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智能视频分析在煤矿安防中的应用

智能视频分析技术从20世纪90年代初开始出现，到现在经过了几个阶段的发展已逐步趋于成熟，其中技术发展一直走在前列的要属美国、英国和以色列。在几年前智能视频分析还是安防界的神秘宠儿，安防同仁对其知之甚少，几年以来，随着国内各类展会的大力宣传，特别是在国内一些重大工程上的应用，人们逐渐揭开它神秘的面纱， 现在国内一些对安保要求较高的环境都会优先采用智能分析产品。
智能视频分析国内称之为智能视频监控（IVS，Intelligent Video Surveillance）而在国际上称之为视频内容分析(VCA，Video Content Analysis),其原理都是一样，均源自计算机视觉CV（Computer Vision）技术。计算机视觉技术是人工智能AI（Artificial Intelligent）研究分支之一，它能够在图像及图像描述之间建立映射关系，从而能够通过数字图像处理和分析，来理解视频画面中的内容。如果把摄像机看作人的眼睛，则智能视频分析的处理设备就可以看作是人的大脑。二者的结合就成为智能视频监控，智能视频监控是结合对运动目标的智能跟踪与识别技术，采用背景减除和模式识别的原理和方法对视频中的运动物体的进行检测和识别，然后进行跟踪，并记录下各个物体的运动轨迹（在视频中标出）和运动信息（包括大小，速度，方向等），再实时分析这些运动和事先定义的报警规则是否吻合，从而给出报警提示，进行人工干预处理。
近年来，随着我国经济的高速发展，国家对能源的需求也日益增长，作为主要能源之一的煤炭一直国家能源的支柱，可是历年以来，矿难事故频发，人员伤亡和经济损失严重，煤矿安全已经成为我国经济发展中的热点和难点问题之一，在矿难频发、安全监管压力升级的情况之下，中国煤矿对安防的投资力度逐渐加大。在这个特殊的行业，作为高端安防技术的代表——智能分析产品也将在煤炭安防领域转露头角，智能监控的应用将为煤矿安全提供更加有力的保障。
一、 煤矿斜井概况
河南平煤集团公司共有煤矿十三个，斜井最作为矿井物料通道和人行通道的必须设施，其安全运行至关重要。斜井全长有1200多米，坡度在30-45度之间，主通道是料车通道，旁边是人行通道，料车通道禁止矿工通行。装料车长3米，宽1.5米，重约3-5吨，下行依靠自身重力沿斜坡轨道下滑，上行则是依靠大型绞车拖动钢丝绳拉动提升。斜井主通道与8个采煤面弯道相连，拐弯处为人工扳道，绞车操作工通过电话与下面8个弯道的同事沟通来确定装料车的运行工况，同时绞车上有一个刻度盘来显示料车的大概位置。此次智能监控的目标即是实现斜井通道的运行安全，利用智能分析设备的预警功能，确保在装料车运行时及时语音提示矿工离开物料通道，保障车行通道和人行通道的安全。

二、 智能监控系统需求
煤炭生产的各个环节都是非常重要，其中斜井通道煤矿是井下运送工程器材和矿工上下班（采煤面至交通车）的必经通道，矿工经常与物料车在这个区域交汇，发生危险的概率更高，因此成为此次智能监控的重点。在之前，由于绞车操作工无法看到实际的情况，导致运行效率低下，料车撞人的情况时有发生， 为保障员工上下班安全和提高生产效率，集团领导决定在煤矿斜井通道建立智能监控系统。
1、 集团下属13处煤矿，分布在不同的区域，每个煤矿斜井通道全线安装防爆摄像机8台，均安装在岔道口与直行交汇的上行方向位置，要求能看到直行通道和岔道口的全景视频，不留死角。
2、 在绞车房操作台的正前方安装2台21寸液晶监视器，加装防爆外壳，8路视频分割显示在2个监视器上，绞车操作工需要通过实时视频和对象运动轨迹来了解绞车的运行工况和矿工的活动状况，准确控制绞车运行。
3、 绞车房后面是绞车动力机电房，是井下区段线缆交汇的地方，按要求智能分析设备必须安装在机电房内，并且需要加装符合煤炭安监标准防爆机箱。（煤安认证矿用隔爆型机箱标准：全钢密封型构造，密封性能好，并且防腐、防尘、防水，整体结构须通过煤安隔爆等级认证D级标准）。
4、 物料车在运行过程中需要掌握运行工况，需要在铁轨上安装状态传感器并且与智能分析设备联动工作，因此需要工业PLC控制系统，接收来自智能设备的DO输出信号和传感器信号，并作出相应的动作和发出语音信息。
5、 智能视频分析技术特点
经对比测试多家智能分析设备，最终确定优迪数码智能分析盒，该设备
采用了美国德州仪器（TEXAS INSTRUMENTS）达芬奇（DAVINCI）DM6446双核 DSP处理方案，支持3种（H.264\MPEG4\MJPEG）编码格式并且将智能视频分析算法完美的结合到硬件DSP 里面，所以优迪的智能分析设备能在硬件中完成视频编码和智能分析，从而大大减轻了监控系统中央处理器的负担。因其硬件稳定功能强大，智能分析算法优秀，设计简约,操作便捷，报警准确而在国内多个重点智能监控项目中使用。
1、 硬件功能强大，支持3种（H.264\MPEG4\MJPEG）编码格式，支持实时双码流，支持双向语音，支持WIFI无线传输，支持国际标准的数据流传输协议，提供完整的SDK开发文件，便于客户做系统集成和监控平台对接。
2、 算法优秀：来自优迪英国VCA研究所的智能分析图像处理算法,能很好的辨别不同环境中监控对象的行为，如目标穿越警戒线，进入、离开、出现、消失于预定区域或者在预定区域内徘徊、停止、尾随以及遗弃包裹、不按规定方向、速度行走时，智能分析设备都会发出报警信息。该产品的高级智能追踪引擎可以连续追踪移动或静止的物体,并且自动适应各种复杂的检测环境, 例如场景光照变化、摄像机抖动、树枝摆动干扰、水纹干扰都不会影响智能分析设备正常工作等。
3、 设计简约：系统设置简单,即插即用,用户通过WEB界面可以方便快捷的添加多个检测区域,设置各种报警规则,当对象触发预先设置的警报规则，系统会自动产生实时报警信号,在模拟视频输出端叠加分析后的信息，移动的对象会被跟踪，使画面更加直观，极大的降低了监视人员的劳动强度，同时提高劳动效率,轻松的实现视频监控智能化。

4、报警准确：整套系统高度集成，采用高性能芯片结合公司严谨工艺生产的硬件和多年厚积薄发的优秀算法，精心制作的智能分析设备，通过英国内政部下属Home Office 权威检测机构最严格的测试，综合各项性能指标，到达了95.3%的检测正确率，符合英国政府采购要求标准。
三、 智能视频监控的特点
经对比测试多家智能分析设备，最终确定优迪数码智能分析盒，该设备
采用了美国德州仪器 （TEXAS INSTRUMENTS）达芬奇（DAVINCI）DM6446双核 DSP处理方案，支持3种（H.264\MPEG4\MJPEG）编码格式并且将智能视频分析算法完美的结合到硬件DSP 里面，所以优迪的智能分析设备能在硬件中完成视频编码和智能分析，从而大大减轻了监控系统中央处理器的负担。因其算法优秀，设计简约,操作便捷，报警准确而首次在煤矿斜井智能监控项目中使用。
1、 算法优秀：来自优迪英国VCA研究所的智能分析图像处理算法,能很好的辨别不同环境中监控对象的行为，如目标穿越警戒线，进入、离开、出现、消失于预定区域或者在预定区域内徘徊、停止、尾随以及遗弃包裹、不按规定方向、速度行走时，智能分析设备都会发出报警信息。该产品的高级智能追踪引擎可以连续追踪移动或静止的物体,并且自动适应各种复杂的检测环境, 例如场景光照变化、摄像机抖动、树枝摆动干扰、水纹干扰都不会影响智能分析设备正常工作等。
2、设计简约：系统设置简单,即插即用,用户通过WEB界面可以方便快捷的添加多个检测区域,设置各种报警规则,当对象触发预先设置的警报规则，系统会自动产生实时报警信号,在模拟视频输出端叠加分析后的信息，移动的对象会被跟踪，使画面更加直观，极大的降低了监视人员的劳动强度，同时提高劳动效率,轻松的实现视频监控智能化。

3、报警准确：整套系统高度集成，采用高性能芯片结合公司严谨工艺生产的硬件和多年厚积薄发的优秀算法，精心制作的智能分析设备，通过英国内政部下属Home Office 权威检测机构最严格的测试，综合各项性能指标，到达了95.3%的检测正确率，符合英国政府采购要求标准。
四、 智能视频监控功能的实现
1、 视频采集
视频采集作为智能分析的前端视频采集设备，也是将井下主要生产环节、重要设备及关键场合的实时图像传送到煤矿调度指挥中心和矿领导办公室的最直接手段。可使调度指挥人员和煤矿领导能够直观、快捷地了解生产一线情况，掌握井上下重要设备的实时工况，利用安防监控系统，地面或中心监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，同时，通过在井下安装的监控设备，能及时发现事故的征兆和苗头，排除隐患，防患于未然，也能为事后救援和分析提供有关的第一手影像资料，为将来的安全生产提供可靠的保证。因此，视频采集系统是现代煤矿安全生产智能监控系统的重要组成部分。
由于我国煤炭资源储藏条件和开采条件比较差，地下矿占95%矿井距离地面几百米，甚至一千多米，井下环境极其复杂，光照度很差，而且环境灯光变化频繁（矿工矿灯在行进中经常会照射到摄像机），又加上在易燃易爆的危险环境应用，因此在矿井下选用摄像机需要符合特定的标准，本次视频采集设备采用的裕华的煤炭本安摄像机，具体参数如下：
a、 机械指标:采用304不锈钢材质，防护等级达到IP65, 视窗采用坚固的钢化平板玻璃, 视窗厚 度8mm ，直径50mm，整机重量8kg，设出线孔2个，可以云台安装或者固定支架安装
b、 电气指标：输入电压 ：127VAC, 50/60Hz 输入电压范围   -20%~+10%
工作电流 ≤0.5A 功耗 ≤30W
C、摄像机指标：   支持 NTSC, PAL制式，2:1隔行扫描 1/2″ CCD图像传感器
复合视频输出，1Vp-p，75Ω 清晰度 570线
最低照度  0.0003Lux，F1.4 信噪比  46dB    内同步系统
d、认证标准：防爆标志   ExdⅠ 煤安标志号        MHB070011

2、存在规则
存在规则检测是指在规划的区域或者防线内，有对象发生进入，离开，出现，消失等动作时，都会被触发报警，在斜井通道的摄像机可视范围内，我们在物料通道建立第一个防区，启用存在规则，在检测的下拉菜单中选择检测，在包含选项的下拉菜单中选择包含，在包含对象分类的下拉菜单中选择人（person），这样的设置就是在物料通道中，只对人的存在发出报警，而物料车通过时则不会发生报警。当物料车在运行过程中，有矿工试图进入物料通道，智能分析设备检测到存在规则，在1秒钟内会在事件输出端DO1输出开关量信号送给PLC，PLC通过获取轨道传感器信息判断物料车运行状况后，经逻辑处理确认后，立即驱动扬声器发出语音报警信息，阻止矿工进入物料通道，避免了事故的发生，如果PLC在获取开关量信息后，没有检测到物料车的运行，则PLC不会驱动扬声器发出报警声音，矿工可以安全通过，但在监控视频上依然可以看到该矿工触发存在规则，并在事件信息列表中显示进入和离开的时间。

3、徘徊规则
徘徊规则是指在规划的区域或者防线内，对象滞留一定时间而不离开防区的一种行为。当对象在规划区域或者防线内滞留的时间达到我们自定义时间（1秒—3600秒）后，智能分析设备就会发出报警。我们还是在物料通道使用同一个监测区域，启用徘徊规则，在检测的下拉菜单中选择检测，在包含选项的下拉菜单中选择包含，在包含对象分类的下拉菜单中选择人（Person），在时长选择栏中输入5，单位是秒，这样在物料通道在如果有矿工滞留超过5秒，智能分析设备检测到徘徊规则触发，在1秒钟内会在事件输出端DO2输出开关量信号送给PLC，PLC接收到DO2输出的开关量信号后，无需经逻辑运算，直接驱动扬声器发出报警，通知矿工迅速离开。
4、遗弃物检测（停止规则）
遗弃物监测是指在规划的区域或者防线内，有东西跌落或者人为放置物品在防区内超过一段时间的行为。物料车在运行过程中难免会有物件跌落的现象发生，甚至有矿工坐在路轨上休息，如果物料车突然下行，这些行为都会造成灾难性后果。我们在物料通道和人行通道建立第二个防区，启用停止规则，在检测的下拉菜单中选择检测，在包含选项的下拉菜单中选择不包含，在不包含对象分类的下拉菜单中选择车（Vehicle），在时长选择栏中输入5，单位是秒，这样在物料通道和人行通道如果有物料跌落或者矿工停下来休息超过5秒，智能分析设备检测到停止规则触发（物料车的停止不会被触发），在1秒钟内会在事件输出端DO3输出开关量信号送给PLC，PLC接收到DO3输出的开关量信号后，无需经逻辑运算，直接驱动扬声器发出报警，通知相关矿工迅速排除轨道上的遗弃物，保障轨道畅通运行，同时在防区的休息的矿工听到报警信息后迅速离开。

五、 智能视频监控系统的管理
1、 绞车智能视频监视
智能分析盒采用模拟和数字信号同时输出，不需要另加解码器，模拟信号由智能分析盒的VIDEO OUT BNC口输出送到液晶监视器，显示前端视频信息，由于智能分析盒的模拟输出信号叠加了VCA 信息，当有矿工通过视频画面的时候，就会立即被跟踪，并用黄色的方框提示，一旦进入规划的防区，黄色的方框立即变成红色，绞车操作工根据报警的提示快速的了解现场情况，正确操作机器，达到提高工作效率的目的。
2、 煤矿监控中心的管理
数字信号由智能分析盒的RJ45接口输出，连接16口局域网交换机，网络交换机与矿井主干网络连接送到煤矿监控中心，监控中心有独立的监控服务器进行管理。客户端软件具备以下功能：
A、支持实时预览和回放,可分别显示在两个监视器上
B、支持在监视器上进行多种操作 (现场监控、通道设置和录像回放)
C、支持多种录像方式(智能分析，运动检测、传感器、持续和计划)
D、支持移动侦测和智能视频分析报警时发送电子邮件/短信通知
E、支持任何事件发生，均自动语音提示，通知报警
F、支持终端和I / O设备集成、系统日志，及时的音频流和通道记录
G、支持AVI文件或低数据文件备份(支持在其他装置上存储特殊文件)
H、支持通过鼠标拖拽屏幕和显示位置
I、支持同时搜索和回放,方便快捷
J、支持多级用户帐号登录和密码保护

3、煤矿集团监控中心
集团下属13个煤矿均通过专网与集团中心监控机房连接，集团监控中心设有独立智能分析监控服务器来管理13个矿井的斜井通道运行工况，中心管理软件出具备客户端的基本功能外还增加以下功能：
A、中心软件支持最大连接1024路,
　　B、支持多站点同时监控64路 (双屏显示器可以到达128路)
　　C、支持PDA监视
　　D、中心管理支持双监视模式(多站点/单站点)
　　E、实时远程监控图像和声音
　　F、远程保存图像和声音
　　G、支持远程打印保存的图片（连续地打印）
　　H、支持远程云台及报警装置的控制
　　I、支持远程管理和有效设置
　　J、支持双向语音通讯(DVR—远程)
　　K、支持独立通道传输图像质量和流量控制
　　L、支持用户输入有效身份和密码后进行连接和控制权限管理
4、文件管理
A、快速搜索指定时间的图片
　　B、快速便捷的搜索功能(缩略图，事件列表)
　　C、多通道同步回放
　　D、图片和音频回放
　　E、回放速度可变
　　F、搜索运动侦测—在运动侦测图片库中保存特定的图片
　　G、保存和打印搜查到的图片
　　H、备份(AVI、源码流格式的文件)
　　I、支持关键词搜索
　　J、在事件列表中直接搜索图片和视频

六、 结束语
智能视频分析技术较之普通的监控技术最明显的三个优势在于：快速的反应时间 - 毫秒级的报警触发反应时间；更有效的监视 – 安保操作员只需要注意相关信息；强大的数据检索和分析功能，能提供快速的反应时间和调查时间。智能视频分析技术能够做到一些我们人类目前还无法完成的功能，它是一个非常良好的辅助监控手段，虽然实现完全无人值守尚需时日，但是值得我们关注的是，通过使用智能视频分析技术，已经能够对相当多的基本行为进行识别和判断，对减轻监控人员的工作强度，提高监控质量已经起到了革命性的变化。
在煤矿井下环境中各种意外的情况随时都可能发生，单单依靠监控中心操作员的眼睛是不足以完全及时知晓，在一些重点的区域增加智能分析监控就显得尤为重要，这次智能分析技术煤矿斜井智能监控项目中的应用，将事故的苗头及时发现并发出语音报警提示矿工离开危险区域，有效避免事故的发生的同时也提高了生产效率。当然井下像这样类似的区域还有很多，如果都装上智能分析报警系统，将一个个事故隐患及时化解，就可以大大降低事故发生的概率，真正做到生产安全，让高科技产品体现出真正的价值。