电力载波在工业视频上的应用

[摘 要]图像（视频）传输系统目前在多种场合得到广泛的应用，例如视频闭路监控、可视电话、图像采集分析、会议电视等。然而，目前的图像（视频）传输系统普遍需要布设专门的视频传输网络。在煤矿井下生产，由于过程复杂，环境恶劣，自然灾害多，严重影响煤矿生产和人身安全。因此，煤矿井上、井下视频系统的实施显得尤为重要，煤矿井上、井下视频系统对安全生产、调度指挥、科学决策提供了直观、可靠的手段。本方案在工业视频上利用电力载波传输信号，它借助电力线实现视频图像传输，可以直接利用现有的低压电力线网络作为传输媒介，不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本，而且安装方便快捷，特别适合于在环境恶劣的煤矿井下使用。

[关键词]煤矿 视频 载波

中图分类号：TN913.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0036-02

1 引言

图像（视频）传输系统目前在多种场合得到广泛的应用，例如视频闭路监控、可视电话、图像采集分析、会议电视等。然而，目前的图像（视频）传输系统普遍需要布设专门的视频传输网络。在煤矿井下生产过程中，煤矿井上、井下视频系统的实施，对安全生产、调度指挥、科学决策提供了直观、可靠的手段。传统工业电视系统的信号传输有两种方式：同轴电缆传输和光纤传输。由于井下条件限制，图像数据信息利用同轴电缆传输时，只能传输模拟信号，在传输距离、信息容量、抗电磁干扰及可靠性方面都存在许多不足。光缆传输面临复杂、繁琐的安装工作，尤其在井下特殊环境下，光缆熔接更不容易操作，而且维护工作量大，维护需要投入的人力物力成本高。然而，利用电力线载波来实现视频图像传输，可以直接利用现有的低压电力线网络作为传输媒介，不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本，而且安装方便快捷。而其它三种常用网络方式都要对布线进行改造或存在其它不足。

数据通信以电力线通信（PLC）作为视频监控系统的接入和传输方式，具有其独特优势，包括以下方面：

1、分布范围广。目前能够用于传输视频图像的网络（光纤、闭路电视线、电话线）中，电力线的覆盖范围比其它任何网络都广。

2、不用专门布线或改造，投资成本低。借助电力线实现视频图像传输可以直接利用已有的电力网络作为传输线路，不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本，而且安装方便快捷。而其它三种网络方式都要对布线进行改造或存在其它不足。

3、应用范围广。电力载波视频监控系统可以广泛应用于以下场合：国防、军事重地，例如军用装备库房、办公地点、机要室等；需要进行监控的场合，如银行、商店、企事业单位的重要地点、校园安全、无人值守、智能交通、智能小区和大厦、信息家电等；轮船、井下等被屏蔽或其它布线困难而只能提供动力电源线的地方；已装修好的宾馆、住宅等重新布线困难的地方。

4、其它方式不可替代。与其它方式相比，借助电力线实现视频监控除了其它优点外，还有一个突出优点是其它传输方式的不可替代性，主要体现在：对于一些被金属屏蔽的场合，无法应用无线宽带联网（因屏蔽作用），用综合布线联网（如光纤、双绞线等），工程浩大，也不行。由于电力线是用于电能的传输，无论摄像头是否与照明灯在一起，一旦线路出现故障后，都可以最先被直观地发现。

针对以上问题本方案采用PLC传输方式，使视频安装工作更加简洁，大大减少安装与维护的工作量，为各种场合普遍使用网络视频监视系统提供了有力的条件，特别适合于在环境恶劣的煤矿井下使用。

2 电力载波原理

电力线载波双向通信模块是由调制器、振荡器、功放、T/R转向开关、耦合电路、解调器等部分组成的传输模块，其中调制器的载波信号是由振荡器提供的。如图1所示：

数据发射时，待发信号通过TXD端向外发出，调制器对其进行调制，调制后将信号通过功放进行放大，然后经过转向开关T/R、耦合电路将信号加载在舰船电力线上，数据接收时，已调信号经过耦合电路、T/R转向开关传进解调器，经解调器后恢复原始信号，将该信号通过RXD端发送至下一级数字设备中。电力载波通信分发送端和接收端，具体如下：

发送端：利用调制技术将用户数据进行调制，高频信号上载有需传输的信息，通过电力线进行传输。

接收端：到达接收端的调制信号经由滤波器取出，并经过解调器解调出原始通信信号，将其传递到电话或者电视机。

电力载波通信工具可分为调制解调器和局端，局端用于连接外部网络和与内部的电力调制解调器通信。通信时，用户数据经过调制解调器的调制，经由用户端的配电电路将数据传输至局端设备，通过局端设备将信号解调，解调出来的信号传输到外部的因特网，通过网络传输到客户端。

3 系统实现目标

矿用直流电力视频系统实现目标有：

1、井下所有视频点前段均采用电力载波（PLC）传输技术；

2、井下摄像机供电均由视频监控分站统一供电，不再额外取电；

3、录像存储保存在本地的硬盘录像机上，后续采用磁盘阵列做集中存储；

4、远程录像资料的智能化检索、回放、保存一一管理人员可以随时远程访问各监控点的录像记录，并可按时间或摄像机编号等要素进行录像资料的智能化快速检索和回放显示；

5、系统能对设备进行管理；

6、系统能对登录平台用户进行管理，系统为不同级别用户配置权限功能；

4 系统功能结构

系统由监控系统、监控中心，传输网络组成，再配合相应的软件平台。矿用直流电力视频监控管理系统是基于网络的视频监控系统，前段基于电力载波通讯技术，后端利用网络传输视频信号及相应数据，监控中心可以实时查看监控现场情况，结束了监控现场不可实时监督管理的现象。按功能总体可以分为四层结构：设备接入层、网络传输层、中心管理层和业务处理层。

1、设备接入层：主要指安装在井上下现场和重点区域位置视频点，对现场情况实现实时视频信号采集。

2、信号传输层：通过供电电缆载波通讯方式进行前段信号传输，视频信号传输至视频分站经与井上以连通通讯线路传至视频系统后台显示或者存储。

3、中心管理层：包括接入服务器 、管理服务器、数据库 、流媒体服务器 、存储服务器、报警服务器等模块， 为整个系统的运行提供管理支撑。

4、业务处理层 它是整个系统的最终展示，它提供了对视音频数据的浏览、对各种采集数据的汇总以及处理等功能。

5 系统组成

PLC摄像机作为前端图像的采集设备和编码设备，前端视频采集通过PLC监控摄像机来实现，视频信号通过供电电缆把视频图像等传输至视频分站，通过分站将PLC信号转化成TCP数据，接入就近网络或直接传入地面后台。

如图2所示：

分控中心以网络硬盘录像机为核心，组合成一个小型的监控平台。完成摄像机视频流的存储、向中心进行数据的传送、与报警设备进行联动，提供给客户方便、可靠、安全和实用的一套系统。

监控中心系统由以下部分组成：

1、流媒体服务器：支持实时视频数据的转发及分发；支持存储数据的回放点播（VOD）；支持Qos管理，对带宽进行合理使用；支持用户和事件的优先级管理；支持级联和分布式部署；支持视频流相关的统计信息。

2、管理服务器：是整个系统的核心组件，提供统一的认证、授权、管理服务。作为管理服务器，对系统内的用户、角色、权限、视频监控设备、报警设备、各种服务器进行集中配置管理，作为应用服务器，提供各类安防监控业务，提供完善的日志管理和审计功能。

3、电视墙及解码器：支持软件解码大屏输出，支持解码卡、解码器、模拟/数字矩阵控制输出，支持键盘、3D摇杆控制，支持高清解码输出，支持文件回放上墙，支持对其它标准客户端软解码VGA 输出的协同控制。

4、报警服务器：为系统实现所有报警（触发）事件的管理、分发以及与技防联网报警系统等集成信息的分发及上传服务。 支持的联动方式有客户端联动（视频图像、声光显示、信息叠加）、云动、通道录像、报警输出联动、EMAIL 通知、短信发送、通道抓图等方式，并提供完善的报警日志管理，方便事后查询检索。

5、WEB服务器：为系统管理、流媒体、报警转发、集中存储检索等所有应用服务器提供统一WEB访问配置界面，为前端监控设备提供统一远程监视、查询、系统管理预维护、参数设定、设备监测等 B/S 访问界面。采用专用的WEB 服务器中间件，WEB2.0技术，AJAX设计。

6、客户端（包括手机客户端）：实时监控。认证访问监控所有现场设备，可以实现轮询预览、电子地图等功能。

7、存储服务器

工业视频系统采取集中式存储，根据需求，录像每天录24个小时，要保存1个月（30天），要求采用D1分辨式录像。根据这些信息，我们可以计算出如何配置矿井录像的存储，如果涉及音频部分，所需存储空间极小，可忽略不计。

首先计算一个摄像机采用D1 格式录像一天所需要的存储容量：

2Mbps*3600秒*24 小时/8/1024/0.9=24G。

采用 CIF 格式单路视频录像一天所需的存储容量：

512Kbps*3600秒*24小时/8/1024/0.9=6G。

所以可以根据所需存储日期来确定磁盘阵列的容量大小。

矿用直流电力视频监控系统的设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则，综合考虑维护及操作因素，而且为今后的发展 、扩建、改造等因素留有扩充的余地。

6 系统主要特性

本系统设计内容是系统的、完整的 、全面的，设计方案具有科学性 、合理性、可操作性，其具备以下几个特性：

先进性：矿用直流电力视频监控系统的技术性能和质量指标应达到国际领先水平，系统前段摄像机采用PLC电力载波技术进行传输。

可靠性：矿用直流电力视频系统采用独立供电方式并配备UPS电源，能确保系统高稳定性和可靠性，满足以24小时、全年365天的全天候长期稳定运行。

经济性与实用性：充分考虑矿井实际需要和信息技术发展趋势，系统采用自组网方式传输，减少视频流对工业网络带宽的占有，缓解工业交换机接口不足现象。

扩展性：矿用直流电力视频系统设计中考虑到今后技术的发展和使用的需要，具有更新、扩充和升级的可能。并根据今后该项目工程的实际要求扩展系统功能，同时系统设计中留有冗余，以满足今后的发展要求。

稳定性：视频监控系统的设计具有较高的稳定性，系统具有一整套完整的系统管理策略，可以保证系统的运行安全。

7 结束语

能源工业是国家经济发展的重要命脉。随着能源的日益减少和价格的上涨，煤炭行业的不可替代性和重要性日益显现。煤矿井下的数字化、智能化和自动化的实现对煤矿行业的方展起着重要的作用。煤矿生产及其环境的特殊性，决定了煤矿生产对通信畅通、方便、灵活性和可靠性的。针对于煤矿井下环境的各种恶劣情况，井下工业视频可以很好的维护煤矿的生产和安全，而利用电力线载波来实现视频图像的传输，不用单独布线，安装方便并且降低了成本，相对于同轴电缆和光纤有着极大的便利性，所以在煤矿上可以得到极大的发展和推广。

参考文献

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[3] 潘莹玉；电力线载波通信的现状分析[J]；电网技术；1998年02期

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[5] 程磊；基于电力载波的太阳能路灯控制系统的研究[D]；武汉理工大学；2011年

[6] 张磊；高速电力载波调制解调器的研究与设计[D]；长安大学；2013年

作者简介

张奇，男，山西长治人，毕业于太原理工大学，研究生学历。

沈红波，北京中矿威通技术有限公司。