水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

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(xué)機(jī)電學(xué)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(shè)計(jì)與搭建

國(guó)家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):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(guó)石油大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師;主要從事水下控制相關(guān)工作的研究。

0　引言

水下視頻監(jiān)控是淺水測(cè)試場(chǎng)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(cè)試時(shí)對(duì)其進(jìn)行水下視頻監(jiān)控與觀察，使得設(shè)計(jì)者對(duì)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(dòng)式水下監(jiān)控設(shè)備、移動(dòng)式水下監(jiān)控設(shè)備。這三種方式由于其本身機(jī)構(gòu)及工作特點(diǎn)，各有長(zhǎng)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(dòng)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［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(dòng)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［2－3］。

為滿足淺水測(cè)試場(chǎng)視頻監(jiān)控的需要，同時(shí)降低成本，并保證監(jiān)控區(qū)域的靈活性，采用基于浮動(dòng)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(jì)

1.1系統(tǒng)功能

本次視頻監(jiān)控的試驗(yàn)場(chǎng)地是人工水池，深度為18 m，長(zhǎng)36 m，寬36 m。水池屬于露天環(huán)境，測(cè)試設(shè)備通過水池旁邊的履帶式吊裝機(jī)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(shí)監(jiān)控水下設(shè)備測(cè)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(jìn)行監(jiān)控。

②實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，由于在進(jìn)行水下視頻監(jiān)控時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此為充分展示水下設(shè)備的測(cè)試過程，系統(tǒng)能夠在大屏幕上進(jìn)行顯示。

③監(jiān)控視頻可存儲(chǔ)，監(jiān)控得到的重要過程畫面能夠進(jìn)行保存，保存時(shí)長(zhǎng)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(shí)間進(jìn)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(jìn)行了用戶權(quán)限設(shè)置。

1.2水池監(jiān)控布置

由于淺水測(cè)試場(chǎng)水池為矩形，所以為保證視頻監(jiān)控時(shí)對(duì)水池進(jìn)行全方位的覆蓋，共布置4臺(tái)攝像機(jī)，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(jī)，安裝架安裝在水池底部，通過水下云臺(tái)的作用，實(shí)現(xiàn)水下攝像機(jī)的上下轉(zhuǎn)動(dòng)與左右轉(zhuǎn)動(dòng)，其旋轉(zhuǎn)角度為180°。1#和2#是基于浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)的攝像機(jī)，通過改變浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)在水中的位置實(shí)現(xiàn)不同水池范圍的視頻監(jiān)控，通過移動(dòng)水下云臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同深度的視頻監(jiān)控，云臺(tái)上下運(yùn)動(dòng)水深為18 m，通過云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)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(shè)計(jì)

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(gè)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(dòng)監(jiān)控平臺(tái)。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(dòng)監(jiān)控平臺(tái)是水下監(jiān)控平臺(tái)的基礎(chǔ)。

水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)框圖如圖4所示。整個(gè)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(jī)、水下攝像機(jī)、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?cái)?shù)據(jù)，并將水下的實(shí)時(shí)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(jī)、PLC、繼電器模塊、錨體電機(jī)、云臺(tái)電機(jī)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(dòng)監(jiān)控平臺(tái)錨體的上下運(yùn)動(dòng)與云臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

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(gè)水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)工作過程如下:系統(tǒng)首先將兩個(gè)浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)上的攝像機(jī)與兩個(gè)固定式攝像機(jī)采集到的視頻信號(hào)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(jī)中進(jìn)行保存，并且傳輸?shù)酱笃聊恢羞M(jìn)行監(jiān)控顯示，通過控制系統(tǒng)中的PLC對(duì)浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)中的浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)內(nèi)的水下錨體、水下云臺(tái)、攝像機(jī)監(jiān)控角度及固定式攝像機(jī)的監(jiān)控角度進(jìn)行控制。通過PLC對(duì)控制系統(tǒng)中的繼電器實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)與攝像機(jī)、照明燈的開關(guān)功能。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖5所示。

圖5　淺水測(cè)試場(chǎng)浮動(dòng)監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.5 The topological diagram of floating monitoring platform system for shallow water test field

2　水下照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)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(dāng)進(jìn)行水下視頻監(jiān)控時(shí)，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(cè)試場(chǎng)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(jìn)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(yàn)表明，水的衰減是光波長(zhǎng)的復(fù)函數(shù)，光在水中傳播時(shí)，水對(duì)光會(huì)產(chǎn)生吸收和散射作用。在清澈透明的海水中，當(dāng)距離在1～2 m時(shí)，顏色的傳遞能夠正確地反映出來;當(dāng)距離超過2 m時(shí)，顏色就發(fā)生變化，并且變暗;當(dāng)距離超過6 m時(shí)紅色消失;當(dāng)距離超過20 m時(shí)，紅色變成黑色，黃色光消失;當(dāng)距離超過30 m時(shí)，則全部呈現(xiàn)藍(lán)色或者藍(lán)綠色。在本次系統(tǒng)搭建中，對(duì)比了鹵素?zé)?、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(jiǎn)單［6－8］、成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(chǔ)、視頻回放、用戶操作日志歸檔等功能。

當(dāng)水下攝像機(jī)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控;通過視頻采集卡將視頻保存在工控機(jī)中，實(shí)現(xiàn)視頻歸檔。整個(gè)系統(tǒng)采用VC + +進(jìn)行編譯，為了保證視頻監(jiān)控系統(tǒng)的操作完全，設(shè)計(jì)了用戶管理功能，只有相關(guān)權(quán)限的操作者才能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，并且將每個(gè)操作者的操作信息進(jìn)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(gè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒈O(jiān)控得到的視頻進(jìn)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［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(jī)采用750試驗(yàn)場(chǎng)生產(chǎn)的SXDS－5型水下攝像機(jī)，其工作電源為24 V，視場(chǎng)角為水平90°，垂向67.5°，分辨率為540線，靈敏度為0.02 Lux，信號(hào)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(duì)象主要有:錨體、水下云臺(tái)、水下攝像機(jī)與水下照明燈等。整個(gè)系統(tǒng)共有兩種監(jiān)控設(shè)備，即浮動(dòng)式水下監(jiān)控與固定式水下監(jiān)控，其中浮動(dòng)式水下監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)控制錨體電機(jī)、云臺(tái)電機(jī)、云臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)、水深傳感器;固定式水下監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)控制云臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)?？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(dòng)監(jiān)控平臺(tái)及其電機(jī)，采集云臺(tái)和錨體上的深度傳感器，使其能夠配合水下攝像機(jī)進(jìn)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(jī)界面控制PLC來控制繼電器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)、水下攝像機(jī)、水下照明燈的關(guān)斷;控制錨體電機(jī)、云臺(tái)電機(jī)、云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)水下錨體的上下運(yùn)動(dòng)、云臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)、云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過采集云臺(tái)深度傳感器和錨體深度傳感器中的深度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)錨體和云臺(tái)上下位置的計(jì)算，使得云臺(tái)與錨體的鋼纜長(zhǎng)度不超過在水池中的使用深度。

在本次設(shè)計(jì)中，為了保證上位機(jī)與淺水測(cè)試場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)更好地進(jìn)行信息交換，本系統(tǒng)采用與其相同的上位機(jī)軟件進(jìn)行搭建，即西門子WinCC。同時(shí)使用西門子PLC對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制;錨體電機(jī)和云臺(tái)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，電壓48 V，步矩角1.8°，額定扭矩為12 N·m;云臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用24 V直流電機(jī);深度傳感器采用投入式液位傳感器，其測(cè)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(gè)水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)是基于浮動(dòng)式監(jiān)控設(shè)備與固定式監(jiān)控設(shè)備的，通過增加浮動(dòng)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(gè)系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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WinCC編譯，使其與淺水測(cè)試場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)及西門子PLC進(jìn)行通信更為方便。控制系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性，方便了淺水測(cè)試場(chǎng)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(xué)機(jī)電學(xué)院2，黑龍江哈爾濱150001)

摘要:針對(duì)淺水測(cè)試場(chǎng)在測(cè)試時(shí)需要對(duì)水下設(shè)備、潛水員等工作畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、存儲(chǔ)的問題，設(shè)計(jì)了一套水下視頻監(jiān)控系統(tǒng)。為擴(kuò)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(shí)采用了浮動(dòng)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(jìn)行搭建，控制系統(tǒng)下位機(jī)部分使用西門子PLC搭建，并使用WinCC軟件組態(tài)編寫上位機(jī)界面。在測(cè)試過程中，系統(tǒng)能夠清晰、連續(xù)地對(duì)水下測(cè)試畫面進(jìn)行監(jiān)控及存儲(chǔ)，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便。

關(guān)鍵詞:水下視頻監(jiān)控浮動(dòng)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(hào):TH－3; TP277

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603009