引言
煤炭是我国目前以及以后一段时间内的主要能源，所以煤矿产业在我国国民经济发展过程中有着举足轻重的地位，然而煤矿由于事故发生频率高，并且一旦发生事故就会有较高的伤亡情况，因此煤矿行业又是我国公认的高危行业。所以煤矿井下实现无人或者少人作业，是煤矿发展的趋势和必经之路，也是解决当前煤矿事故多发的最佳途径。随着煤炭工业信息化的加速，煤炭生产过程中实现少人作业已经成为了可能。在煤矿生产过程中，综采工作面、掘进工作面、主运皮带巷是整个生产的重要环节，因为综采工作面和掘进工作面是煤矿中最主要的两个工作环节，也是较为复杂、易发生事故的环节，而主运皮带巷主要承担煤炭运输工作，工作强度大，虽然目前针对主运皮带巷的监控有很多数据反馈，但是由于没有良好的视频采集方式，难以形成最直观、最真实的视频数据。因此这三大系统是实现少人、无人工作的关键，同时该系统又相当于无人工作时的眼睛，使得煤矿无人工作的研究更加具有理论意义和实践意义。
刘庄煤矿现安装了一套井下安全生产可视化系统。系统的构成主要包括：由可视化视频分析服务器、监控信息发布子系统、井下声光报警器、可视化人员定位分站、中间基站、可视化摄像头等组成。刘庄煤矿井下共安装90个可视化视频监控探头，系统覆盖井下各主要运输巷道、工作面安拆区域、重点掘进等主要施工地点。可视化系统在我矿井下已经得到广泛的应用，但是综采、综掘工作面的需要经常延伸、回撤等区域的视频监控系统一直没得到大规模的的推广应用。由于4G通信技术不断成熟，本文根据刘庄煤矿目前监控现状，提出了基于4G无线监控系统，并作出了具体阐述。
安全生产智能视频分析系统是一种基于目标行为的智能监控系统，它主要用于自动分析和获取视频源中的关键信息。通过处理视频屏幕中的大数据，根据智能算法库中的相关算法，自动分析当前监控位置的具体情况，并自动发出预警，实现智能视频监控、管理及相关应用。通过使用视觉智能分析技术，可以大大降低安全生产成本，并能够真正实现实时、智能、快速的警告。该系统的实施有助于提高国内煤炭行业安全生产的自动化水平，减少安全事故的发生，节省人力物力。
1 基于4G通信技术的煤矿无线监控系统
1.1 4G无线监控系统总体构架
基于自控的智能操作系统，煤矿地面和井下的4G无线监控系统主要由以下三个子系统组成：
（1）地面调度系统，主要包括网络管理服务器和核心网。核心网络以集中方式部署，并且主要执行诸如无线用户切换和调度之类的功能，并且向外部网络提供用户连接、管理以及作为承载网络提供的接口。网络管理服务器位于信息中心机房中，使用IP网络协议与其他设备相连接，网络管理服务器作为地面调度系统的客户端，能够通过控制面板对系统进行管理与调控。
（2）地面终端，主要由地面基站和基站天线两大部分组成。其作用是调制和解调相关信号（地面射频信号、地面基带信号），处理接收的相关数据并功率放大信号，并且实现驻波检测，与地面信息传输接口实现连接，地面终端主要作用是实现地面无线信号的覆盖。
（3）井下用户终端，主要包括矿用隔爆和本质安全型基站，矿用隔爆和本质安全型数据传输变电站，本质安全型手持式中继终端和矿用防爆本安型无线摄像机。它安装在地下主运皮带巷、掘进工作面和综采工作面，能够完全覆盖井下无线信号，与地面使用工业环网进行连接。
1.2 综采工作面覆盖及数据无线监控
综采工作面的作业环境复杂并且设备较多，液压支架和采煤机在工作过程中没有办法实现实时监控，并且由于作业推进，采煤机、液压支架等会经常前移或拆卸，导致有限传输信号的电缆被破坏，这样来说，有线监控设备不适合部署在综采工作面中。4G无线视频监控系统能够克服综采工作面的这些问题，不会因设备拆卸转移等对视频信号产生影响，综采工作面的无线视频和语音通信是4G系统对接的关键内容；具备以下功能：工作面设备的无线数据收集、液压支架等设备的实时视频传输、以及员工语音呼叫、视频分发、远程监控、危险警告等功能。综采工作面4G无线视频监控系统主要包括以下几个部分：核心基站、无线电远程单元、矿山隔爆本安型无线摄像头和数据采集模块等。通过3台核心基站分别覆盖综采工作面、设备列车顺槽巷以及回风巷进，示意图如图1所示。
图1 综采面4G网络无线监控示意图
1.3 掘进工作面覆盖及数据无线监控
掘进工作面的情况与综采工作面同样恶劣，都存在作业环境复杂并且设备较多的情况，并且在掘进作业过程中，产尘量较大能见度较低。并且在作业过程中，需要掘进机、锚杆机、破碎机等设备来回移动，机车操纵人员由于粉尘较大，存在视野盲区，当相关机车在作业时，会有工人进出，这就给煤矿安全生产带来极大的隐患。而4G无线视频监控系统能够减少事故的发生，大大降低掘进时发生事故的概率。对掘进工作面进行4G信号覆盖，完成此数据监控主要由矿用隔爆兼本安型基站、矿用隔爆兼本安型无线摄像仪以及数据采集模块等设备构成，示意图如图2所示。
图2 掘进工作面4G网络无线监控示意图
1.4 主运皮带巷覆盖及子系统无线接入
在煤矿井下，运输大巷中有很大一部分是平直运输大巷，在平直大巷中，运输材料和检查人员必须能够保持通讯和调度及时；在4G还有普及和发展之前，煤矿井下多采用3G通讯技术，由于3G通讯技术信号有效距离较短，并且宽带容量不乐观，逐渐退出了市场，并且在煤矿中已经很少使用；为了满足煤矿实际的大数据传输需求，4G 技术能够满足测试内容和当前瓶颈。主运皮带巷实现4覆盖主要由以下几个部分组成：核心基站、无线电远程单元、矿用隔爆兼本安型无线摄像仪以及数据采集模块，示意图如图3所示。
图3主运皮带4G网络无线监控示意图
该系统能够满足刘庄煤矿矿山无线通信系统的井下视频监控，语音中继通信和高带宽数据传输的需求，其宽带上行高达50 Mbps，下行为100 Mbps。一个站点的半径超过1 000 m（单向畅通），视频数据大于800 m（单向畅通）；4G专用网络具有安全可靠的软件和硬件平台，具有高级备份机制，灵活的组网和高衍射能力，可以互连不同的IP平台，解决了无线访问第三方自动化系统的问题，还解决了过去无法在复杂的区域（如采矿和采矿工作面）可靠地部署无线通信的问题；在满足语音和视频通信的同时提供对移动终端的无线监控， APP开发的无线检测和移动办公平台的应用扩展，为煤矿井下安全生产提供了游离的网络保障。
2煤矿智能视频监控系统关键技术
2.1 尘雾图像清晰化技术
因为在煤矿生产过程中经常存在大量的粉尘，为了有效控制空气中的粉尘含量，许多煤矿企业通常使用喷雾降尘装置，这些喷雾装置会产生大量的水雾和水滴，从而光线在被散射或吸收之前先到达监视成像设备，这大大降低了监视场景的可见性。因此，为了获得更好的监控效果，有必要使尘雾图像更清晰。近年来基于单图像去雾的方法取得了良好的恢复效果，使用此方法可以获得相对较好的除雾图像，从而使原始模糊图像更加清晰。
2.2 运动目标检测技术
目前，在选择视频监控系统的过程中，许多煤矿公司经常使用固定摄像机进行定点监控，监控背景不变化，但是背景会因自然光照或者工人矿灯照射发生变化，以这种方式，在监控目标运动过程中，会因为前景中运动目标的几何形状出现较大的偏差，所以阴影检测与去除技术是解决该问题的关键。因此自动设置差异阈值以获得更高的前景检测率，还可以设计多特征融合阴影检测方法，使得到的监控图片更加准确。
2.3 单目标跟踪技术
单目标跟踪技术也是煤矿智能视频监控系统中的重要技术，单目标跟踪技术能够对想要观察的目标实现跟踪功能。对于煤矿井下环境来说，灯光照明时常发生变化，并且跟踪目标移动过程较为复杂，在跟踪过程中会有遮挡或者盲区，因此要建立适当的必要模型通常很难描述模型的有效外观。目前，二元分类的单目标跟踪方法应用广泛，这种跟踪方法能够根据不同背景分辨跟踪目标。单目标跟踪技术在煤矿智能视频监控系统中的有效应用，可以获得对目标情况更全面、准确的监控，有利于煤矿安全生产。
3 4G无线视频监控技术得的实现功能
刘庄煤矿智慧矿山系统，实现4G无线视频监控技术后，能够实现以下功能：
（1）语音和视频通信。提供传统的手机语音服务、SMS通讯服务和MMS相关服务，增加视频通话服务，员工能够通过矿用隔爆本安型手机实时传输语音和图像，在有线视频应用不便或者盲区的地方，能够充分发挥无线监控的优势，能够实时向地面传输监控图像，地面调度中心能够通过井下传输来的图像，观察检测地点的具体情况，能够及时的作出判断与决策。
（2）多媒体集群调度。支持专业的语音、视频、SMS、MMS、数据和其他群集调度服务，并且能够及时的视频传输以及数据存储，并且在发生紧急情况时，能够一键式紧急呼叫。
（3）视频监控。通过回传功能进行实时视频监控。
（4）手机离线。即便手机没有网络，由于核心网的存在，网络断开时也能够及时传输数据与图像，防止造成安全事故。
（5）4G通信网络兼容性较强，并且在以后升级系统，添加与更换相关设备时，不会因为扩容与升级而产生影响。
4 4G无线通信技术应用的价值体现
煤矿井下使用基于TD-LTE通信技术的无线视频监控技术后，能够提升煤矿井下整体的通讯信号，不会因为井下复杂的地质条件干扰信号，保证通讯信号的正常传输，并且响应国家建设智慧矿山的要求，是一件一举两得的事情。
（1）煤矿领导者和管理者可以在4G无线通信网络覆盖范围内全面执行视频，语音，SMS，MMS的工作命令和调度，并可以掌握和了解任何区域的实时状态随时随地通过手机煤矿了解煤矿各个监控地点的的工作状况，这样可以节省实时掌握情况的时间，能够在第一时间处理紧急事情，并根据实际情况作出相应措施。
（2）4G无线通信系统具有视频分发和返回功能。井下工作现场的情况可以转发给负责人，为将来的事故预防和责任分工提供证据；可以回传矿井下的关键区域，及时的了解监控地点的实际情况；可以不定期地传送各种设备故障、能够为故障解除提供准确可靠地信息，提高工作效率，并确保设备正常运行。
（3）当前的地面控制中心可以与区队和班组进行呼叫，并强行进行小规模的视频和语音会议，强行断开低级主管部门之间的通信，及时的传达最新的文件要求，提高信息传输的时效性，能够有效提高煤矿管理质量。
（4）该4G无线通信网络支持第三方数据传输，所以能够大大减少因为系统不兼容而投入的成本，减少第三方基础投入，有效降低相关支出。
（5）该4G无线通信网络系统的应用避免了补丁问题引起的设备投资，4G通信网络兼容性较强，并且在以后升级系统，添加与更换相关设备时，减少了投资并节省了时间。
5 结语
随着国家能源战略的调整，以及倡导的数字化矿山、矿山物联网等技术，现代化智能设备会越来越多的应用到煤矿领域。现代化智能设备在处理繁琐工作时，具有快速、高效、准确等特点，在提高员工和领导工作效率的同时，能够保障煤矿企业可持续健康发展。4G通讯技术应用到煤矿井下无线视频监控，能够在确保安全生产的同时，保证了我国能源建设的绿色发展。
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