УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТСЛЕЖИВАНИЯ С ЛЕДОКОЛА ЛЕДОВОЙ ОБСТАНОВКИ
DEVICE FOR TRACKING THE ICE SITUATION FROM THE ICEBREAKER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использована при мониторинге ледового канала (измерении параметров ледяного покрова) с борта ледокола. К основным параметрам льдов в проделанном ледовом канале, влияющим на проводку судов, относятся: осадка, толщина и высота льда, профиль рельефа нижней и верхней поверхностей ледяного покрова, а также ширина ледового канала.
Известно устройство непосредственного измерения толщины льдин, представляющее собой рейку на лине, которая используется для глазомерной съемки толщины льдин на ходу судна (Инструкция для наблюдений над льдами с корабля. Л.: Морской транспорт - 1956. 53 с.). Такая рейка представляет собой деревянную доску длиной 50 см и шириной 7-10 см, разделенную на дециметры. Участки рейки длиной 1 дм окрашены попеременно белой и черной или белой и красной красками, посередине рейки делается отверстие для линя, на обратной стороне рейки вяжется кноп. Существо применения указанного устройства заключается в выбрасывании рейки на лед, которая служит для масштаба визуального определения толщины льдин, встающих на ребро у борта судна. Недостатком данного устройства является низкая точность определения толщины льдин.
Известны также различные гидроакустические устройства для измерения толщины льда, например, эхоледомер по патенту РФ №126122. Однако такие конструкции используются в основном для измерения параметров льдов малой толщины.
Также известны способы и устройства измерения толщины льдин с помощью акустической локации, описанные, например, в патенте РФ №2435136, при котором изображение льдин получают путем зондирования ледовых поверхностей высокочастотными акустическими волнами, при этом непрерывное колебание модулируется по амплитуде отрезком сигнала низкой частоты, а толщина льдин определяется по величине запаздывания низкочастотного сигнала, отраженного от границы, лед-воздух, по отношению к огибающей сигнала отраженного от границы вода-лед, при отображении изображения на мониторе выполняют построение двухмерного и/или трехмерного изображения льдин. Устройство для подобного измерения толщины льдин представляет собой акустический локатор, принцип работы которого основан на импульсном методе лоционирования льда. Однако устанавливается такой локатор, как правило, на жесткокаркасном дирижабле вместе с приемником спутниковой навигации, устройствами лазерного сканирования, аэрофотосъемки и тепловизионной съемки, поэтому несмотря на получаемую высокую точность измерений, применение такого устройства связано с большими технологическими сложностями и к тому же финансово затратно.
Известна также полезная модель по патенту РФ №70983, выбранная в качестве прототипа. Это устройство для измерения толщины льдин с борта судна содержит телевизионную камеру, выход которой соединен с входом аналого-цифрового преобразователя телевизионного видеосигнала в цифровую матрицу данных изображения, выход которого соединен с устройством обработки в виде персонального или карманного компьютера, выход которого соединен с устройством отображения изображения в виде монитора, а вход - с манипулятором перемещения светового маркера на экране монитора. При этом измерение размеров льдин осуществляется по вычислению расстояния между двух маркеров на изображениях вывороченных на ребро льдин, для чего в состав известного устройства включают телевизионную камеру, цифроаналоговый преобразователь и манипулятор, с помощью которого на изображении размещаются световые маркеры, отмечающие начало и конец интервала.
При этом известное устройство работает следующим образом. Телевизионная камера размещается на мостике судна в положении визирования на морскую поверхность, и регистрируются значения высоты над поверхностью моря и угла наклона оптической оси телекамеры. Сигнал о соответствующих данных с помощью устройств ввода данных, выполненного в виде клавиатуры, по кабелю поступают на вход устройства обработки. Цифровой сигнал перспективного изображения в виде матрицы цифровых значений яркости с выхода аналого-цифрового преобразователя по кабелю поступает на вход устройства обработки, которое рассчитывает расстояние между точек, формируемых на изображении монитора в виде световых маркеров в зависимости от значений высоты телекамеры и положением элементов матрицы цифрового сигнала, соответствующих положению маркеров. Совмещенное с маркером изображение через выход в виде сигнала поступает на устройство экран монитора. Цифровая матрица сигнала изображения и значения расстояний между маркеров - размеры льдин поступают в устройство запоминания данных по команде с устройства ввода информации. Недостатком известного устройства является то, что измерения толщины льдин у него производится выборочно по отдельным кадрам, которые выбирает оператор из видеопотока, что снижает, разумеется, достоверность информации.
Задачей настоящего технического решения является создание малогабаритного измерительного устройства, обеспечивающего получение с борта ледокола достоверной информации о толщине взломанного льда, а также получение дополнительной информации о ширине ледового канала за кормой ледокола на различных расстояниях.
Технический результат заключается в повышении достоверности и оперативности измерений, а также увеличении информативности как за счет непрерывности измерений толщины льдин, так и за счет использования модуля измерения ширины ледового канала.
Получение указанного технического результата обеспечивается в заявленном техническом решении, названном: «Устройство для отслеживания с ледокола ледовой обстановки», которое содержит IP телевизионную камеру, установленную на поворотной платформе по одному из бортов ледокола, выход которой соединен через коммутатор с сетевым регистратором видеосигналов, соединенным с блоком обработки видеосигналов, и ноутбук, на мониторе которого отображаются результаты измерений. При этом упомянутый блок обработки содержит модуль измерения толщины льда (МИТЛ), выход блока обработки соединен с ноутбуком через точку доступа Wi Fi.
В частном случае заявляемое устройство содержит вторую телевизионную камеру, установленную по продольной оси ледокола в направлении кормы и соединенную с блоком обработки, дополненным модулем измерения ширины ледового канала (МИШЛК).
Сущность изобретения поясняется структурной схемой устройства, изображенной на рисунке (фиг. ), на которой показаны: 1.1 и 1.2 - видеокамеры (1.1 видеокамера к МИТЛ, 1.2 видеокамера к МИШЛК) 2 - опорно-поворотные устройства (2.1 для видеокамеры МИТЛ, 2.2 для МИШЛК), 3 - блок обработки, в котором условно показаны: 3.1 - МИТЛ, 3.2 - МИШЛК, 3.3 - видеорегистратор, 4 - коммутатор, 5 - Wi Fi - точка доступа, 6 - ноутбук, 7 - блоки питания видеокамер (БП1), 8 - защитный бокс.
Заявленное устройство работает следующим образом: камера 2.1 для измерения толщины льда устанавливается на кронштейне вдоль борта ледокола в положении визирования на морскую поверхность. При помощи поворотного устройства угол наклона камеры устанавливается таким образом, чтобы она была направлена на выход у борта вывернутой льдины.
Видеопоток от камеры 2.1 поступает в блок обработки видеосигналов 3 на МИТЛ 3.1, в котором, используя библиотеки (Open CV), производится определение границ «вывернутой» льдины, а затем расчет ее толщины в автоматическом режиме. Исходными параметрами для расчета являются высота подвеса телевизионной камеры над морской поверхностью, угол наклона камеры к морской поверхности, значение фокусного расстояния объектива, разрешение, размер матрицы ТВ камеры 2.1 и размер пикселя матрицы.
В видеорегистраторе 3.3 осуществляется накопление видеоданных. Получаемые после обработки значения толщин льдин записываются в базу данных, расположенную в блоке обработки 3, в формате *.xlsx или *.cvs для последующего анализа. Данные о значениях измеряемых величин толщины льда можно получать на ноутбуке через Wi Fi-точку доступа.
Для хранения изображений распознанных и измеренных значений толщин «вывернутых» льдин в блоке обработки 3 установлен локальный сервер баз данных MySQL версии 5.7, а для локального управления базой данных используется программа MySQL Workbench,
Модуль измерения толщины льда (МИТЛ) предназначен для визуального распознавания, оцифровки и хранения графической информации о параметрах ледового поля, локально ведет базу распознанных и оцифрованных данных и предоставляет доступ к этим данным по беспроводному каналу связи стандарта ШЕЕ 802.11. Модуль (МИТЛ) 3.1 устройства отслеживания ледовой обстановки состоит из цифровой видеокамеры 1.1, опорно-поворотного устройства 2.1 видеокамеры. Структурная схема модуля (МИТЛ) показана на рисунке (фиг).
Программное обеспечение (ПО) модуля (МИТЛ) состоит из операционной системы MS Windows 10, программы распознавания и оцифровки, сервера базы данных MySQL, драйвера доступа к базе данных (ODBC коннектор). ПО предназначено для работы в фоновом режиме и записи результатов распознавания в базу данных. Настройки программы при этом задаются в конфигурационном файле, который передается программе в качестве аргумента при запуске. Для корректной работы ПО выполнено в многопоточном режиме.
В частном случае заявленное устройство работает следующим образом: вторая камера 1.2 для измерения ширины ледового канала с опорно-поворотным устройством 2.2, установлена на леерном ограждении в направлении кормы по продольной оси ледокола. При помощи поворотного устройства угол наклона второй камеры устанавливается таким образом, чтобы была видна корма ледокола и линия видимого горизонта.
Видеопоток от второй камеры поступает в модуль измерения ширины ледового канала (МИШЛК) блока обработки видеосигналов, в котором, используя библиотеки (Open CV), производится расчет ширины ледового канала за кормой ледокола на дистанциях в 1, 3 и 5 кабельтовых, а также вычисляется дистанция достоверной оценки ширины ледового канала, определение степени его сжатия.
Исходными параметрами для расчета являются: высота подвеса IP телевизионной камеры, угол наклона, фокусное расстояние объектива, разрешение, размер матрицы телевизионной камеры и размер пикселя матрицы. Дистанции, на которых измеряется ширина ледового канала, устанавливаются оператором в зависимости от ледовой обстановки. Для расчета степени сжатия ледового канала необходимо знать его ширину на следующих дистанциях:
- за кормой;
- на расстоянии одной длины судна за кормой;
- на расстоянии двух длин судна за кормой.
Модуль измерения ширины ледового канала (МИШЛК) предназначен для визуального распознавания, оцифровки и хранения графической информации о параметрах ледового канала. Модуль (МИШЛК) устройства отслеживания ледовой обстановки состоит из цифровой IP видеокамеры 1.2, установленной на опорно-поворотном устройстве 2.2. МИШЛК локально ведет базу распознанных и оцифрованных данных и предоставляет доступ к этим данным по беспроводному каналу связи стандарта IEEE 802.11. Структурная схема МИШЛК также показана на рисунке (фиг.). Состав программного обеспечения этого модуля аналогичен модулю МИТЛ.
Для обоих модулей используются цифровые IP камеры с разрешением 1280×720 пикселей с возможностью подключения по rstp протоколу посредством видеорегистратора.