高端客滾船視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

代左信,楊顯義,田定軍,劉存暉,楊宏偉,宋磊

(1.招商局金陵船舶(威海)有限公司,山東 威海 264200;2.山東交通學(xué)院 船舶與港口工程學(xué)院,山東 威海 264200)

高效、簡便、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢使得客滾船在最近幾年迅速發(fā)展。因?yàn)椤翱汀钡拇嬖?客滾船的安全運(yùn)營尤為重要。其中的水滲漏、人為破壞是重要的潛在威脅之一。在經(jīng)濟(jì)運(yùn)營上,為了節(jié)約人工成本,船舶運(yùn)營中雇傭船員越來越少,這對船舶操作有了更高的要求。各類法規(guī)和船級社也已對該類型風(fēng)險做了設(shè)計要求。提早預(yù)警,持續(xù)監(jiān)控和擴(kuò)展視野降低碰撞幾率正是解決上述問題的重要手段之一。通過視頻監(jiān)控對船舶關(guān)鍵部位持續(xù)監(jiān)控,和對操作視野的延伸滿足客滾船的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)營?？紤]以3 100 m車道、927客、73船員的高端客滾船為分析對象,闡述視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計要點(diǎn)。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)簡介

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制站、攝像機(jī)、監(jiān)視器、控制鍵盤,以及傳輸電纜等組成,通過攝像、傳輸、顯示和儲存完成監(jiān)控流程。作為前端的視頻圖像信號采集的攝像機(jī)可分為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和模擬攝像機(jī),因網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)清晰度和傳輸線纜的原因,一般選用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)并采用PoE供電。通過攝像機(jī)的信號采集傳輸?shù)娇刂普?由控制站將視頻信號分配到監(jiān)視或者儲存設(shè)備。同時,操作人員可以通過控制站對云臺攝像機(jī)進(jìn)行上下左右操作和對鏡頭進(jìn)行調(diào)焦變距操作。

該系統(tǒng)主要有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和系統(tǒng)集成化的工作特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域和多個系統(tǒng)的連接,打破界限,整合整個網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備,完成集監(jiān)控、報警等多種功能。

2 規(guī)范對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求

視頻監(jiān)控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)一樣,在設(shè)計時必須遵循相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)則以及相關(guān)的設(shè)備安裝要求和推薦。高端客滾船的設(shè)計,主要參照ISPS、SOLAS法規(guī)要求以及參考DNVGL船級社規(guī)范[1-2]。

2.1 ISPS對限制區(qū)域和甲板的監(jiān)控設(shè)計要求

ISPS即《國際船舶和港口設(shè)施保安規(guī)則》中A部分規(guī)定的強(qiáng)制性要求中對處于保安等級1時的監(jiān)控防范措施為:監(jiān)控限制區(qū)域,確保只有經(jīng)過授權(quán)的人才能進(jìn)入和監(jiān)控甲板區(qū)域和船舶周圍區(qū)域。

2.2 SOLAS法規(guī)對視頻監(jiān)控的設(shè)計要求

關(guān)于水滲透的設(shè)計要求,SOLAS規(guī)范中第17-1條客滾船船體和上層建筑的完整性、破損的預(yù)防和控制中第3節(jié)提出應(yīng)設(shè)置電視監(jiān)視和水滲漏探測系統(tǒng),將可能通過內(nèi)、外首門、尾門或任何其他舷門導(dǎo)致特種處所或滾裝處所進(jìn)水的任何滲漏情況提供給駕駛室及發(fā)動機(jī)控制站。同時要求將以上任何滲漏情況提供給駕駛室及發(fā)動機(jī)控制站。第23條對客滾船的特殊要求中要求采取電視監(jiān)控之類的有效措施在航行途中不斷地巡視或監(jiān)控特種處所與滾裝處所,以便探知在惡劣天氣條件下任何車輛的移動和未經(jīng)允許而進(jìn)入這些處所的乘客。

2.3 DNVGL船級社NAUT-AW入級符號對視頻監(jiān)控設(shè)計的要求

當(dāng)前高端客滾船的橋樓一般為封閉式設(shè)計。封閉式橋樓設(shè)計對船舶舷側(cè)和尾部的視野范圍不佳,為滿足一人橋樓NAUT-AW入級符號的要求,駕駛室內(nèi)用于導(dǎo)航和操縱的工作站應(yīng)滿足在相距不超過15 m的2點(diǎn)內(nèi)取得水平視野不低于360°的要求。為此,舷側(cè)和尾部的監(jiān)控需要進(jìn)行視野延伸。

3 目標(biāo)船的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 目標(biāo)船的基本信息

目標(biāo)船配置有艉門、艏門和引水員門。具有3層滾裝貨艙甲板和1層汽車甲板,一、三、五層甲板為封閉區(qū)域,五甲板尾部是露天區(qū)域,七甲板由汽車甲板和公共處所組成,公共處所含舷梯通道、海上疏散救生系統(tǒng)和登乘區(qū)。十甲板包括直升機(jī)停機(jī)區(qū)域的乘客和船員開敞甲板,每層貨艙甲板有乘客電梯?？?。駕駛室為封閉式駕駛室,需要滿足DNVGL船級社一人橋樓的設(shè)計要求。

3.2 目標(biāo)船的監(jiān)控和視野需求

根據(jù)上述ISPS對限制區(qū)域和甲板的設(shè)計要求,目標(biāo)船的七甲板舷梯通道、登乘區(qū)和海上疏散救生區(qū)域定義為限制區(qū)域,航行時需要持續(xù)監(jiān)控,提早預(yù)警,以防未授權(quán)人士進(jìn)入該區(qū)域?？紤]該區(qū)域范圍大,視距長以及登乘時監(jiān)控需要,七甲板每舷配置3個攝像機(jī),共計6個,該攝像機(jī)為紅外帶加熱、雨刷和自動沖洗功能的不銹鋼室外攝像機(jī)。對于船舶周圍同等視為限制區(qū)域,以防未授權(quán)人士或未知危險從周圍海域或者空中抵達(dá)船舶,因此在十甲板首部區(qū)域左右舷位置和前后布置攝像機(jī),用于監(jiān)控左右舷和乘客公共區(qū)域,同時在十甲板首部、九甲板中心尾部、八甲板尾部左右舷和七甲板左右舷布置攝像機(jī),根據(jù)區(qū)域大小和攝像機(jī)性能選擇合適數(shù)量的攝像機(jī)。該攝像機(jī)應(yīng)為室外云臺紅外攝像機(jī),可通過控制器人工進(jìn)行360°無死角跟蹤監(jiān)控。

目標(biāo)船四甲板首部配置艏門一套,尾部配置艉門一套。船中位置左右舷各配置舷門一套。根據(jù)SOLAS法規(guī)對水滲透的視頻監(jiān)控的設(shè)計要求,對這些設(shè)備和位置應(yīng)該進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控?？紤]到汽車滾裝船貨艙區(qū)載貨的特殊性,該處所攝像機(jī)應(yīng)選擇無火花型,防護(hù)等級大于IP56,表面工作溫度不超過55 ℃。因此,艏門和左右舷門各配置一個適用于該處所的固定式攝像機(jī)。目標(biāo)船型寬約28 m,受制于產(chǎn)品的廣域度和安裝處所限制,可以考慮配置2個或以上的攝像機(jī)。目標(biāo)船的一、三、五甲板有乘客可抵達(dá)的通道,在相應(yīng)的出入口布置攝像機(jī)。

對于封閉式駕駛室的視野處理,采用布置攝像機(jī)來完成視野的延伸。目標(biāo)船帶有DNVGL船級社的NAUT-AW一人橋樓船級符號,需要考慮滿足一人操船的實(shí)際需求,因此操作員對視野的需求非常高且能根據(jù)需求調(diào)整視野畫面。而封閉式橋樓的特點(diǎn)就是環(huán)境封閉,視野受限,尤其是兩翼和船舶尾部視野影響較大。為解決這一問題,結(jié)合目標(biāo)船的設(shè)計特點(diǎn),在駕駛室兩翼各配置云臺攝像機(jī)1臺用于擴(kuò)展船舶兩翼的視野。在九甲板尾部中間配置云臺攝像機(jī)1臺,用于尾部視野的傳遞。駕駛室前部布置云臺攝像機(jī)1臺,用于擴(kuò)展首部視野。另外,船舶操控除了正常的推進(jìn)和倒車外,還有側(cè)移需求,因此對于一人操作來講,操縱模式不同,其工作位是不同的。這就需要提供多個視頻監(jiān)視器,便于工作。目標(biāo)船在駕駛室正前方和左右翼操作臺處各配置監(jiān)視器1臺,船舶前后和左右的視野均可以同時以九宮格形式顯示在監(jiān)視器上,以供操作參考。為了取得最佳的監(jiān)控效果,對滿足不同規(guī)范要求的攝像機(jī)布置位置往往會出現(xiàn)一個位置2個攝像機(jī)的情況,從規(guī)范設(shè)計和經(jīng)濟(jì)的角度來講,是沒有必要的。因此,用于ISPS的攝像機(jī)可以兼做一人橋樓的視野擴(kuò)展。

用于商業(yè)運(yùn)營的船舶,監(jiān)控設(shè)計除了滿足基本的法規(guī)要求外,還需要考慮日常運(yùn)營的視頻監(jiān)控,需要考慮不同的工作處所有不同的監(jiān)控需求。結(jié)合目標(biāo)船的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的規(guī)范布置要求、船舶特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要求,集控室和駕駛室配置1套用于全船監(jiān)控的工作站,能夠通過操作手柄或者鍵盤控制云臺攝像機(jī)。在貨控室和接待站各配置1套工作站,分別用于查看貨艙情況和上建公共區(qū)如免稅店、走廊等[3-4]。

3.3 目標(biāo)船的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為滿足規(guī)范要求和使用需求,目標(biāo)船分別在駕駛室、集控室、貨控室、接待站和免稅店安裝1組工作站。主要配置有駕駛室工作站,由1臺電腦、3臺19 in顯示器和1個鍵盤組成。其中1臺顯示器安裝于駕駛室前端中間頂部天花板上,另外2臺顯示器安裝在兩翼臺的頂部天花板上。電腦配置1個VGA接口,加裝顯卡1套,擴(kuò)充1個VGA接口和1個DP轉(zhuǎn)VGA接口,3個接口分別連接1臺顯示器。鍵盤可以通過網(wǎng)頁的方式切換到任意一臺顯示器并可以操控該顯示器畫面。該工作站可以查看全船的攝像機(jī)畫面。集控室工作站由1臺電腦,3臺19 in顯示器和1個鍵盤組成。電腦配置1個VGA接口,加裝1套顯卡,擴(kuò)充1個VGA接口和1個DP轉(zhuǎn)VGA接口,3個接口分別連接1臺顯示器。鍵盤可以通過網(wǎng)頁的方式切換到任意1臺顯示器并可以操控該顯示器畫面。該工作站可以查看全船的攝像機(jī)畫面。貨控室、接待站和免稅店只需要視頻監(jiān)控和查看功能,因此按照需求配置工作站,該工作站由1臺電腦、1臺19 in監(jiān)視器和1個鍵盤組成,通過客戶端方式監(jiān)控和操控攝像機(jī),分別用于貨艙區(qū)監(jiān)控畫面、旅客區(qū)畫面和免稅店畫面的監(jiān)控和切換。

工作站和各個攝像機(jī)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)電纜連接網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行信息采集和信號傳輸,各個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通過兩組網(wǎng)絡(luò)線纜連接,設(shè)計上實(shí)現(xiàn)冗余。同時網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的布置需要考慮TIA標(biāo)準(zhǔn),使網(wǎng)絡(luò)電纜長度避免產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)交換器的使用。目標(biāo)船含十層甲板,層高30余m,船長200多m,橫縱跨度大。因此分別在九甲板、八甲板前、中、后3個主豎區(qū)各配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)1臺,在七甲板前后主豎區(qū)配置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)各1臺,四甲板和二甲板配置交換機(jī)1臺?？傮w布置見圖1,長方框表示網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)分布示意

完成目標(biāo)船工作站配置和安裝位置及功能設(shè)定、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)布局和攝像機(jī)布置設(shè)計之后進(jìn)行圖紙布置和繪制網(wǎng)絡(luò)連接圖,攝像機(jī)與交換機(jī)的連接采用就近原則,減少網(wǎng)絡(luò)線纜的長度保證視頻信號傳輸?shù)倪B續(xù)和穩(wěn)定。目標(biāo)船的視頻監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接見圖2。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接示意

綜合上述設(shè)計,視頻監(jiān)控系統(tǒng)在高端客滾船上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在持續(xù)監(jiān)控,提供預(yù)警并滿足客戶實(shí)際需求。設(shè)計首先需要符合和滿足船舶法規(guī)的基本要求;其次,根據(jù)不同船舶型號的個性化需求,設(shè)計滿足客戶需要的商業(yè)監(jiān)控設(shè)計需要和功能擴(kuò)展;再者,還應(yīng)充分考慮設(shè)備的安裝環(huán)境,選擇合適產(chǎn)品。在滿足控制、監(jiān)控和設(shè)備選型之后,系統(tǒng)設(shè)計才能滿足相關(guān)要求。

目標(biāo)船通過實(shí)船檢驗(yàn),艏門、尾門和舷門、限制區(qū)域、一人橋樓視野擴(kuò)展完全符合規(guī)范要求。對商業(yè)監(jiān)控方面的設(shè)計也滿足客戶需求。

4 結(jié)論

目標(biāo)船利用攝像機(jī)采集畫面信息、交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和工作站終端顯示完成了全船重要區(qū)域監(jiān)控,其視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計形式已經(jīng)在高端客滾船上被廣泛采用。目標(biāo)船入級DNVGL船級社并帶有NAUT-AW船級符號,攝像機(jī)的布置不僅考慮監(jiān)控浸水情況、防海盜監(jiān)視還考慮了視野延伸,布置位置上可以與ISPS攝像機(jī)共用以節(jié)約成本。視頻監(jiān)控系統(tǒng)極大地減少了船員巡邏次數(shù)、勞動強(qiáng)度和問題發(fā)現(xiàn)不及時的隱患。

隨著監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展和船舶系統(tǒng)的多功能化和可擴(kuò)展性,船用視頻監(jiān)控系統(tǒng)還可以進(jìn)行系統(tǒng)拓展,為未來智能化船舶提供技術(shù)支持,如視頻網(wǎng)路系統(tǒng)安全區(qū)域監(jiān)控警戒、人臉識別、導(dǎo)視等。利用網(wǎng)絡(luò)和5G技術(shù),視頻信號可以通過VSAT等網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸?shù)礁鞔蟾劭诤痛居糜诎痘O(jiān)控,提高船舶運(yùn)行的安全性以及遠(yuǎn)程可視化操船。