Интегрированная судовая видеосистема
INTEGRATED SHIP VIDEO SYSTEM

Изобретение относится к морским информационным системам, предназначено для решения задач обеспечения навигационной безопасности судовождения и может быть использовано для вывода изображения от различных судовых источников информации и управления судовыми системами с помощью программно-аппаратных средств.
Известны системы для вывода графического изображения от различных судовых источников информации, например, система TSS/NAV-MD (https://topwar.ru/161255-rossijskie-razrabotchiki-predstavili-videostenu-tss-nav-md-dlja-korablej-i-suclov.html) производства компании «Валком», именуемая как «видеостена», предназначенная для вывода видеосигналов от различных судовых источников информации на едином матричном дисплее, состоящем из широкоформатных мониторов МОС-М46 с диагональю дисплея LCD46". В состав системы TSS/NAV-MD «видеостена» входит:
- матричный дисплей (видеостена) на базе 46 дюймовых мониторов морского исполнения МОС-М46 (от двух до шести);
- панель управления видеостеной на базе морской операторской станции МОС-10;
- коммутатор видеосигналов;
- КМ-переключатель;
- клавиатура с трекболом;
- комплект кабелей и аксессуаров.
Предусмотрена сенсорная панель управления системой индикации, обеспечивающая:
- управление коммутацией видеосигналов;
- выбор в режиме онлайн требуемого источника видеосигнала для каждого из дисплеев матрицы;
- управление яркостью подсветки матричного дисплея;
- управление мышью и клавиатурой с возможностью подключения к любому из источников видеосигнала, отображаемых в данный момент на «видеостене»;
- возможность сохранения и загрузки предопределенных конфигураций видеосигналов для отображения на «видеостене».
Конструктивно система TSS/NAV-MD «видеостена» выглядит как блок дисплеев, конструктивно объединенный в единую конструкцию, и отдельно перечисленные выше элементы, входящие в ее состав.
Недостатки аналога заключаются в том, что система не предусматривает возможности отображения информации на различных устройствах отображения. То есть, в случае необходимости организации нескольких постов управления и нескольких дисплейных блоков необходима установка дублирующего оборудования и повторное заведение на него всех видеосигналов. Кроме того:
- система рассчитана на подключение судовых систем через HDMI, в случае других типов видеосигналов необходимо использовать конверторы;
- система предполагает использование дисплеев только как единого конструктива с дублированием на конкретные дисплеи видеоизображения, вывод одной системы сразу на все 4 дисплея невозможен, так же, как и вывод двух систем на один дисплей;
- переключение видеосигналов происходит с небольшой задержкой.
Известна также система от компании Furuno (http://www.furuno.ru/wp-content/uploads/2018/02/VideoWall_UK_ru.pdf), в состав которой входит видеостена, состоящая из нескольких дисплеев и коммутаторов видеосигнала; трекбол; сенсорная панель управления.
Указанная система может масштабировать любое изображение в пределах всей видеоматрицы из 6 мониторов. Количество отображаемых изображений не ограничено (определяется числом транскодеров). Положение каждого окна задается пользователем индивидуально. Отличие от традиционных систем с переключаемыми мониторами в гибкости настроек - масштабируемость окон и выбор их количества и положения.
Недостатки известной системы компании Furuno:
- система рассчитана в первую очередь на использование в виде единого конструктива, образующего из нескольких дисплеев один большой квазидисплей;
- вертикальное расположение дисплеев при компоновке матрицы из изображений делит некоторые видеосигналы границами дисплеев, что неудобно на системах со светлым фоном графического интерфейса;
- как следствие вертикального расположения дисплеев - необходимость добавления в состав системы отдельной рабочей станции для конфигурирования матрицы изображений из видеосигналов;
- использование системы в виде единого конструктива из 4 или 6 дисплеев возможно далеко не на всех судах; традиционная компоновка расположения оборудования и пультов управления судном при использовании данной системы невозможна.
Известно устройство для автоматизированной обработки судовой навигационной информации (патент RU2444782, МПК G06F 19/00, опубл. 10.03.2012). Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет программно-аппаратной унификации автоматических рабочих мест (АРМ), интеграции сопрягаемых систем в единый аппаратно-программный комплекс на уровне навигационного контура, контура управления техническими средствами корабля и организации самоорганизующейся архитектуры с автоматической управляемой реконфигурацией набора АРМ, для обеспечения навигационной безопасности судовождения. Устройство содержит АРМ, основной и резервный интеграторы корабельных данных, радиолокационные станции (РЛС), подсистему управления техническими средствами (УТС), общую шину данных, датчики сопрягаемых систем. В устройство дополнительно введены сетевые радар-процессоры, расширитель видеосигнала, автоматизированные рабочие места (АРМ) выполнены унифицированными, аналоговые выходы видеосистем подключены через расширитель видеосигнала к видеовходам АРМ, РЛС подключены к общей шине через сетевые радар-процессоры, датчики технических средств - через УТС, к интеграторам корабельных данных подключены дополнительные датчики сопрягаемых систем: устройство измерения крена и дифферента, регистратор рейса, автоматическая идентификационная система.
Недостатки известной системы:
- комплекс разработан для использования на военных кораблях и не может быть использован на гражданских, так как подобный подход к проектированию навигационного оборудования и оборудования автоматизации противоречит действующим правилам РМРС (Российский морской регистр судоходства) и международным конвенциям;
- комплекс включает в себя всю имеющуюся на судне навигационную аппаратуру и ставит средства автоматизации выше средств навигационной безопасности;
- комплекс построен по принципу реальной обработки информационных данных на серверах, что приводит к необходимости устанавливать лишние сервера, а также каждый раз настраивать данный комплекс под конкретное устанавливаемое с ним оборудование и выполнять длительную настройку и перепрограммирование, а в дальнейшем заново компоновать обрабатываемую информацию на ЭВМ.
Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание эффективной системы отображения информации от судовых систем и управления этими системами, а не обрабатываемой информацией, полученной от них, для всех типов судов и всех типов задач.
Технический результат - интеграция всех судовых систем на уровне дублирования видеоизображения и параллельного управления любой выбранной системой, без необходимости глубокого сопряжения на уровне цифровых, аналоговых и дискретных сигналов от судовых датчиков.
Задача решается, а технический результат достигается интегрированной судовой видеосистемой, содержащей общую шину данных, представляющую собой локальную вычислительную сеть, к которой через сетевой коммутатор, являющийся ядром шины данных, подключены видеопроцессор, коммутатор для управления судовыми системами, выполненный в виде устройства для управления экранными курсорами указанных систем - КМ-коммутатора, минимум одна панель управления с установленным программным обеспечением, подключенная также к видеостенам и/или дисплеям, при этом видеопроцессор имеет кратное четырем число видеовходов и кратное четырем число видеовыходов, на входы которого подключены видеосигналы с интегрируемых судовых систем, а к выходам - видеостены и/или дисплеи, объединенные в единый конструктив или расположенные как отдельные видеостены или дисплеи, причем на выходы КМ-коммутатора подключены интегрируемые судовые системы, а на вход - ручное указательное устройство ввода информации, например, трекбол, при этом КМ-коммутатор выполнен с возможностью переключения трекбола между судовыми системами и подключен к шине данных USB, представляющей собой слаботочную сеть, к которой также подключен трекбол для управления пользовательскими интерфейсами интегрируемых судовых систем.
Согласно изобретению, в частных случаях:
- при наличии нескольких независимых друг от друга панелей управления использована общая шина данных, подключение к которой осуществляется через сетевой коммутатор;
- система дополнительно содержит WiFi-роутер для обеспечения беспроводного подключения к панели управления, для удаленного подключения к которой к общей шине данных через WiFi-роутер подключен планшетный персональный компьютер (ПК);
- видеопроцессор построен на программируемой пользователем вертикальной матрице и не содержит операционной системы;
- использованы дисплеи морского исполнения;
- в качестве панели управления использована сенсорная панель морского исполнения МОХА серии 2070;
- в видеопроцессоре использовано программное обеспечение на базе операционной системы Debian (Linux).
Технический результат достигается следующим образом.
Видеосигналы со всех интегрируемых судовых систем (видеоисточников) подключены к видеопроцессору, к нему же подключены дисплеи (видеостены или панели), это приводит к тому, что с помощью видеопроцессора мы можем коммутировать видеосигналы интегрируемых систем. Видеосигналы с интегрируемых систем дублируются (средствами самой интегрируемой системы) - основной идет на «родную» систему отображения, дублированный на видеопроцессор, т.е. нет вмешательства в родную систему отображения интегрируемой системы.
Также все интегрируемые судовые системы подключены к одному КМ-коммутатору, к нему подключено ручное указательное устройство ввода информации для управления ими (например, трекбол), это приводит к тому, что можно управлять экранными курсорами интегрируемых систем. Управление курсорами с интегрируемых систем дублируются (средствами самой интегрируемой системы) - основной идет на «родной» трекболл, дублированный на КМ-коммутатор.
Видеопроцессор и КМ-коммутатор с помощью основной шины данных (представленной локальной вычислительной сетью) через сетевой коммутатор подключены к панели управления с установленным ПО, что дает пользователю возможность управления данными элементами системы: выбор интегрируемой системы для управления экранным курсором через КМ-коммутатор, выбор и настройка вариантов отображения видеосигналов интегрируемых систем на видеопанелях через видеопроцессор.
Также по интерфейсу (например, RS232/422) к панели управления подключены видеопанели, что дает пользователю возможность управления режимами работы (яркость, включение, выключение).
При этом нет необходимости глубокого сопряжения на уровне цифровых, аналоговых и дискретных сигналов, т.к. видео источники для судовой видеосистемы получены путем дублирования основных. Параллельное управление достигается также путем подключения параллельных инструментов управления.
Сущность поясняется схемой, где показано:
1 - видеопроцессор;
2 - дисплеи (и/или видеостены);
3 - коммутатор для управления судовыми системами, выполненный в виде КМ-коммутатора;
4 - ручное указательное устройство ввода информации (трекбол);
5 - панель управления;
6 - сетевой коммутатор;
7 - планшетный ПК;
8 - WiFi-роутер;
9 - интегрируемые судовые системы (видеоисточники), например, ЭКНИС (электронная картографическая навигационно-информационная система), РЛС Х-диапазона, РЛС S-диапазона, специализированные РЛС, ИСУ ТС (интегрированная система управления техническими средствами), КСУ ТС (комплексная система управления техническими средствами), СУ ТС (система управления техническими средствами) и другие различные типы систем автоматизации судна, система видеонаблюдения (технологического и/или охранного), метеостанция, CONNING дисплей, системы информационной поддержки;
рыбопоисковые эхолоты и гидролокаторы; специализированные картографические системы - Olex, Maxsea, Navi Fisher; ледовые приставки, системы поиска нефтяных пятен, системы поиска малых целей, охранные системы поиска; тепловизионные системы; прочие различные системы.
Заявляемая система работает следующим образом.
Видеосигналы непрерывно поступают от источников 9 на центральный блок обработки - видеопроцессор 1. Видеопроцессор 1 осуществляет обработку входных видеосигналов и формирование выходных видеосигналов для отображения на дисплеях (видеостенах) 2. Набор и компоновка выходных видеосигналов определяет программное обеспечение (ПО), установленное на панели управления 5. ПО использует набор встроенных функций и команд видеопроцессора 1 для работы с видеосигналами. Панель управления 5 передает набор команд по общей шине данных на видеопроцессор 1 для определения параметров выходных видеосигналов. Общая шина данных представляет собой локальную вычислительную сеть (ГОСТ 29099-91. Сети вычислительные локальные), подключение к которой осуществляется с помощью сетевого коммутатора 6.
ПО панели управления 5 формирует набор команд и отправляет их по общей шине данных на видеопроцессор 1. Видеопроцессор 1, получив набор инструкций, производит обработку входных видеосигналов с видеоисточников (судовых систем) 9 и формирует выходные видеосигналы на дисплеи 2.
Управление пользовательскими интерфейсами видеоисточников 9 осуществляется трекболом 4 по шине данных USB. Шина данных USB представляет собой слаботочную сеть, подключение к которой осуществляется с помощью КМ-коммутатора 3. Какой системой управляет трекбол 4 в данный момент времени, определяет ПО панели управления 5, для этого используется набор встроенных команд КМ-коммутатора 3. Для передачи набора команд на КМ-коммутатор 3 ПО панели управления 5 использует общую шину данных.
ПО панели управления 5 формирует набор команд и отправляет их по общей шине данных на КМ-коммутатор 3. КМ-коммутатор, получив набор инструкций, производит переключение на требуемый видеоисточник 9 для управления трекболом 4.
Для беспроводного управления (опционально) используется планшет 7, подключение к общей шине данных происходит через Wi-Fi роутер 8, добавляемый в систему. Беспроводное управление осуществляется с помощью стандартных инструментов операционной системы планшета 7 по принципу удаленного рабочего стола.
Управление яркостью, включение, выключение видеопанелей 2 осуществляется, например, по интерфейсу RS232/422 (https://ru.wikipedia.org/wiki/RS-232; https://ru.wikipedia.org/wiki/EIA-422). Видеопанели 2 подключены к панели управления 5 последовательно в цепь, каждая следующая панель синхронизирует свои параметры яркости с предыдущей. Может быть использовано следующее ПО панели управления: язык С++, компилятор gcc6, ОС Debian 9, Linux 4.9. Алгоритм программы - линейный: (начало программы)→[получение данных для обработки (данные для обработки представлены в виде данных введенных пользователем через устройство ввода (сенсорный экран панели управления))] → [обработка данных (преобразование в команды управления км-коммутатора/видеопроцессора)] → [отправка данных на внешний интерфейс] → (конец программы). Алгоритм работы системы.
Запуск ПО происходит автоматически при включении питания панели управления 5 после загрузки операционной системы. Во время запуска происходит чтение конфигурационного файла, в котором определены: ip адрес видеопроцессора 1, ip адрес КМ- коммутатора 3, протокол управления яркостью видеостен 2. Производится проверка доступности видеопроцессора 1, КМ-коммутатора 3 посредством отправки сетевых сообщений по основной шине данных. Далее происходит инициализация выходного видеосигнала видеопроцессора 1. Отправка команд управления на видеопроцессор 1 происходит по протоколу TCP/IP на заданный порт. Отправка команд управления на КМ-коммутатор происходит по протоколу TCP/IP на заданный порт.
Оператор системы выбирает на сенсорной панели управления 5 необходимую для отображения систему или предустановленный набор систем (конфигурируется в соответствии с конкретными техническими требования конкретного проекта). При наличии установленных на этапе пуско-наладочных работ предустановок отображения пользователь имеет возможность создавать свои схемы отображения. Пользовательская схема отображения создается в ПО панели управления, закладка «настройки». Алгоритм создания следующий: пользователь выбирает области видеопанелей и назначает на них видеоисточники, полученная схема сохраняется как пользовательская схема отображения и может быть активирована в закладке «пользовательские предустановки».
Все видеосигналы от судовых систем коммутируются и обрабатываются видеопроцессором 1 и далее выводятся на необходимое количество источников отображения (дисплеи 2) в различных вариациях - это может быть дисплей любой диагонали, это может быть видеостена любой необходимой конфигурации или несколько видеостен с максимальным числом дисплеев в системе до 16, это могут быть различные посты с различными независимыми дисплеями, трекболлами и панелями управления. Видеопроцессор (центр обработки видеосигналов) построен на FPGA - программируемой пользователем вертикальной матрице, и не содержит операционной системы (https://ru.wikipedia.org/wiki/Программируемая_пользователем_вентильная_матрица). В видеопроцессоре может быть использовано программное обеспечение на базе операционной системы Debian (Linux), что повышает надежность работы по отношению к ОС семейства MS Windows.
К подключенным судовым системам, при наличии в них USB-входа, также при помощи КМ-коммутатора 3 подключаются установленные на постах управления трекболы 4, и через КМ-коммутатор 3 происходит передача управления системой. При этом возможно одновременное управление как на основном посту управления судовой системой, так и с любого поста, подключенного в данный момент к данной системе. Каждый пост может работать независимо от других, то есть каждый может быть настроен индивидуально и работать как отдельная независимая система, находясь при этом в одной системе и одной сети. Это достигается за счет того, что все интегрируемые системы подключены к одному КМ-коммутатору, к нему же подключены трекболы.
Система выполняет следующие функции:
- отображение выбранной системы или матрицы из выбранных систем на дисплее или видеостене (в зависимости от конкретно выбранной топологии);
- подключение и передача параллельного управления при помощи находящегося в посте управления трекболом;
- настройки системы при помощи панели оператора;
- включение и выключение системы или отдельно дисплеев при помощи панели оператора.
Информационное сопряжение оборудования системы осуществляется посредством линий цифровой кодированной передачи данных. В качестве стандартов передачи данных могут быть применены RS-422/485 и LAN, а также WiFi-сеть в случае необходимости беспроводного управления при помощи планшетного ПК. Передача изображения на видеопроцессор происходит при помощи стандартных видеоинтерфейсов VGA, HDMI, DVI, RCA, LAN. Передача видеоинформации с видеопроцессора на дисплей (дисплеи) или видеостену (видеостены) происходит через видеоинтерфейс DVI. В случае, если кабельная трасса превышает предельные значения для передачи, применяются специальные видеоконверторы для конвертирования изображения в LAN и передачу его на любые необходимые расстояния по сети при помощи экранированного сетевого кабеля, и дальнейшее конвертирование видеоизображения обратно в сигнал HDMI.
Панель управления позволяет конфигурировать каждый конкретный пост управления в соответствии с техническим заданием. Помимо этого, присутствуют стандартные настройки яркости, установки «день» и «ночь» и стандартные настройки пользователя. Система имеет повышенную (фактически полную) защиту от вирусов и вредоносных программ благодаря использованию операционной системы Debian на ядре Linux.
Пример состава заявляемой системы на примере рыболовного траулера проекта ST-192:
1. Видеопроцессор: Vewell 5000 series 4U - 8DVI IN / 4DVI OUT (https://uitek.ru/rus/catalog/v100/proc 1 /proc580/).
2. Видеостены отображения: MCA ДС-4607 (https://unicont.com/marine_electronics/assets/components/devices/MV-xx(04-05)/MV-xx(04-05)_manual_ru.pdf).
3. КМ-коммутатор: Adder CSS-PR08 (https://www.adder.com/en/kvm-solutions/adder-ccs-pro8).
4. Трекбол: MCA МШ-1-50 В (https://unicont.com/marineelectronics/assets/components/files/msacatalog-systems_2019_ru.pdf/стр. 73).
5. Панель управления: Моха МРС-2070-Е2-Т (https://moxa.ru/shop/comp/sea/mpc-2070/mpc-2070-e2-t/).
6. Сетевой коммутатор: Моха EDS-205A (https://moxa.ru/shop/ethernet/unmanaged/eds-200a/eds-205a/eds-205a/).
7. Планшетный ПК: Samsung Galaxy TAB S6 (https://www.samsung.com/ru/tablets/galaxy-tabs6-t865).
8. Wi-Fi-роутер: MoxaNPort W2150A-EU (https://moxa.ru/shop/com_v_ethernet/wireless/nport-w2150a/).
9. Интегрируемые системы: Fishfinding sonar SX95, Fishfinding echosounder ES80, OLEX chart system, Fishfinding echosounder ES80, Scantrol, Trawl sonar FM90, CCTV, IAS system Kongsberg.
10. Шина данных - локально-вычислительная сеть на СКС категории Cat5E - ГОСТ 29099-91. Сети вычислительные локальные.
11. Программное обеспечение, устанавливаемое на панель управления. Система обеспечивает оперативное отображение и управление всеми подключенными к ней судовыми системами, что позволяет избежать необходимости глубокого программного интегрирования на уровне сигналов и необходимости отладки такого готового навигационно-информационного комплекса в течение длительного времени, а также дальнейшей его программной поддержки. На судах с классом ОМВО (One-Man Bridge Operation, «один человек на мостике») данная система позволит с одного рабочего места (поста) обеспечить и отображение (через видеопроцессор происходит аккумуляция видеосигналов на видеостене) и управление (через КМ-коммутатор происходит аккумуляция управления) всеми подключенными судовыми системами.