Design and Build of the Underwater Video Monitoring System

張汝彬1　蘇　鋒1　陳　斌1　侯　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;哈爾濱工程大學機電學院2，黑龍江哈爾濱　150001)

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水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與搭建

國家科技重大專項基金資助項目(編號:2011ZX05027－004－04)。

修改稿收到日期:2015－07－21。

第一作者張汝彬(1985－)，男，2008年畢業(yè)于中國石油大學自動化專業(yè)，獲學士學位，工程師;主要從事水下控制相關工作的研究。

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)設施裝備測試時對其進行水下視頻監(jiān)控與觀察，使得設計者對設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)控使用設備的不同，其大致可以分為3類:固定式水下監(jiān)控設備、浮動式水下監(jiān)控設備、移動式水下監(jiān)控設備。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)控設備相比于固定式監(jiān)控設備，其成本相比較高，常用于海洋、湖泊等［1］，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［2－3］。

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)控設備與固定式水下監(jiān)控設備相結(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，測試設備通過水池旁邊的履帶式吊裝機吊入到水池中，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　視頻監(jiān)控系統(tǒng)分布圖Fig.1　The distribution map of the system

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180°。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。

圖2　視頻監(jiān)控系統(tǒng)立體示意圖Fig.2　The stareoscopic sketich map of the system

1.3總體方案設計

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。

圖3　整體系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3　The functional structure of overall system

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。

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。

圖4　水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.4 The block diagram of underwater video surveillance system

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、照明燈的開關功能。系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

圖5　淺水測試場浮動監(jiān)控平臺系統(tǒng)拓撲圖Fig.5 The topological diagram of floating monitoring platform system for shallow water test field

2　水下照明系統(tǒng)設計

太陽在晴天產(chǎn)生的照度約為105 Lux，但是在晴天的照度約為3×10－1Lux，當進行水下視頻監(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［4－5］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，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，當距離在1～2 m時，顏色的傳遞能夠正確地反映出來;當距離超過2 m時，顏色就發(fā)生變化，并且變暗;當距離超過6 m時紅色消失;當距離超過20 m時，紅色變成黑色，黃色光消失;當距離超過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，對比了鹵素燈、疝燈、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［6－8］、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 lm/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，設計了用戶管理功能，只有相關權(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。

圖6　水下電視系統(tǒng)監(jiān)控功能圖Fig.6 The monitoring function diagram of underwater video monitoring system

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合視頻輸入，PAL制式25幀/s，視頻壓縮方式為H.264［9－10］，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90°，垂向67.5°，分辨率為540線，靈敏度為0.02 Lux，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)控設備及水下相關數(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)控設備負責控制錨體電機、云臺電機、云臺旋轉(zhuǎn)電機、水深傳感器;固定式水下監(jiān)控設備負責控制云臺旋轉(zhuǎn)電機?？刂婆c數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制框圖如圖7所示。

圖7　控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制框圖Fig.7　The control block diagram of control and data acquisition system

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WinCC。同時使用西門子PLC對相關設備進行控制;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 mA。

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)控設備與固定式監(jiān)控設備的，通過增加浮動式監(jiān)控設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)與水下設備控制系統(tǒng)分開。控制系統(tǒng)主界面采用WinCC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。

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Design and Build of the Underwater Video Monitoring System

張汝彬1蘇鋒1陳斌1侯莉1謝超2蔡玉龍2
(海洋石油工程股份有限公司1，天津300051;哈爾濱工程大學機電學院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備、潛水員等工作畫面進行實時監(jiān)控、存儲的問題，設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)在硬件設備搭建時采用了浮動式水下監(jiān)控設備與固定式水下監(jiān)控設備相結(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WinCC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。

關鍵詞:水下視頻監(jiān)控浮動監(jiān)控控制系統(tǒng)VC + + WinCC數(shù)據(jù)采集PLC

Abstract:For tests conducted at the shallow water test site，monitoring and storage the working pictures of underwater equipment and drivers in real time are necessary，thus a set of underwater video monitoring system has been designed.For expanding the scope of monitoring，and improving the flexibility of the monitoring system，hardware equipment is set up by adopting the monitoring mode of combining floating underwater monitoring equipment and stationary underwater monitoring equipment.The video acquisition system is built by VC + +，the control system in slave computer is built by Siemens PLC and the interface in host computer is configured and programmed with WinCC.In test process，the underwater test pictures can be continuously and clearly monitored and stored by the system; the system is running stably and the operation is simple.

Keywords:Underwater video monitoring Underwater monitoring Control systemVC + +WinCC Data aquisition PLC

中圖分類號:TH－3; TP277

文獻標志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603009