基于系统集成的工作面智能监测平台开发

引言

煤巷掘进工作面既是煤炭生产的重要现场也是进行生产安全防护的核心区域。一方面生产现代化等新技术、新设备、新手段不断革新给矿山生产带来了新的机会，也给煤炭生产的安全防护带来了新的挑战，同时也存在着新的安全隐患。因此，需要针对掘进工作情况对监测与安全预警展开研究，开发相应的工作面智能监测与安全预警系统。以实现由系统集成的角度对采掘工作面进行实时监测和安全预警，以提高生产安全性，降低劳动强度，形成完整的管理体系。

1. 工【面监测与预警需求

解决煤矿巷道掘进作业监测预警问题，可从监测、预警两部分出发。实现工作面数据监控是首要解决的问题，也是构建监测与预警系统的关键。

结合具体的掘进工作面作业的环节，需要从掘进、空顶作业环节和皮带机堆煤等监测与安全预警的要求出发。

首先围绕掘进作业的掘进距离确定采用的是以人工为主的测量方法。具体测量的准确度主要依靠操作者的经验结合测量仪予以保证。而反观这一测量方式存在测量精度低、测量实时性差等降低测量工作质量，影响施工进度的不足。

为此有必要结合新技术、新手段的发展方向，以成熟的技术为基础，面向矿山远距离测量实施自动测量、智能测量和精准测量。以保证测量及时、准确，保证矿山生产的安全。同时也降低矿山测距操作人员的工作强度，提高监控人员对采掘工作面生产工况的安全性把控。

此外，空顶作业的相关检测和安全预警工作目前也主要依靠人工保证，而这种方式往往有管理人员达不到指定岗位、员工安全意识不强等原因导致监控不到位。

通过开发相应的监测和预警系统，以实现人员违反规定和进入空的屋顶面积可以发现,安全报警形式不仅包括声光等多种报警形式，同时也能够顺利地将警报信息通过网路迅速地传递到地面监控界面。

对于皮带机堆煤监测与安全预警，传统的安全预警由于多采用接触式的传感器，容易发生误报的现象。同时接触式的传感器也容易受到采掘工作面复杂工况的影响。而采用基于视觉传感的方式可以有效地解决这一问题。

2. 监测系统硬件设计

煤矿巷道掘进工作的智能监测和安全预警系统不仅需要确保视频图像实时传输和高质量，也需要实现自动化。

结合系统硬件监控及预警需求，对监控预警系统进行了总体设计。监测预警系统结构如图1所示。该系统包括：图像采集、数据传输、数据处理、安全报警、数据存储、显示等。

结合上图，图像采集包括矿井无线摄像机、矿井安全网络摄像机、直流稳压电源;数据传输部分，包括网络交换机、NF8460M3服务器;画面存储与显示通过波形AS530N工业计算机及存储系统，调度控制中心的屏幕系统实现。

3. 监测系统软件设计

在系统硬件设计的基础上，结合系统需求与总体设计中关于智能检测与安全预警功能的要求，细化到系统软件设计上。具体的，系统软件需要具备工作现场的图像、声、光等媒体形式的采集、预处理、处理与采集信息的筛选与控制、存储于显示等功能。

如图2所示，作业面图像采集的流程，视频图像采集，获取单帧图像;之后通过去噪、基色变化、锐化等算法完成图形信息的预处理，再通过信息接口的传输，结合矿山生产安全隐患与安全预警要求对声光、图形信息进行分析、筛选和显示存储，最终显示在监控界面。

具体地，在完成采掘工作面采集图形信息的基本参数设置后，完成整个信息通路的连接。随后启动系统，通过采集程序与显示软件在监控界面窗口显示。

而在系统中的图像采集与显示一方面是为了能够及时、随时掌握采掘工作面的实时工况，另一方面也是在工况显示的同时安全预警系统能够通过采集设备和图形显示设备读取生产设备状态参数，分析安全状态，及时有效地反馈安全预警信息、界定安全级别，捕获不安全因素。

此外，系统也需要能够鉴别采集图像的连续、完整，图像采集是后续工作正常开展的关键，为此系统有必要在正常流畅地捕获图像时，继续进行采集、传输、分析、处理等环节的作业。

由于场景环境和数据传输设备的复杂性，在传输过程中，环境对数据的影响，导致实际采集到图像难以达到后续处理的基本要求，而需要容错地将图像进行重新编译以满足后续分析的要求。具体如图3。

最后，信息的存储主要通过SQL数据库完成对采掘工作面所采集的各类信息进行储存，其所具备的安全、高效、便捷的特征也使得整个数据的存储、维护工作能够顺利开展。具体流程图如图4所示。

4. 工程实践

带式输送机的卸煤监控摄像头安装其正上方距离煤孔4m左右的位置，其正对着卸煤孔，这样能够及时有效地监控运行情况。此外安全预警信息通过安装在现场的无线公放无线传递，保证工作人员及时收到报警信号，将收到的煤堆交给工作人员相应处理。

安装硬件后进行软件调试，首先需要设置报警限位，判断煤堆现象发生的标准。当输送带拥堵，卸煤孔堆积过多杂物时，安全预警系统采集信号并响应，提示地面监控人员上报和处理。

摘要：虽然我国的能源结构已经发生了变化，但煤炭依旧占有重要的地位。在煤炭生产中工作面的安全依旧面临着严重的考验，需要强化对工作面安全监控方面研究。为此，本文从实际需要出发在分析了掘进作业、空顶作业、皮带机堆煤等环节的监测与预警要求后，从硬件和软件两个角度开展基于系统集成的工作面监测与安全预警系统。对监测画面的采集、处理、存储和显示做了详细设计，最后进行了实际监测，结果表明该系统作业画面的采集和显示功能正常。

关键词：掘进,安全监测,硬件设计,工程应用