基于CCTV技術的視線補償設計與應用

沈 愷,姚 文

(中船澄西船舶修造有限公司,江蘇 江陰 214433)

0 引言

風力轉子技術作為一種環保節能的設備,逐漸得到航運業的青睞。然而,受到安裝位置和尺寸的限制,風力轉子設備會導致駕駛員的視線盲區,給船舶的駕駛安全性帶來威脅。因此,如何解決風力轉子設備帶來的視線盲區,以及改善駕駛員的視線情況,是當前亟待解決的問題。傳統的視線補償方法主要采用人工進行視線補償,即在駕駛室內增加觀察窗口或通過調整駕駛員的坐姿等方式來改善駕駛員的視線情況。然而,這些方法都有其局限性,例如增加觀察窗口需要占用船舶的空間,而調整駕駛員的坐姿則容易引起船舶操作的不穩定性。因此,傳統方法無法完全解決風力轉子設備帶來的視線盲區問題。

近年來,隨著攝像技術的不斷發展,基于CCTV技術的視線補償方法逐漸成為研究的熱點。該方法通過安裝在船上的CCTV設備,實現對駕駛室盲區的實時監控,從而改善駕駛員的視線情況,增加對船舶周圍環境的觀察能力,提高船舶的駕駛安全性。在對船舶航行安全方面的研究中,船舶交通服務、船舶航行路線、對海上及沿海船舶運動監測是最重要的課題[1]。

本文以某45 000載重噸散貨船加裝4個風力助推轉子進行節能技術改造為背景,提出基于CCTV技術的視線補償設計方案,詳細分析該方案的設計、實施效果和相關技術細節。

1 視線盲區分析

《國內航行海船法定檢驗技術規則》(2020)第4篇第5章第5.2.2條“駕駛室視域”第5.2.2.1(1)條規定:從駕駛位置上所見的海面視域,在所有吃水、縱傾和甲板貨狀態下,自船首前方至任何一舷 10°范圍內均不應有兩個船身以上的長度或500 m(取其小者)遮擋;第5.2.2.1(2)條規定:在駕駛室外正橫前方從駕駛位置所見的海面視域內任何由貨物、起貨裝置或其他障礙物造成的盲視形區域的遮擋,不應超過10°。盲視扇形區域的總弧度不應超過20°。在盲視區之間的可視扇形區域應至少為5°[2]。但在本條(1)中所述之視域內,每一單獨的盲視區均不應超過5°。

按照國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)提供的視線確定方法,將距離駕駛室前艙壁750 mm的位置作為指揮位置,此時轉子對于視線的遮蔽角度約為5.49°。

根據上述及條款規定,本船的改裝方案不符合自船首前方至任何一舷10°范圍內,每一單獨的盲視區均不應超過5°的要求。駕駛室視線的遮蔽情況見圖1。

圖1 駕駛室視線遮蔽情況(單位:mm)

因此,需要通過CCTV技術的視線補償設計來解決視線盲區問題,保證駕駛員的視線不被遮擋,提高船舶駕駛的安全性和效率。

2 CCTV監視系統攝像機的安裝位置分析

在CCTV監視系統的視線補償設計中,合理的攝像機安裝位置和布局可大大減少視線盲區,提高監控效果。因此,在設計CCTV監視系統時,必須詳細規劃和設計攝像機的安裝位置和布局。

(1)為了能夠全方位地監控船舶周圍的環境,CCTV監視系統的攝像機必須選擇合適的安裝位置。在船上,攝像機的安裝位置主要有以下幾種:甲板、桅桿、船頭、船尾、駕駛室、機房等。不同的位置可以監控不同的區域,因此需要根據監控需求和實際情況進行選擇。 (2)通過使用船舶視線仿真軟件,對散貨船在不同高度位置上的視線盲區進行模擬分析。在分析中,需要考慮轉子設備的尺寸、形狀、位置及船型和尺寸等因素。另外,還需比較不同高度位置上的視線盲區大小和位置。45 000載重噸散貨船駕駛室視線盲區是由甲板面4個轉子依次形成的,如果考慮在上建區域布置攝像頭,是不能夠從根本上解決視線盲區問題的。因此,要從根本上解決問題,可選擇在前桅上靠近桅燈處安裝CCTV攝像機,最大程度地覆蓋視線盲區,并確保在視線補償效果方面達到最佳性能。

同時,根據船上操作人員的實際視線需求,如靠港、離港、航行中等情況下的視線要求,選擇最佳的安裝高度,以確保操作人員在實際操作中能夠獲得清晰、準確的視線信息。另外,考慮到前桅上的空間限制、船舶結構強度和穩定性等因素,對選擇的安裝位置進行合理性評估。

最終,CCTV攝像頭安裝高度設定為:水線以上16.9 m,水平角度57.6°,見圖2。

Loa—船長;A—通過駕駛室視線點與船首端相連,延伸出去部分的長度。

3 CCTV監視系統的搭建和配置

CCTV監視系統的搭建和配置是非常重要的環節。一個好的監視系統搭建和配置能夠有效地提高監控的效率和準確性,為視線補償設計提供更好的保障。

3.1 系統組成

閉路電視視頻監視系統大致是由前端圖像的采集、 視頻圖像和控制信號傳輸部分、視頻圖像記錄及顯示等組成[3],其中:攝像機是整個系統的核心,負責捕捉監控區域內的圖像;DVR負責錄制、存儲和回放攝像機捕捉的圖像;監視器用于顯示DVR錄制的視頻;存儲設備用于存儲DVR錄制的視頻數據,如硬盤或光盤;配電設備用于為整個系統提供電力。CCTV系統組成見圖3。

圖3 CCTV系統簡易圖

3.2 攝像機的選擇和配置

在視線補償設計中,應根據監控區域的特點選擇不同種類的攝像機,并將其合理配置。

(1)在選擇攝像機時,配置了圖像傳感器、圖像處理器和通訊模塊在所選的CCTV攝像機上,用于獲取實時視頻信號并傳輸到駕駛室顯示設備。通過圖像處理算法對CCTV傳輸的實時視頻信號進行視線補償處理,修復視線盲區的圖像,增強圖像的亮度、對比度、銳度等。

(2)在傳輸信號的線路上采用光纖作為傳輸電纜,更好地保證了信號傳輸的穩定性。

(3)根據圖2的監控區域的大小和復雜程度選擇了合適的鏡頭焦距、視場角及可視范圍,以保證捕捉到清晰的圖像。同時,考慮到攝像機的分辨率和靈敏度,以及是否具備夜視功能等特點,以便在不同的環境中提供更好的監控效果。

(4)較短的焦距可以提供更廣闊的視野,但圖像可能較為模糊。較長的焦距可以提供更遠的視距和更清晰的圖像,但視野較窄。因此,根據船舶試航時的實際情況進行了焦距和視場角的優化選擇,以平衡視野和圖像清晰度的需求。

(5)結合雷達的數據信號進行多源數據融合和綜合分析,實現對駕駛員視線盲區的全面監測和補償,提供更全面、準確的環境感知。

最終攝像機的參數如下:焦距4.8～120.0 mm,白天/夜間模式自動切換,可視角度:水平57.6°(W廣角)～2.5°(T長焦),垂直34.4°(W廣角)～1.4°(T長焦),最小可視距離1.0 m,有效可視距離2 000 m,可手動/自動/一次對焦。

3.3 DVR的選擇和配置

DVR是監視系統的核心設備之一,它負責錄制、存儲和回放攝像機捕捉的圖像。在選擇DVR時,根據監控區域的大小和復雜程度選擇合適的存儲容量,并注意其錄制質量和壓縮方式的選擇,以便在保證圖像質量的同時節約存儲空間。在配置DVR時,根據監控需求設置了合適的錄制模式和時間,以及報警功能等設置。最終實際錄制容量能夠保證記錄不少于一個月,完全滿足船舶使用情況。此外,還配置了DVR的網絡功能,以方便后期遠程監控和數據傳輸。

3.4 監視器

監視器作為CCTV系統的顯示設備,是將DVR錄制下來的視頻信號轉化為可視化的圖像的重要媒介。在選擇監視器時,需要考慮顯示分辨率、屏幕大小、反應時間和亮度等因素。

(1)顯示分辨率是影響監視器質量的一個重要因素。分辨率越高,圖像的清晰度就越高,細節也更加清晰。此方案中選擇了高分辨率的監視器,以保證監控畫面的清晰度。

(2)反應時間也是選擇監視器時需要考慮的一個因素。反應時間越短,圖像的穩定性就越高,監控運動物體時也更加流暢。在CCTV系統中,選擇反應時間低于5 ms的監視器。

(3)亮度也是一個重要的考慮因素。如果監視器的亮度不足,則會導致監控畫面的細節丟失,無法有效地進行監控。因此,在選擇監視器時需要考慮適當的亮度,以保證畫面的清晰度和穩定性。

(4)選擇監視器時,還需要考慮監視器的可靠性和耐用性。在海上環境中,氣候惡劣,船體振動大,因此需要選擇具有防水、防振和耐用性能的監視器。這樣可以有效保護監視器不受海水侵蝕,同時也能夠有效地保護監視器免受機械損壞。

最終,采用船用加固顯示器。該顯示器支持VGA/HDMI/DVI多種信號輸入,抗干擾能力強,圖像清晰; 支持旋鈕調光/按鍵調光2種方式,可實現調到全黑,亮度變化平緩無突變。 顯示屏幕采用電子鋼化玻璃,前面框采用12 mm厚鋁面板加固。 結構具有良好的抗振性能和散熱功能;內部做三防處理,具有良好的防潮、防鹽霧、防霉能力。

3.5 設計優化

為了確保CCTV視線補償系統的穩定性和可靠性,該方案進行了如下防護設計及冗余設計:

(1)防止設備損壞:增強攝像頭玻璃的抗浪強度,增設不銹鋼保護罩,將布置位置提高至結構水線以上16.9 m,以加強設備底座的防腐性。

(2)防止設備進水、結冰:攝像頭采用IP68防水設計;增加加熱功能及雨刷功能。

(3)防止夜晚圖像不清晰:增加夜視功能即增加紅外線傳感器,采用高效紅外/白光陣列燈,可視有效距離高達2 000 m。

(4)系統冗余設計:增設1套CCTV系統作為備用,當1套出現故障,可以利用另外1套作為視線補償;設備供電采用正常、應急二路供電;同時設備電纜布線,采用鋼管保護并布置在艙口圍板保護區域防止電纜損壞。

(5)定期維護和校準:根據編制的風險控制措施手冊定期檢查攝像頭的清潔情況,調整焦距、視場角等參數,以保持最佳的圖像質量和視線補償效果。

4 結論

(1)安裝CCTV設備后,駕駛員的視線范圍得到了顯著擴大,盲區問題得到了有效解決。同時,駕駛員對船舶周圍環境的觀察能力也得到了提高,進一步提高了駕駛安全性。

(2)由于CCTV設備具有高可靠性和耐用性,可以適應惡劣海況和長時間使用的要求。

(3)該方案采用了數字化管理和監控,可以實現遠程控制和管理,提高了船舶的管理效率和船員的工作效率。

(4)由于CCTV設備的普及和成本的降低,該方案的成本相對較低,適用于各類船舶。隨著技術的不斷進步和成本的進一步降低,CCTV設備的普及率將會越來越高,成為船舶安全管理的重要手段之一。

(5)未來,基于CCTV技術的船舶安全管理方案將會越來越普及和完善。基于CCTV技術的船舶安全管理方案也可以與其他技術手段相結合,實現更加全面和高效的船舶安全管理。