综采工作面摄像仪视角计算及分析软件的实现*

任伟， 刘帅， 黄骞

(北京天地玛珂电液控制系统有限公司， 北京 100013)

0 引言

随着煤矿自动化设备的普遍应用，煤矿自动化水平得到不断提高，综采工作面参与生产的人员也不断减少，但综采工作面一直以来都是煤矿最危险的生产区域。“无人操作、有人巡视”[1]、“视觉沉浸技术”[2]、“少人化、无人化”[3]、“透明工作面”[4-5]等诸多行业新理念、新技术的不断提出与实践，将工人逐步从环境恶劣的工作面解放出来[6]，坐在顺槽监控中心即可实现对综采工作面设备的远程可视化人工干预控制[7-8]。在这一革命性变化的生产模式下，视频监视系统[9]成了一个必不可少的环节，它相当于将人的视觉延伸至工作面[10]，地面人员可对井下情况进行实时监控，及时发现事故隐患，指导地面人员远程控制设备启停，避免事故发生，同时可为事故原因分析提供第一手影像资料[11-12]。

我国煤炭开采从薄煤层、中厚煤层，再到大采高、特厚煤层[13-14]，综采工作面视频监控区域复杂多变，视频配套难度较大，如果配套人员对摄像仪的选型、布置把握不准，势必造成工作面视频监控区域不全、视频图像不清楚等问题，将会严重影响监控中心的远程操作人员的视觉判断和操作响应，给日常生产带来安全隐患；同时，研发人员在摄像仪的选型设计时，如果不能有效获得现场的监控视角范围和有效视距，也会影响产品的适用性和增加返工的成本，甚至造成研发失败。

本文将结合综采工作面摄像仪[15](以下简称：摄像仪)的现场布置经验，对摄像仪的视角和有效视距进行计算推导，并以此进行了分析软件的设计，以期为研发人员和现场配套人员提供比较科学有效的摄像仪视角分析与验证的工具。

1 综采工作面监控区域

图1所示为煤矿井下综采工作面需要从两个方向进行监控：面向煤壁的a向和平行支架排列的b向。a向查看采煤机工作状态，b向顺着支架走向查看支架状态与人员状况。

图1 综采工作面示意图

摄像仪安装在综采工作面支架上，对监控区域的图像进行采集、上传和显示，必须保证采煤机前后滚筒、支架护板、支架动作等监控实时无死角，才能保证远程可视化采煤操作的安全性。

2 摄像仪种类及特点

目前综采工作面常用的摄像仪主要分为固定式摄像仪和云台式摄像仪。

2.1 固定式摄像仪

图2所示为固定式摄像仪,监控角度恒定，观察到的区域也固定不变，视频采集覆盖范围完全取决于摄像仪本身的视角范围，其优缺点如下：

优点：功耗低、抗振动、体积小、自清洁易于实现；

缺点：由于视角有限，在配套数量有限的条件下，监控存在盲区，但如果要扩大监控范围，摄像仪的配套数量就需要增加，使得系统配套、运维成本和复杂度增加。

(c)

2.2 云台式摄像仪[16]

图3所示是将恒定角度的摄像仪固定在云台电机旋转机构上，通过单轴或者双轴云台电机的转动来调节摄像头的监控方向，从而达到动态监视大范围内的目标，其优缺点如下：

图3 云台式摄像仪

优点：动态视频监控范围大(最大360°无死角)、可贴顶梁安装、配套数量少、安装维护便利。

缺点：摄像头非固定、有转动机构、抗振动性能差；功耗大；透明罩暴露面积大、易磕碰、不易清洁。

3 摄像仪视角计算分析

固定式摄像仪和云台式摄像仪都是一个摄像头的两种应用方式，对综采工作面监控视场角进行分析,以下视场角分析只针对单个摄像头。

综采工作面监控系统中作为图像采集设备的摄像仪通常安装在液压支架的顶梁下方，负责对煤壁区和支架侧进行视频监测。但目前摄像仪的视角范围都有限，做不到全方位无死角覆盖，如何有效分析和了解工作面视频监控范围，对于摄像仪选型和系统配套有着重要的意义。

3.1 垂直方向视场角分析

煤矿井下综采工作面的摄像仪安装在液压支架上，用于监视煤壁向和支架侧的区域图像，现将摄像仪的视场角分析如下(图中的圆圈示意摄像仪)：

假设摄像仪的视角足够大，在垂直方向上能观察到整个煤壁以及溜槽的横向全貌，如图4所示。

图4 工作面摄像仪安装示意图(大视角)

在工作面液压支架和摄像仪安装位置已知的情况下，摄像仪垂直视角与各项参数之间的关系公式如下：

(1)

式中：h为摄像仪距液压支架顶部距离，m；L为摄像仪距煤壁的水平距离，m；α为摄像仪垂直方向视场角，(°)；H为液压支架高度，m；m为溜槽宽度，m。

垂直方向监视的最大距离为：

(2)

式中：Dv为垂直方向最大监视距离，m。

假设摄像仪的视角较小，在垂直方向上只能观察到部分煤壁，如图5所示。

图5 工作面摄像仪安装示意图(小视角)

在工作面液压支架和摄像仪安装位置已知的情况下，摄像仪垂直视角α与煤壁视觉盲区高度p之间的关系如下：

(3)

式中：h为摄像仪距液压支架顶部距离，m；L为摄像仪距煤壁的水平距离，m；α为摄像仪垂直方向视场角，(°)；H为液压支架高度，m；p为煤壁视觉盲区高度，m。

垂直方向最大监视距离为：

(4)

式中：Dv为垂直方向最大监视距离。

3.2 水平方向视场角分析

在支架参数、摄像仪安装位置确定的情况下，如图6所示，摄像仪水平方向的视角与最大监视距离的公式为：

图6 摄像仪井下安装水平视角

(5)

式中：β为摄像仪水平视角的1/2 ，(°)；n为摄像仪水平监视覆盖水平宽度的1/2，m；L为摄像仪与煤壁间距离，m。

垂直方向最大监视距离：

(6)

式中：n为摄像仪水平监视覆盖水平宽度的1/2，m；L为摄像仪与煤壁间距离，m。

4 摄像仪视角分析软件的实现与应用

为了选型分析方便，利用前文推导的视场角分析公式， 举例说明工作面摄像仪配套的参数分析。

4.1 已知工作面情况选型配套摄像仪

某薄煤层工作面：支架高度1.55 m、支架宽度1.75 m，摄像仪安装距离顶梁0.3 m、距煤壁3.027 m，每3架安装一台摄像仪，则视场角覆盖范围分析结果如图7所示。

图7 配套摄像仪选型分析

经过分析得出：为了满足现场看全煤壁和溜槽的区域(图中溜槽可见宽度2.9 m)，摄像仪需要垂直视角90°、最大视距3.27 m；水平视角81.86°、最大视距4.01 m，以此可以选型配套的摄像仪。

4.2 已知摄像仪参数评估实际视角覆盖范围

某摄像仪参数：水平视角≤80°，垂直视角≤44°，有效视距≤5 m。

该薄煤层工作面配套分析数据如图8所示。

图8 薄煤层视角覆盖范围评估

经过分析得出：该款摄像仪配套该薄煤层，除溜槽只能看到1.5 m宽区域外，其他视角覆盖与配套比较吻合，适用于该薄煤层使用。

若该款摄像仪配套中厚煤层，分析如下：

某中厚煤层工作面：支架高度4.5 m、支架宽度2.05 m，摄像仪安装距离顶梁0.5 m、距煤壁4 m，则视场角覆盖范围分析结果如图9所示。

图9 中厚煤层视角覆盖范围

经过分析得出：该款摄像仪配套该中厚煤层，溜槽区域全部、煤壁20%区域处于盲区，实际现场不能同时看全采煤机和护帮板，不能是操作人员有效观察自动采煤的过程。为了满足视角全覆盖，只能选用更大视角的摄像仪或云台摄像仪。

综上所述，摄像仪选型应该根据实际工作面的空间和支架的参数，结合摄像仪本身的视场角进行配套，一般固定式摄像头每3～4架安装1台，云台摄像仪每4～6架安装1台。

5 结论

本文介绍和推导的视角分析公式及软件的实现，已经过现场配套的测试，效果比较理想，方便现场配套人员的选型配套工作,同时也为摄像仪(如多目全景摄像仪)的研制需求分析提供了一种便利的测算工具。