水下視頻監控系統的設計與搭建

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;哈爾濱工程大學機電學院2，黑龍江哈爾濱　150001)

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水下視頻監控系統的設計與搭建

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年畢業于中國石油大學自動化專業，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

水下視頻監控是淺水測試場水下監控的一部分，其主要作用是在水下生產設施裝備測試時對其進行水下視頻監控與觀察，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，水下監控技術經過了幾十年的發展已經變得多種多樣。根據監控使用設備的不同，其大致可以分為3類:固定式水下監控設備、浮動式水下監控設備、移動式水下監控設備。這三種方式由于其本身機構及工作特點，各有長處。固定式監控設備成本低、穩定可靠，但監控區域有些局限;浮動式監控設備相比于固定式監控設備，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，能夠根據需要更換監控位置;移動式監控設備，監控靈活、成本高，需要一定的技術支持，常用于海洋的短暫監控［2－3］。

為滿足淺水測試場視頻監控的需要，同時降低成本，并保證監控區域的靈活性，采用基于浮動式水下監控設備與固定式水下監控設備相結合的水下視頻監控系統。

1　水下視頻監控系統總體方案設計

1.1系統功能

本次視頻監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。

該水下監控系統能夠實時監控水下設備測試過程畫面。根據水下視頻監控的需求，系統主要功能如下。

①監控區域可變換，根據需要，監控的區域能夠從不同位置、不同角度進行監控。

②實時在線監控，由于在進行水下視頻監控時，需要對其進行實時監控，因此為充分展示水下設備的測試過程，系統能夠在大屏幕上進行顯示。

③監控視頻可存儲，監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監控視頻可回放，監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監控系統安全性，為了保證監控視頻的安全性，進行了用戶權限設置。

1.2水池監控布置

由于淺水測試場水池為矩形，所以為保證視頻監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　視頻監控系統分布圖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，實現水下攝像機的上下轉動與左右轉動，其旋轉角度為180°。1#和2#是基于浮動監控平臺的攝像機，通過改變浮動監控平臺在水中的位置實現不同水池范圍的視頻監控，通過移動水下云臺實現不同深度的視頻監控，云臺上下運動水深為18 m，通過云臺的轉動實現不同角度的監控。視頻監控系統如圖2所示。

圖2　視頻監控系統立體示意圖Fig.2　The stareoscopic sketich map of the system

1.3總體方案設計

根據水下監控系統的功能要求，繪制整體系統功能結構圖，如圖3所示。

圖3　整體系統功能結構圖Fig.3　The functional structure of overall system

整個系統包含4部分，分別為水下照明系統、視頻監控系統、控制與數據采集系統、浮動監控平臺。其中水下照明系統、視頻監控系統、控制與數據采集系統完成水下監控與控制，浮動監控平臺是水下監控平臺的基礎。

水下視頻監控系統框圖如圖4所示。整個系統主要包含水下照明系統、視頻監控系統、控制和數據采集系統。

水下照明系統:系統包含照明燈等設備，主要是為水下視頻監控提供光源。

視頻監控系統:系統包含工控機、水下攝像機、視頻采集卡、視頻矩陣、大屏幕;系統的主要作用是采集保存來自水下的視頻監控數據，并將水下的實時監控視頻數據顯示在大屏幕中。

控制與數據采集系統:系統主要包含工控機、PLC、繼電器模塊、錨體電機、云臺電機和深度傳感器;系統的主要作用是控制水池設備的電源及浮動監控平臺錨體的上下運動與云臺的上下運動和轉動。

圖4　水下視頻監控系統框圖Fig.4 The block diagram of underwater video surveillance system

整個水下視頻監控系統工作過程如下:系統首先將兩個浮動監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到視頻監控系統中的視頻采集卡，然后在工控機中進行保存，并且傳輸到大屏幕中進行監控顯示，通過控制系統中的PLC對浮動監控平臺中的浮動監控平臺內的水下錨體、水下云臺、攝像機監控角度及固定式攝像機的監控角度進行控制。通過PLC對控制系統中的繼電器實現浮動監控平臺與攝像機、照明燈的開關功能。系統拓撲圖如圖5所示。

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

2　水下照明系統設計

太陽在晴天產生的照度約為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，保證水下視頻監控［4－5］的順利進行。

水下照明系統是通過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，光在水中傳播時，水對光會產生吸收和散射作用。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，則全部呈現藍色或者藍綠色。在本次系統搭建中，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光效率高、結構簡單［6－8］、成本低等優點，因此本次水下照明燈采用LED矩陣。其發光效率為200 lm/W，顯色指數80，使用壽命在2 000 h以上，使用電壓為36 V。

3　視頻監控系統

視頻監控系統主要具有大屏幕監控、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控視頻后，通過視頻矩陣直接投放在大屏幕電視上，實現實時監控;通過視頻采集卡將視頻保存在工控機中，實現視頻歸檔。整個系統采用VC + +進行編譯，為了保證視頻監控系統的操作完全，設計了用戶管理功能，只有相關權限的操作者才能對整個系統進行操作，并且將每個操作者的操作信息進行歸檔。

視頻監控系統功能如圖6所示。

圖6　水下電視系統監控功能圖Fig.6 The monitoring function diagram of underwater video monitoring system

整個監控系統能夠將監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。視頻監控系統使用的水下攝像機采用750試驗場生產的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　控制與數據采集系統

控制與數據采集系統主要用于控制水下監控設備及水下相關數據的采集，用于保證水下監控的視野變化。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。整個系統共有兩種監控設備，即浮動式水下監控與固定式水下監控，其中浮動式水下監控設備負責控制錨體電機、云臺電機、云臺旋轉電機、水深傳感器;固定式水下監控設備負責控制云臺旋轉電機。控制與數據采集系統控制框圖如圖7所示。

圖7　控制與數據采集系統控制框圖Fig.7　The control block diagram of control and data acquisition system

控制與數據采集系統主要用于控制浮動監控平臺及其電機，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控，調整水下監控區域。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、云臺轉動電機，實現水下錨體的上下運動、云臺的上下運動、云臺的轉動。通過采集云臺深度傳感器和錨體深度傳感器中的深度數據，實現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控系統更好地進行信息交換，本系統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　結束語

綜上所述，整個水下視頻監控系統是基于浮動式監控設備與固定式監控設備的，通過增加浮動式監控設備來改善水下視頻監控的范圍，并且為了保證監控與控制的流暢性，整個系統將視頻數據存儲系統與水下設備控制系統分開。控制系統主界面采用WinCC編譯，使其與淺水測試場監控系統及西門子PLC進行通信更為方便。控制系統與監控系統提高了整個系統的可靠性與可維護性，方便了淺水測試場監控系統的總控制。

參考文獻

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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控、存儲的問題，設計了一套水下視頻監控系統。為擴大監控范圍、提高監控系統的靈活性，系統在硬件設備搭建時采用了浮動式水下監控設備與固定式水下監控設備相結合的監控方式。其中視頻采集系統使用VC + +進行搭建，控制系統下位機部分使用西門子PLC搭建，并使用WinCC軟件組態編寫上位機界面。在測試過程中，系統能夠清晰、連續地對水下測試畫面進行監控及存儲，控制系統運行穩定，操作簡便。

關鍵詞:水下視頻監控浮動監控控制系統VC + + WinCC數據采集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