视频传输及切换系统在犁式挖沟机上的应用

2020-06-15齐红波夏宝莹张熠洲邱华斌汪林凡

设备管理与维修 2020年11期

齐红波，夏宝莹，张熠洲，邱华斌，汪林凡

（深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067）

0 引言

目前国内首台VMP500 型深海犁式挖沟机（简称挖沟犁），用于水深500 m 以内深海管缆挖沟作业。在挖沟犁水下作业时，一方面需通过一组水下摄像头实时传递海底视频到挖沟犁控制间、船舶驾驶台、中控室以及ROV 机舱，供操作和指挥人员监控；另一方面整套设备包含电脑以及避障声呐、剖面声呐、罗经、高度计、深度计等水下仪器，需要屏幕监控。由于配套的挖沟犁控制间空间有限，显示幕墙最多只能安装10 个19"液晶显示屏，用于人机交互和水下监控。因此该挖沟犁需要一套性能可靠的视频传输及切换系统，用于同时实现视频远距离传送至船舶驾驶台、中控室、ROV 机舱和挖沟犁控制间内各显示屏显示画面自由切换。

1 犁式挖沟机视频传输及切换系统特点

1.1 与陆上控制室视频系统的区别

陆上控制系统一般不受空间限制，厂区作业端人眼可直接观察。陆上过程控制及信号采集这部分视频信号一般只需显示在中控室电脑屏幕或幕墙，无需传输到其他地方。厂区摄像头一般只用于安防监控，其视频信号由网络录像机处理。两种视频信号用途不同，没有交叉点。因此一般在设计和使用上不用考虑复合，各自独立使用。

挖沟犁深海挖沟作业时，摄像头的作用相当于人眼，能观察和反馈施工过程。挖沟犁过程控制都需要结合摄像头反馈的数据来调整。因此监控视频信号和摄像头视频信号需要结合在一起，共同显示在幕墙上，供相关人员观看。犁式挖沟机控制间如图1 所示，控制间的10 台液晶显示器，分2 行5 列安装。显示器支持VGA、BNC、DVI、S-video 接口，且可以自动检测信号并予以显示。

1.2 挖沟犁视频传输和切换系统特点

挖沟犁的视频传输及切换系统，涉及到的视频信号分为复合视频信号和VGA 模拟视频信号。对应的接口分别为BNC 和VGA。复合视频信号（Composite Video Signal）是一种将视频信号中的亮度信号、色度信号和同步信号复合传输而成，只需一根同轴电缆即可实现短距离视频的传输。VGA 模拟视频信号广泛用于电脑及显示设备。BNC 和VGA 接口设备成本低廉、使用简单，相比于目前流行的HDMI、DP（Display Port）接口，经济实惠、兼容性好，更适用于某些水下仪器。

图1 犁式挖沟机控制间示意

每台显示器都接一路复合视频信号和一路模拟视频信号。只要解决显示信号源可灵活切换的问题，则可以实现系统的视频切换。远传的视频信号可通过转换器转成RJ45 接口的网线传输，在终端还原成同轴电缆或VGA 线，通过这种方式实现视频传输。

2 挖沟犁视频传输和切换系统

2.1 视频信号源及远传视频信号

挖沟犁视频信号源汇总见表1，8 个水下摄像头传过来的复合视频信号通过BNC 接口直接接至Video 矩阵切换器输入端的第1～8 通道。2 路甲板KIOSK 视频信号通过BNC 接口直接接至Video 矩阵切换器输入端的第23 和第24 通道。主操、副操、服务器电脑分别接至VGA 矩阵切换器输入端的第1～3 通道。

值得注意的是，声呐电脑输出2 路视频信号，一路经过VGA 视频转化器，一方面接至VGA 矩阵切换器输入端的第4通道，同时转成复合视频信号接至Video 矩阵切换器输入端的第12 通道；另一路接至VGA 矩阵切换器输入端的第5 通道。

船舶驾驶台、中控室视频信号是通过RJ45 接口的CAT5e网线传至挖沟犁控制间，再经由复合视频转化器转换成BNC 接口的同轴电缆，最后分别接至Video 矩阵切换器的第15 和第16 通道。本系统共计有12 路信号需要远传，既有复合视频信号也有VGA 信号，见表2。

表1 挖沟犁视频信号源汇总

表2 挖沟犁视频远传信号汇总

2.2 视频切换设备

实现视频切换的核心设备是视频矩阵切换器。本系统处理的是模拟视频信号和复合视频信号，为传统类型的矩阵切换器。本系统采用1 台16×16 通道VGA 矩阵切换器和1 台32×32 通道Video 矩阵切换器，见表3。两者都可通过前端控制面板、配套软件和RS232 串口服务器等3 种方式，实现任意输入通道的视频信号切换至任意输出通道。2 个矩阵切换器的输出第1～10通道依次接至第1～10 号显示器。通过矩阵切换器通道的切换来实现任意画面调取，并在显示屏显示。例如，1 号显示屏要显示主操电脑画面，可以这样操作:首先打开VGA 矩阵切换器的输出第1 通道，然后切换输出第1 通道对接输入第1 通道。

2.3 视频传输设备

用于将挖沟犁系统的视频信号远传至船舶驾驶台、中控室和ROV 机舱。同轴电缆和VGA 线传输距离有限，而船舶驾驶台和中控室距离挖沟犁控制间接近200 m，ROV 机舱距离挖沟犁控制间接近100 m；直接传递视频信号将严重衰减，无法被终端完整识别。本系统采取的方法:视频远距离传输通过复合视频网络传输器和KVM 网线延长器实现，见表3。把传输线路转成CAT5e 网线，分辨率为1024×768，传输距离可达300 m，经实际评估，终端显示效果清晰可辨，完全满足实际需求。

2.4 其他关键设备

四分屏器最多组合任意4 个Video 矩阵切换器输出端的复合视频信号，形成屏中屏效果，并可输出一路复合视频信号，再接回至Video 矩阵切换器输入端。本系统选用2 个四分屏器分别接至第31 和第32 通道。

视频字符叠加器用于视频画面中叠加字符，形成标识。例如，加入时间、坐标、项目名称等便于识别。输入端接至Video 矩阵切换器输出第22 通道。输出端接至Video 矩阵切换器输入第22 通道。在实际操作中，调取需要加字符的信号画面来实现操作。

DVR（Digital Video Recorder，数字视频录像机）自带8 个BNC 接口和1 个VGA 显示接口，支持键盘鼠标操作，可用于保存视频。本系统给DVR 分配了4 条线，分别接至Video 矩阵切换器输出端第11～14 通道，同时可采集4 路视频信号。需要调取哪个通道的信号就打开相应通道，线路自动匹配。DVR 输出1路VGA 模拟视频信号接至VGA 矩阵切换器的输入端第6 通道。在DVR 的显示画面可查看正在录制的视频画面。

表3 控制间视频系统设备汇总

3 挖沟犁视频转换和视频切换系统线路连接和初始设置

接口众多导致线路复杂。为便于接线，将控制间内电脑和表3 中设备装在靠近显示幕墙的同一个EIA 19"机柜中。该机柜壳体移去正面封板，露出安装在内的电脑和视频设备操作面板。另外，为实现查找线路问题时有序可循，一种简单有效的线路标识显得格外重要。本视频系统中子设备平时不需要重复组态设置，上电即可工作。需要显示的视频画面可通过视频矩阵切换器调取。结合实际工作常用到的视频监控画面，这里给出平时默认视频矩阵切换器的通道设置，即显示器幕墙开机显示画面，见表4。

1 号和2 号显示器显示主操、副操电脑的操作界面，用于监控挖沟犁系统数据。3 号显示器分配给服务器。4 号和5 号分配给声呐电脑，用于实时监控水下声呐、高度计、深度计、罗经等水下仪器。6 号显示器分配给DVR。7 号显示器分配给视频字符叠加器。8 号分配给四分屏器，默认打开第31 通道四分屏器。9 号显示器分配给甲板KIOSK 的视频信号源。10 号显示器分配给驾驶台传输过来的视频信号源。