馬松波

(平頂山中選自控系統(tǒng)有限公司，河南 平頂山 467000)

1 概 述

近年來，許多選煤廠為了提高安全生產(chǎn)水平，都在重要的生產(chǎn)廠區(qū)安裝監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場的實(shí)時錄像，并能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)視，從而可以及時發(fā)現(xiàn)并處理現(xiàn)場異常工作狀況，盡早消除隱患。但在實(shí)際使用過程中，這種視頻監(jiān)控只能簡單地進(jìn)行遠(yuǎn)程錄像，且需要有專職人員值守，監(jiān)視生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況，根據(jù)監(jiān)控對現(xiàn)場狀況進(jìn)行人為判定。這種長時間監(jiān)視工作很容易使工作人員忽視現(xiàn)場工況，從而容易導(dǎo)致事故的發(fā)生。由于現(xiàn)場設(shè)備、攝像機(jī)較多，給人工監(jiān)視造成了更大的困難，因此，設(shè)計一種能夠自動判別工作現(xiàn)場狀況的智能監(jiān)控系統(tǒng)是非常必要的。本文以某煤礦選煤廠為實(shí)際應(yīng)用背景，對選煤廠現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，設(shè)計了一套選煤廠智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過引入機(jī)器視覺智能技術(shù)，可自主對人員進(jìn)入不安全區(qū)域等事故進(jìn)行報警，停止區(qū)域內(nèi)設(shè)備運(yùn)行，保證人員安全，并將視頻畫面切換至大屏幕，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的目的[1-3]。

2 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)部署框圖如圖1所示，主要由視頻服務(wù)器、視頻矩陣、攝像頭、大屏顯示器、PLC控制器等組成。各設(shè)備的主要功能如下：

圖1 系統(tǒng)部署框圖

(1)視頻服務(wù)器是智能視頻監(jiān)控程序運(yùn)行的載體，其性能決定了智能視頻應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)的快慢。服務(wù)器中的智能視頻監(jiān)控程序?qū)崟r監(jiān)聽視頻矩陣，并通過視頻矩陣獲取攝像機(jī)的分析結(jié)果，對分析結(jié)果進(jìn)行評估，從而形成決策，并將其傳送給PLC控制器，由PLC控制器執(zhí)行。

(2)視頻矩陣是將視頻圖像從任意一個輸入通道切換到任意一個輸出通道顯示。一般來講，一個M×N矩陣表示可以同時支持M路圖像輸入和N路圖像輸出，即任意一個輸入和輸出。在該系統(tǒng)中，視頻矩陣主要功能：獲取攝像機(jī)的分析結(jié)果，并將結(jié)果傳送給服務(wù)器；切換報警畫面。

(3)攝像頭的主要功能是對指定區(qū)間進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，實(shí)時對圖像內(nèi)容進(jìn)行分析，并將結(jié)果傳送給視頻矩陣。

(4)大屏顯示器的主要功能是顯示報警畫面。

(5)PLC控制器的主要功能是執(zhí)行智能視頻監(jiān)控程序傳送的決策。

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的智能分析與PLC控制器的聯(lián)動功能。通過攝像機(jī)對選煤廠大型設(shè)備進(jìn)行布防，當(dāng)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時，攝像機(jī)捕捉到有人或物跨入危險區(qū)域時，攝像機(jī)將分析結(jié)果傳送給視頻矩陣，視頻矩陣將結(jié)果傳送給智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，智能視頻監(jiān)控程序?qū)魉瓦^來的結(jié)果進(jìn)行評估，形成決策，并將該決策通過KEPServer傳送給PLC控制器，由PLC控制器執(zhí)行該決策，同時智能視頻監(jiān)控攝像機(jī)監(jiān)控程序控制視頻矩陣將該畫面切到大屏顯示器上。

2.2 詳細(xì)設(shè)計方法

該方案中，使用的攝像機(jī)為海康攝像機(jī)，PLC控制器程序使用的是羅克韋爾自動化有限公司的logix5000[4]開發(fā)平臺。該智能視頻監(jiān)控程序是在.net框架下，使用C#語言進(jìn)行開發(fā)的，開發(fā)工具使用Visual Studio。在開發(fā)中，采用海康的SDK開發(fā)包及OPC的動態(tài)鏈接庫。

軟件架構(gòu)如圖2所示。整套系統(tǒng)分為兩部分：智能視頻監(jiān)控程序與PLC控制程序。智能視頻監(jiān)控程序底層為SDK開發(fā)包、OPC動態(tài)鏈接庫；中間層為行為智能識別模塊、視頻上墻模塊、OPC通信模塊，智能識別模塊、視頻上墻模塊是基于?？礢DK開發(fā)包開發(fā)的，OPC通信模塊是基于OPC動態(tài)鏈接庫開發(fā)的；上層為人機(jī)交互層，用來展示視頻分析結(jié)果及視頻畫面。PLC控制程序由PLC變量及程序組成，智能視頻監(jiān)控程序通過改變PLC變量來控制設(shè)備。智能視頻監(jiān)控程序與PLC控制程序之間通過KEPServer進(jìn)行通信。KEPServer是一個OPC服務(wù)程序，內(nèi)含多種通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)OPC到PLC控制程序的通信。

圖2 軟件架構(gòu)示意

2.2.1 行為識別模塊設(shè)計

行為智能識別模塊的主要功能是獲取視頻監(jiān)控中的行為特征，對這些行為特征進(jìn)行評估，形成決策，并將決策通過OPC通信模塊發(fā)送到PLC控制器。在這個過程需要創(chuàng)建一個回調(diào)函數(shù)[5]，即通過函數(shù)指針調(diào)用的函數(shù)。需要把函數(shù)的指針(地址)作為參數(shù)傳遞給調(diào)用者，而這個指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)，即為回調(diào)函數(shù)。回調(diào)函數(shù)不是由調(diào)用者直接調(diào)用，而是在特定的事件或條件發(fā)生時，由另外的一方調(diào)用，用于對該事件或條件進(jìn)行響應(yīng)。在該系統(tǒng)中，只有在行為識別模塊識別到特定的人員行為時(例如越界行為)才會調(diào)用回掉函數(shù)。

在行為智能識別模塊設(shè)計中，訪問視頻矩陣、安全邊界設(shè)置、監(jiān)聽視頻矩陣、獲取圖像分析結(jié)果并觸發(fā)回調(diào)等功能都封裝在?？礢DK二次開發(fā)包中，只需要在程序中調(diào)用即可。而回調(diào)函數(shù)則需要自己設(shè)計編寫?；卣{(diào)函數(shù)包含視頻分析結(jié)果評估功能、形成決策以及將決策傳送給PLC控制器等功能。當(dāng)有人跨過安全邊界時，視頻矩陣會收到攝像機(jī)發(fā)出的越界入侵的報警信號，觸發(fā)回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)會獲取產(chǎn)生報警的攝像機(jī)信息，進(jìn)而獲取該攝像機(jī)監(jiān)視的設(shè)備信息，然后對設(shè)備對人身的危害性進(jìn)行一個評估。如果危險性較小，則在人機(jī)交互界面彈出越界入侵畫面，由集控操作人員確定是否對該設(shè)備停機(jī)；如果危險性較大，則通過PLC控制器直接關(guān)停該設(shè)備，從而保護(hù)人身安全。

獲取行為分析流程如圖3。NET_DVR_SetDVRMessageCallBack_V30為回調(diào)函數(shù)的入口，將回調(diào)函數(shù)的地址作為參數(shù)傳入該函數(shù)中，當(dāng)攝像機(jī)啟動行為分析，并捕捉到已定義的行為時，會通過NET_DVR_SetDVRMessageCallBack_V30調(diào)用回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行回調(diào)函數(shù)中定義的對策。

因?yàn)楹？礢DK開發(fā)包由非托管代碼生成，要使用上述?？礢DK中的函數(shù)，需要在程序中對這些函數(shù)進(jìn)行聲明[6]。聲明格式如下：

圖3 獲取行為分析結(jié)果及執(zhí)行對策流程示意

[DllImport(“HCNetSDK.dll”)]

public static extern bool NET_DVR_SetDVRMessageCallBack_V30(MSG Call Backf Message Call Back，Int Ptrp User)；

通過這個過程，實(shí)現(xiàn)了在人員跨入危險區(qū)域時，產(chǎn)生越界入侵信號，對越界入侵的危險性進(jìn)行評估，并生成決策。

2.2.2 監(jiān)控畫面上墻

在選煤廠中，攝像頭的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于集控室中電視屏的數(shù)量，因此，不是所有的攝像頭傳來的圖像都能顯示在電視屏上。當(dāng)攝像頭分析出現(xiàn)人員的不安全行為時，為了使集控操作員更清楚了解現(xiàn)場情況，將人員不安全行為的畫面投放到大屏顯示器上，可更好地幫助監(jiān)控人員進(jìn)行決策。該功能也是在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的，通過程序控制視頻矩陣，將越界入侵畫面投放到大屏上。監(jiān)控畫面上墻流程如圖4所示，其中，NET_DVR_RemoteControl函數(shù)用來實(shí)現(xiàn)將越界入侵畫圖投放到大屏上。

圖4 監(jiān)控畫面上墻流程示意

2.2.3 視頻分析與PLC通信

OPC全稱是Object Linking and Embedding(OLE) for Process Control，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁。OPC標(biāo)準(zhǔn)以微軟公司的OLE技術(shù)為基礎(chǔ)，通過提供一套標(biāo)準(zhǔn)的OLE/COM接口實(shí)現(xiàn)，從而使得支持OPC協(xié)議的設(shè)備之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過OPC技術(shù)，應(yīng)用程序可與OPC服務(wù)器軟件之間進(jìn)行通信[7]。

KEPServer是一款OPC服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)了OPC標(biāo)準(zhǔn)接口，應(yīng)用程序可以通過KEPServer和PLC控制設(shè)備進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與控制設(shè)備間的通信[8]。

(1)通過配置KEPServer，實(shí)現(xiàn)KEPServer到PLC控制器之間的通信。主要的配置項(xiàng)如下：① 選擇通信協(xié)議；② 設(shè)置要進(jìn)行通信的PLC控制器IP地址；③ 建立KEPServer變量與PLC地址的映射關(guān)系。

(2)開發(fā)OPC通信模塊，實(shí)現(xiàn)與KEPServer的通信。過程如下：① 聲明對象；② 創(chuàng)建OPC Server的連接；③ 創(chuàng)建OPC組對象并初始化設(shè)置；④ 獲取組的OPCItems對象，為讀取數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；⑤ OPCItem的操作；⑥ 退出程序的資源釋放。

OPC通信模塊工作流程如圖5所示。

在開發(fā)OPC通信模塊時，使用了OPC動態(tài)鏈接庫OPCDAAuto.dll[9]，該動態(tài)鏈接庫是基于委托代碼生成，只需要將其添加到項(xiàng)目引用中，而不需要單獨(dú)進(jìn)行聲明。

2.2.4 視頻智能分析與PLC控制器聯(lián)動

在PLC控制程序[10]中，用到“常開點(diǎn)”、“常閉點(diǎn)”、“線圈”等功能塊?！俺ｉ_點(diǎn)”含義為初始狀態(tài)為“開路”，“常閉點(diǎn)”初始狀態(tài)為“閉路”，當(dāng)一條線上的點(diǎn)的狀態(tài)都為閉合時，“線圈”則控制接觸器吸合，從而啟動設(shè)備。圖5中，“單起”、“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號”是“常開點(diǎn)”，“入侵報警”是“常閉點(diǎn)”，“起車”是“線圈”。PLC控制程序控制設(shè)備起車過程如圖6所示。

圖5 OPC通信模塊示意

圖6 PLC控制程序示意

當(dāng)按下起車按鈕時，“單起”由初始狀態(tài)的“開路”變?yōu)椤伴]路”，線1上點(diǎn)的狀態(tài)都為閉合，“起車”控制接觸器吸合，設(shè)備啟車。啟車后設(shè)備產(chǎn)生一個運(yùn)行信號，“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號”由初始狀態(tài)的“開路”變?yōu)椤伴]路”。松開起車按鈕，“單起”由“閉路”變?yōu)椤伴_路”，但這時的“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號”為“閉路”，“入侵報警”未接到報警，所以“入侵報警”仍然維持初始狀態(tài)“閉路”，因此線2上點(diǎn)的狀態(tài)都為閉合，“起車”仍然控制接觸器吸合，設(shè)備處在運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)PLC控制程序收到入侵報警后，“入侵報警”由初始狀態(tài)“閉路”變?yōu)椤伴_路”，此時線1和線2的點(diǎn)都處在非全部閉合，“起車”使接觸器斷開，設(shè)備停車，“正轉(zhuǎn)運(yùn)行信號”恢復(fù)初始狀態(tài)“開路”，從而實(shí)現(xiàn)“視頻智能入侵分析”與“設(shè)備停車”聯(lián)動。當(dāng)入侵報警解除后，需重新按下“起車”按鈕，設(shè)備才能啟動。該程序編譯好后，需要寫入PLC控制器中。

3 應(yīng)用效果

該系統(tǒng)在某煤礦選煤廠進(jìn)行了試運(yùn)行，當(dāng)工人從生產(chǎn)設(shè)備安全邊界跨過去時，攝像機(jī)會對人員的行為進(jìn)行分析，當(dāng)結(jié)果為越界入侵危險區(qū)域時，程序會向PLC控制器發(fā)送設(shè)備停機(jī)信號，并在人機(jī)交互界面右上角顯示出越界入侵的報警信息，并將越界入侵的視頻畫面顯示到大屏上。在試運(yùn)行中，人一旦跨過安全邊界，設(shè)備即停止運(yùn)行。智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控只監(jiān)視不控制的缺點(diǎn)，而且相比操作人員通過視頻畫面分析員工的不安全行為，智能視頻在分析員工不安全行為的準(zhǔn)確率方面更高、用時更短。在試運(yùn)行時，為了安全，設(shè)置的安全邊界線距離膠帶較遠(yuǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，安全邊界應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置，距離設(shè)備較遠(yuǎn)時，會造成過多的誤報警。

圖7 應(yīng)用效果示意

4 結(jié) 語

隨著視頻分析技術(shù)的飛速發(fā)展，選煤廠利用攝像機(jī)自動圖形分析功能，結(jié)合OPC通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)智能判斷與控制系統(tǒng)聯(lián)動的功能。監(jiān)控系統(tǒng)的智能判斷準(zhǔn)確率較高，且監(jiān)控系統(tǒng)智能判斷與控制系統(tǒng)聯(lián)動將會大大提高選煤廠的生產(chǎn)安全性。