张汝彬1 苏峰 1 陈 斌1 候 莉1 谢 超2 蔡玉龙2
(海洋石油工程股份有限公司1，天津300051;哈尔滨工程大学机电学院2，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：针对浅水测试场在测试时需要对水下设备、潜水员等工作画面进行实时监控、存储的问题，设计了一套水下视频监控系统。为扩大监控范围、提高监控系统的灵活性，系统在硬件设备搭建时采用了浮动式水下监控设备与固定式水下监控设备相结合的监控方式。其中视频采集系统使用VC++进行搭建，控制系统下位机部分使用西门子PLC搭建，并使用W in CC软件组态编写上位机界面。在测试过程中，系统能够清晰、连续地对水下测试画面进行监控及存储，控制系统运行稳定，操作简便。
关键词：水下视频监控浮动监控控制系统VC++Win CC数据采集PLC
中图分类号：TH -3；TP277DOI：10.16086/j．cnki.issnl000 - 0380. 201603009
0引言
水下视频监控是浅水测试场水下监控的一部分，其主要作用是在水下生产设施装备测试时对其进行水下视频监控与观察，使得设计者对设备在水下的工作状况有更直观的了解。
由于人们的使用需要，水下监控技术经过了几十年的发展已经变得多种多样。根据监控使用设备的不同，其大致可以分为3类：固定式水下监控设备、浮动式水下监控设备、移动式水下监控设备。这三种方式由于其本身机构及工作特点，各有长处。固定式监控设备成本低、稳定可靠，但监控区域有些局限；浮动式监控设备相比于固定式监控设备，其成本相比较高，常用于海洋、湖泊等，但是由于其通过锚缆固定，能够根据需要更换监控位置；移动式监控设备，监控灵活、成本高，需要一定的技术支持，常用于海洋的短暂监控。
为满足浅水测试场视频监控的需要，同时降低成本，并保证监控区域的灵活性，采用基于浮动式水下监控设备与固定式水下监控设备相结合的水下视频监控系统。
1水下视频监控系统总体方案设计
1.1 系统功能
本次视频监控的试验场地是人工水池，深度为18 m，长36 m，宽36 m。水池属于露天环境，测试设备通过水池旁边的履带式吊装机吊人到水池中，水池基本为静水。
该水下监控系统能够实时监控水下设备测试过程画面。根据水下视频监控的需求，系统主要功能如下。
①监控区域可变换，根据需要，监控的区域能够从不同位置、不同角度进行监控。
②实时在线监控，由于在进行水下视频监控时，需要对其进行实时监控，因此为充分展示水下设备的测试过程，系统能够在大屏幕上进行显示。
③监控视频可存储，监控得到的重要过程画面能够进行保存，保存时长大于2 000 h。
④监控视频可回放，监控采集保存的视频能够按所需时间进行暂停、回放、截屏或放大。
⑤监控系统安全性，为了保证监控视频的安全性，进行了用户权限设置。
1.2水池监控布置
由于浅水测试场水池为矩形，所以为保证视频监控时对水池进行全方位的覆盖，共布置4台摄像机，如图1所示。
图1中，2#和4#是固定在安装架的摄像机，安装架安装在水池底部，通过水下云台的作用，实现水下摄像机的上下转动与左右转动，其旋转角度为1800。1#和2#是基于浮动监控平台的摄像机，通过改变浮动监控平台在水中的位置实现不同水池范围的视频监控，通过移动水下云台实现不同深度的视频监控，云台上下运动水深为18 m，通过云台的转动实现不同角度的监控。视频监控系统如图2所示。
1.3总体方案设计
根据水下监控系统的功能要求，绘制整体系统功能结构图，如图3所示。
整个系统包含4部分，分别为水下照明系统、视频监控系统、控制与数据采集系统、浮动监控平台。其中水下照明系统、视频监控系统、控制与数据采集系统完成水下监控与控制，浮动监控平台是水下监控平台的基础。
水下视频监控系统框图如图4所示。整个系统主要包含水下照明系统、视频监控系统、控制和数据采集系统。
水下照明系统：系统包含照明灯等设备，主要是为水下视频监控提供光源。
视频监控系统：系统包含工控机、水下摄像机、视频采集卡、视频矩阵、大屏幕；系统的主要作用是采集保存来自水下的视频监控数据，并将水下的实时监控视频数据显示在大屏幕中。
控制与数据采集系统：系统主要包含工控机、PLC、继电器模块、锚体电机、云台电机和深度传感器；系统的主要作用是控制水池设备的电源及浮动监控平台锚体的上下运动与云台的上下运动和转动。
整个水下视频监控系统工作过程如下：系统首先将两个浮动监控平台上的摄像机与两个固定式摄像机采集到的视频信号传输到视频监控系统中的视频采集卡，然后在工控机中进行保存，并且传输到大屏幕中进行监控显示，通过控制系统中的PLC对浮动监控平台中的浮动监控平台内的水下锚体、水下云台、摄像机监控角度及固定式摄像机的监控角度进行控制。通过PLC对控制系统中的继电器实现浮动监控平台与摄像机、照明灯的开关功能。系统拓扑图如图5所示。
2水下照明系统设计
太阳在晴天产生的照度约为105 L u x，但是在晴天的照度约为3×10-1Lux，当进行水下视频监控时，即使在最清的水中也无法看见，因此必须人为地增加照度，即在浅水测试场增加水下照明灯，从而改善夜间或者阴天情况下的水下照度，保证水下视频监控的顺利进行。
水下照明系统是通过PLC控制继电器模块，从而控制水下照明灯的开关，通过水密电缆为水下照明提供电源。试验表明，水的衰减是光波长的复函数，光在水中传播时，水对光会产生吸收和散射作用。在清澈透明的海水中，当距离在1～2m时，颜色的传递能够正确地反映出来；当距离超过2m时，颜色就发生变化，并且变暗；当距离超过6m时红色消失；当距离超过20 m时，红色变成黑色，黄色光消失；当距离超过30 m时，则全部呈现蓝色或者蓝绿色。在本次系统搭建中，对比了卤素灯、疝灯、荧光灯、高压汞灯等，LED矩阵相比于其他照明灯具有发光效率高、结构简单、成本低等优点，因此本次水下照明灯采用LED
矩阵。其发光效率为200 1m/W，显色指数80，使用寿命在2 000 h以上，使用电压为36 V。
3视频监控系统
视频监控系统主要具有大屏幕监控、视频存储、视频回放、用户操作日志归档等功能。
当水下摄像机得到水下监控视频后，通过视频矩阵直接投放在大屏幕电视上，实现实时监控；通过视频采集卡将视频保存在工控机中，实现视频归档。整个系统采用VC++进行编译，为了保证视频监控系统的操作完全，设计了用户管理功能，只有相关权限的操作者才能对整个系统进行操作，并且将每个操作者的操作信息进行归档。
视频监控系统功能如图6所示。
整个监控系统能够将监控得到的视频进行压缩归档，采用4路视频采集卡差分复合视频输入，PAL制式25帧／s，视频压缩方式为H．264，视频分辨率为720×576。视频监控系统使用的水下摄像机采用750试验场生产的SXDS -5型水下摄像机，其工作电源为24 V，视场角为水平900，垂向67.50，分辨率为540线，灵敏度为0. 02 L u x，信号制式为PAL制25帧／s，
4控制与数据采集系统
控制与数据采集系统主要用于控制水下监控设备及水下相关数据的采集，用于保证水下监控的视野变化。需要控制的对象主要有：锚体、水下云台、水下摄像机与水下照明灯等。整个系统共有两种监控设备，即浮动式水下监控与固定式水下监控，其中浮动式水下监控设备负责控制锚体电机、云台电机、云台旋转电机、水深传感器；固定式水下监控设备负责控制云台旋转电机。控制与数据采集系统控制框图如图7所示。
控制与数据采集系统主要用于控制浮动监控平台及其电机，采集云台和锚体上的深度传感器，使其能够配合水下摄像机进行视频监控，调整水下监控区域。其工作过程如下。
通过上位机界面控制PLC来控制继电器，实现电机、水下摄像机、水下照明灯的关断；控制锚体电机、云台电机、云台转动电机，实现水下锚体的上下运动、云台的上下运动、云台的转动。通过采集云台深度传感器和锚体深度传感器中的深度数据，实现了对锚体和云台上下位置的计算，使得云台与锚体的钢缆长度不超过在水池中的使用深度。
在本次设计中，为了保证上位机与浅水测试场监控系统更好地进行信息交换，本系统采用与其相同的上位机软件进行搭建，即西门子Win CC。同时使用西门子PLC对相关设备进行控制；锚体电机和云台电机采用步进电机，电压48 V，步矩角1.8。，额定扭矩为12 N-m：云台旋转电机采用24 V直流电机；深度传感器采用投入式液位传感器，其测量范围为0.20 m，输出范围为4~20 m A。
5结束语
综上所述，整个水下视频监控系统是基于浮动式监控设备与固定式监控设备的，通过增加浮动式监控设备来改善水下视频监控的范围，并且为了保证监控与控制的流畅性，整个系统将视频数据存储系统与水下设备控制系统分开。控制系统主界面采用Win CC编译，使其与浅水测试场监控系统及西门子PLC进行通信更为方便。控制系统与监控系统提高了整个系统的可靠性与可维护性，方便了浅水测试场监控系统的总控制。
