水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與搭建
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張汝彬1 蘇峰 1 陳 斌1 候 莉1 謝 超2 蔡玉龍2
(海洋石油工程股份有限公司1，天津300051;哈爾濱工程大學(xué)機電學(xué)院2，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：針對淺水測試場在測試時需要對水下設(shè)備、潛水員等工作畫面進行實時監(jiān)控、存儲的問題，設(shè)計了一套水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為擴大監(jiān)控范圍、提高監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性，系統(tǒng)在硬件設(shè)備搭建時采用了浮動式水下監(jiān)控設(shè)備與固定式水下監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合的監(jiān)控方式。其中視頻采集系統(tǒng)使用VC++進行搭建，控制系統(tǒng)下位機部分使用西門子PLC搭建，并使用W in CC軟件組態(tài)編寫上位機界面。在測試過程中，系統(tǒng)能夠清晰、連續(xù)地對水下測試畫面進行監(jiān)控及存儲，控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡便。
關(guān)鍵詞：水下視頻監(jiān)控浮動監(jiān)控控制系統(tǒng)VC++Win CC數(shù)據(jù)采集PLC
中圖分類號：TH -3；TP277DOI：10.16086/j．cnki.issnl000 - 0380. 201603009
0引言
水下視頻監(jiān)控是淺水測試場水下監(jiān)控的一部分，其主要作用是在水下生產(chǎn)設(shè)施裝備測試時對其進行水下視頻監(jiān)控與觀察，使得設(shè)計者對設(shè)備在水下的工作狀況有更直觀的了解。
由于人們的使用需要，水下監(jiān)控技術(shù)經(jīng)過了幾十年的發(fā)展已經(jīng)變得多種多樣。根據(jù)監(jiān)控使用設(shè)備的不同，其大致可以分為3類：固定式水下監(jiān)控設(shè)備、浮動式水下監(jiān)控設(shè)備、移動式水下監(jiān)控設(shè)備。這三種方式由于其本身機構(gòu)及工作特點，各有長處。固定式監(jiān)控設(shè)備成本低、穩(wěn)定可靠，但監(jiān)控區(qū)域有些局限；浮動式監(jiān)控設(shè)備相比于固定式監(jiān)控設(shè)備，其成本相比較高，常用于海洋、湖泊等，但是由于其通過錨纜固定，能夠根據(jù)需要更換監(jiān)控位置；移動式監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控靈活、成本高，需要一定的技術(shù)支持，常用于海洋的短暫監(jiān)控。
為滿足淺水測試場視頻監(jiān)控的需要，同時降低成本，并保證監(jiān)控區(qū)域的靈活性，采用基于浮動式水下監(jiān)控設(shè)備與固定式水下監(jiān)控設(shè)備相結(jié)合的水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
1水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計
1.1 系統(tǒng)功能
本次視頻監(jiān)控的試驗場地是人工水池，深度為18 m，長36 m，寬36 m。水池屬于露天環(huán)境，測試設(shè)備通過水池旁邊的履帶式吊裝機吊人到水池中，水池基本為靜水。
該水下監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控水下設(shè)備測試過程畫面。根據(jù)水下視頻監(jiān)控的需求，系統(tǒng)主要功能如下。
①監(jiān)控區(qū)域可變換，根據(jù)需要，監(jiān)控的區(qū)域能夠從不同位置、不同角度進行監(jiān)控。
②實時在線監(jiān)控，由于在進行水下視頻監(jiān)控時，需要對其進行實時監(jiān)控，因此為充分展示水下設(shè)備的測試過程，系統(tǒng)能夠在大屏幕上進行顯示。
③監(jiān)控視頻可存儲，監(jiān)控得到的重要過程畫面能夠進行保存，保存時長大于2 000 h。
④監(jiān)控視頻可回放，監(jiān)控采集保存的視頻能夠按所需時間進行暫停、回放、截屏或放大。
⑤監(jiān)控系統(tǒng)安全性，為了保證監(jiān)控視頻的安全性，進行了用戶權(quán)限設(shè)置。
1.2水池監(jiān)控布置
由于淺水測試場水池為矩形，所以為保證視頻監(jiān)控時對水池進行全方位的覆蓋，共布置4臺攝像機，如圖1所示。
圖1中，2#和4#是固定在安裝架的攝像機，安裝架安裝在水池底部，通過水下云臺的作用，實現(xiàn)水下攝像機的上下轉(zhuǎn)動與左右轉(zhuǎn)動，其旋轉(zhuǎn)角度為1800。1#和2#是基于浮動監(jiān)控平臺的攝像機，通過改變浮動監(jiān)控平臺在水中的位置實現(xiàn)不同水池范圍的視頻監(jiān)控，通過移動水下云臺實現(xiàn)不同深度的視頻監(jiān)控，云臺上下運動水深為18 m，通過云臺的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)不同角度的監(jiān)控。視頻監(jiān)控系統(tǒng)如圖2所示。
1.3總體方案設(shè)計
根據(jù)水下監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求，繪制整體系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。
整個系統(tǒng)包含4部分，分別為水下照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、浮動監(jiān)控平臺。其中水下照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成水下監(jiān)控與控制，浮動監(jiān)控平臺是水下監(jiān)控平臺的基礎(chǔ)。
水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖4所示。整個系統(tǒng)主要包含水下照明系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
水下照明系統(tǒng)：系統(tǒng)包含照明燈等設(shè)備，主要是為水下視頻監(jiān)控提供光源。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)：系統(tǒng)包含工控機、水下攝像機、視頻采集卡、視頻矩陣、大屏幕；系統(tǒng)的主要作用是采集保存來自水下的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，并將水下的實時監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)顯示在大屏幕中。
控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：系統(tǒng)主要包含工控機、PLC、繼電器模塊、錨體電機、云臺電機和深度傳感器；系統(tǒng)的主要作用是控制水池設(shè)備的電源及浮動監(jiān)控平臺錨體的上下運動與云臺的上下運動和轉(zhuǎn)動。
整個水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)工作過程如下：系統(tǒng)首先將兩個浮動監(jiān)控平臺上的攝像機與兩個固定式攝像機采集到的視頻信號傳輸?shù)揭曨l監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻采集卡，然后在工控機中進行保存，并且傳輸?shù)酱笃聊恢羞M行監(jiān)控顯示，通過控制系統(tǒng)中的PLC對浮動監(jiān)控平臺中的浮動監(jiān)控平臺內(nèi)的水下錨體、水下云臺、攝像機監(jiān)控角度及固定式攝像機的監(jiān)控角度進行控制。通過PLC對控制系統(tǒng)中的繼電器實現(xiàn)浮動監(jiān)控平臺與攝像機、照明燈的開關(guān)功能。系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。
2水下照明系統(tǒng)設(shè)計
太陽在晴天產(chǎn)生的照度約為105 L u x，但是在晴天的照度約為3×10-1Lux，當(dāng)進行水下視頻監(jiān)控時，即使在最清的水中也無法看見，因此必須人為地增加照度，即在淺水測試場增加水下照明燈，從而改善夜間或者陰天情況下的水下照度，保證水下視頻監(jiān)控的順利進行。
水下照明系統(tǒng)是通過PLC控制繼電器模塊，從而控制水下照明燈的開關(guān)，通過水密電纜為水下照明提供電源。試驗表明，水的衰減是光波長的復(fù)函數(shù)，光在水中傳播時，水對光會產(chǎn)生吸收和散射作用。在清澈透明的海水中，當(dāng)距離在1～2m時，顏色的傳遞能夠正確地反映出來；當(dāng)距離超過2m時，顏色就發(fā)生變化，并且變暗；當(dāng)距離超過6m時紅色消失；當(dāng)距離超過20 m時，紅色變成黑色，黃色光消失；當(dāng)距離超過30 m時，則全部呈現(xiàn)藍色或者藍綠色。在本次系統(tǒng)搭建中，對比了鹵素?zé)簟逕�、熒光燈、高壓汞燈等，LED矩陣相比于其他照明燈具有發(fā)光效率高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，因此本次水下照明燈采用LED
矩陣。其發(fā)光效率為200 1m/W，顯色指數(shù)80，使用壽命在2 000 h以上，使用電壓為36 V。
3視頻監(jiān)控系統(tǒng)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要具有大屏幕監(jiān)控、視頻存儲、視頻回放、用戶操作日志歸檔等功能。
當(dāng)水下攝像機得到水下監(jiān)控視頻后，通過視頻矩陣直接投放在大屏幕電視上，實現(xiàn)實時監(jiān)控；通過視頻采集卡將視頻保存在工控機中，實現(xiàn)視頻歸檔。整個系統(tǒng)采用VC++進行編譯，為了保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的操作完全，設(shè)計了用戶管理功能，只有相關(guān)權(quán)限的操作者才能對整個系統(tǒng)進行操作，并且將每個操作者的操作信息進行歸檔。
視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能如圖6所示。
整個監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒈O(jiān)控得到的視頻進行壓縮歸檔，采用4路視頻采集卡差分復(fù)合視頻輸入，PAL制式25幀／s，視頻壓縮方式為H．264，視頻分辨率為720×576。視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用的水下攝像機采用750試驗場生產(chǎn)的SXDS -5型水下攝像機，其工作電源為24 V，視場角為水平900，垂向67.50，分辨率為540線，靈敏度為0. 02 L u x，信號制式為PAL制25幀／s，
4控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于控制水下監(jiān)控設(shè)備及水下相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，用于保證水下監(jiān)控的視野變化。需要控制的對象主要有：錨體、水下云臺、水下攝像機與水下照明燈等。整個系統(tǒng)共有兩種監(jiān)控設(shè)備，即浮動式水下監(jiān)控與固定式水下監(jiān)控，其中浮動式水下監(jiān)控設(shè)備負責(zé)控制錨體電機、云臺電機、云臺旋轉(zhuǎn)電機、水深傳感器；固定式水下監(jiān)控設(shè)備負責(zé)控制云臺旋轉(zhuǎn)電機�？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制框圖如圖7所示。
控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于控制浮動監(jiān)控平臺及其電機，采集云臺和錨體上的深度傳感器，使其能夠配合水下攝像機進行視頻監(jiān)控，調(diào)整水下監(jiān)控區(qū)域。其工作過程如下。
通過上位機界面控制PLC來控制繼電器，實現(xiàn)電機、水下攝像機、水下照明燈的關(guān)斷；控制錨體電機、云臺電機、云臺轉(zhuǎn)動電機，實現(xiàn)水下錨體的上下運動、云臺的上下運動、云臺的轉(zhuǎn)動。通過采集云臺深度傳感器和錨體深度傳感器中的深度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對錨體和云臺上下位置的計算，使得云臺與錨體的鋼纜長度不超過在水池中的使用深度。
在本次設(shè)計中，為了保證上位機與淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)更好地進行信息交換，本系統(tǒng)采用與其相同的上位機軟件進行搭建，即西門子Win CC。同時使用西門子PLC對相關(guān)設(shè)備進行控制；錨體電機和云臺電機采用步進電機，電壓48 V，步矩角1.8。，額定扭矩為12 N-m：云臺旋轉(zhuǎn)電機采用24 V直流電機；深度傳感器采用投入式液位傳感器，其測量范圍為0.20 m，輸出范圍為4~20 m A。
5結(jié)束語
綜上所述，整個水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于浮動式監(jiān)控設(shè)備與固定式監(jiān)控設(shè)備的，通過增加浮動式監(jiān)控設(shè)備來改善水下視頻監(jiān)控的范圍，并且為了保證監(jiān)控與控制的流暢性，整個系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)與水下設(shè)備控制系統(tǒng)分開�？刂葡到y(tǒng)主界面采用Win CC編譯，使其與淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)及西門子PLC進行通信更為方便�？刂葡到y(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)提高了整個系統(tǒng)的可靠性與可維護性，方便了淺水測試場監(jiān)控系統(tǒng)的總控制。
