监控，且是单方向的。数字系统将先进的计算机网络技术引人视频监控系统中，极大扩展了视频监控的地理范围，使得异地远程监控成为可能，并且易于统一集中管理。
　　
    5.4 信息检索
    传统的模拟视频监控系统中，记录在录像带上的模拟视频信息不易检索。需要查寻历史图像时，必须反复回放录像带中记录的图像，往往要花费大量时间观看才能找到;而在数字视频监控系统中，视频图像是以数字化方式存储，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在硬盘、光盘中，用户可以完全自动地对监控对象进行永不间断的全程监控，并可利用计算机建立的索引，非常方便地查询任一时间、任一地点的现场资料，在几分钟内就能找到相应的现场记录，方便快捷。
　　
    6 总结
　　
    视频监控系统已经在各行各业获得非常广泛的应用，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，视频监控技术的数字化和网络化已成为未来的发展趋势。本文结合目前中小型煤矿视频监控系统的现状，提出了基于网络的本地和远程数字视频监控系统的改造方案。系统的改造具有节省光缆资源，带宽资源共享、节约投资、设备安全性高、综合建网性价比高等优点，可实施性较强。