Wykonanie funkcjonalnego i trwałego monitoringu wizyjnego CCTV często postrzegane jest jako proces prosty, żeby nie powiedzieć trywialny. Zazwyczaj użytkownicy precyzując zadanie, następnie projektanci czy wykonawcy wykonując system, koncentrują się na parametrach związanych z jakością i ilością informacji ukrytej w obrazie. Są to oczywiście parametry najistotniejsze – bo decydują o przydatności monitoringu do stawianych przed nim zadań. Często jednak zapomina się o fazie eksploatacji i podstawowym parametrze związanym z tą fazą – trwałości produktu.
Monitoring CCTV – poza strukturą funkcjonalną służącą do obserwacji lub/i rejestracji obrazu wideo – należy również traktować jako infrastrukturę techniczną funkcjonującą w określonych warunkach środowiskowych. Trwałość i niezawodność monitoringu zależą od właściwego doboru jego komponentów. Elementy te tworzą łańcuch funkcjonalny, o którego niezawodności decyduje jakość najsłabszego ogniwa.
Spróbujmy przeanalizować najprostszy łańcuch funkcjonalny monitoringu składającego się z kamery zewnętrznej, przewodu koncentrycznego i rejestratora. Nasz system jest sprawny, jeżeli zachodzi ciąg zdarzeń opisanych następująco:
Sprawny system CCTV = sprawna kamera i sprawne połączenia i sprawny rejestrator
Pomiędzy elementami systemu zachodzi logiczna funkcja AND, w którym uszkodzenie jednego z elementów powoduje niesprawność całego systemu. Oczywiście każdy ze zdefiniowanych makroelementów systemu możemy rozbić na elementy składowe i okaże się, że o sprawności lub braku sprawności całego sytemu może decydować np. niewłaściwie dobrana do warunków środowiskowych wtyczka na przewodzie.
Przeanalizujmy przypadek rzeczywistej realizacji takiego prostego systemu rejestracji obrazu. Monitoring zbudowany na kamerze o zwiększonej odporności na warunki środowiskowe firmy Bosch, połączonej z rejestratorem mobilnym BCS-0404ME-H-G przewodem RG-59. System zainstalowano na jachcie morskim s/y Magnus Zaremba, z przeznaczeniem do pracy w warunkach arktycznych i antarktycznych. Jest to jacht wyjątkowy, tak jak jego twórca i kpt. Eugeniusz Moczydłowski, który oprócz tego, że jest kapitanem jachtowym, to również doktorem nauk biologicznych, badaczem fauny na Antarktydzie, wieloletnim pracownik PAN. Kpt. Moczydłowski przygotowuje się do realizacji swojego arcytrudnego marzenia – zimowej wyprawy badawczej na Antarktydę. W tym celu zbudował ten jacht, zaprojektowany i wykonany według idei, która przyświecała norweskiemu polarnikowi prof. Fridtjofowi Nansenowi. Specjalna jednostka badawczo-eskploracyjna w 2014 roku odbyła swój dziewiczy rejs polarny na wody Islandii, Grenlandii i Spitsbergenu. Magnus Zaremba jest jachtem żaglowym, przeznaczonym do żeglugi w bardzo trudnych warunkach. Kadłub wykonano z aluminium na wzór jachtu Tara. Posiada demontowaną płetwę sterową, wał napędowy i podnoszony hydraulicznie kil, co pozwala wmarznąć w pole lodowe.
Jacht ma długość 17,3 m, szerokości 5,72 m, powierzchnię żagli 180 m2 oraz wyposażony został w silnik Nanni Diesel 115 KM. Kpt. Moczydłowski stwierdził, że kamery będą informowały m.in. o możliwości kolizji z górami lodowymi, dlatego zostały zamontowane na dziobie i na topie masztu. Pierwsza dodatkowo została zabezpieczona skrzynką metalową z szybą zespoloną. Pierwszy rejs pokazał, że było to niewystarczające zabezpieczenie, ponieważ od uderzenia fali szyba chroniąca kamerę pękła i do kamery dostała się woda, a niska temperatura doprowadziła do jej zamarznięcia i uszkodzenia urządzenia. Ponadto w bardzo krótkim czasie uszkodzeniu uległ rejestrator.
Po określeniu i uwzględnieniu potrzeb funkcjonalnych inwestora, analizę do projektu systemu CCTV na tego typu obiekcie powinniśmy rozpocząć od zdefiniowania podstawowych czynników destrukcyjnych. Są to: temperatura, wilgotność, wibracje (udary).
Zastanówmy się czy z punktu widzenia tych parametrów dobór komponentów zastosowanych na tym jachcie był odpowiedni? Zacznijmy od kamer (zastosowano dwa identyczne modele). Z punktu widzenia pierwszych dwóch kryteriów dobór kamery wydaje się jak najbardziej odpowiedni. Kamera jest wręcz dedykowana przez producenta do takich zastosowań: temperatura pracy od –60 °C do +60 °C, odporność środowiskowa IP 66 (całkowita ochrona przed kurzem i ochrona przed silnymi strumieniami wody, porównywalnymi do silnych fal). Jednak w specyfikacjach technicznych brakuje informacji o ostatnim parametrze – odporności na udary i wibracje. Jest to informacja dość istotna ze względu na fakt wyposażenia przetwornika CCD w mechaniczny filtr IRC, czyli ruchomy element napędzany elektrycznie i posiadający masę. Czy brak takiej informacji jest czynnikiem dyskwalifikującym? Niekoniecznie. Kamera jest znakomita do zastosowań na obiektach o dużej masie, gdzie uderzenia o powierzchnię wody nie wywołują wstrząsów i wibracji, a raczej falowanie. Brak parametru odporności na udary i wibracje uniemożliwia jednoznaczną ocenę przydatności kamery przy zastosowaniach na małych jednostkach, które zdecydowanie bardziej odczuwają siłę uderzeń kadłuba o fale.
Przedstawiciel producenta – Michał Biela – stwierdził, że kamera ta rzeczywiście nadaje się do stosowania w bardzo wymagającym środowisku. Świadczy o tym przemyślana konstrukcja, która zapewnia tej kamerze poprawną pracę w dużym przedziale temperatur. Może pracować w długotrwale utrzymującej się dużej wilgotności w otoczeniu, dzięki odpowiednio przygotowanej izolacji obudowy. Główne zastosowanie kamery to monitoring nabrzeży, portów morskich, platform wiertniczych czy monitoring na statkach. Niestety z uwagi na starzejącą się technologię analogową zastosowaną w tej konkretnej kamerze firma Bosch wycofała ten produkt z oferty.
W obecnym portfolio posiadamy kamery IP o wysokich rozdzielczościach, które nadają się do podobnych zastosowań. Przykładem może być kamera PTZ serii MIC IP 7000. Jest to seria kamer obrotowych o rozdzielczości do 2 Mpx, przeznaczona również do wymagających środowisk. Zapewnia to wzmocniona konstrukcja, która oferuje klasę odporności na uderzenia przewyższająca standard IK 10 oraz spełniające wymogi standardu IEC 60068 odnośnie drgań i wstrząsów. Kamera przeszła również test w komorze solnej ASTM B117. Na uwagę zasługuje również zakres temperatur pracy urządzenia sięgający od –40 °C do + 60 °C oraz stopień szczelności wynoszący IP68. Inżynierowie firmy Bosch pracują obecnie nad modelami ze stali nierdzewnej, które jeszcze lepiej będą wpisywały się w korozjogenne warunki pracy. Firma Bosch zaleca używanie kamer ze stali nierdzewnej do takich środowisk.
W niedługim czasie wprowadzamy do oferty również megapikselowe kamery stałopozycyjne w obudowach ze stali nierdzewnej, które z powodzeniem będą mogły być wykorzystywane w trudnych warunkach atmosferycznych.
Następnym elementem łańcucha funkcjonalnego jest przewód. Zastosowany przewód RG-59 – w zależności od producenta – może pracować w zakresie temperatur –40°C do +70 °C (Technokabel) lub –30°C do +80°C (Bitner).
Dolna granica pracy kabla znajduje się o co najmniej 20 °C powyżej dolnej granicy temperatury pracy kamery. Mamy zatem do czynienie z obniżeniem parametrów eksploatacyjnych łańcucha funkcjonalnego przez działanie funkcji AND. Zakres pracy zestawu kamera–przewód wynosi –30°C (determinuje przewód) do +60°C (determinuje kamera). Kolejnym czynnikiem destrukcyjnym jest wilgotność. Przewód może być narażony na wpływ słonej wody. Przewód dedykowany jest do zastosowań wewnętrznych i zewnętrznych (odporność na UV) i produkowany jest w dwóch wersjach – bez wypełnienia żelem hydrofobowym i z wypełnieniem. Zastosowanie kabla bez wypełnienia może zagrażać penetracją oplotu agresywną chemicznie wodą morską. Zastosowanie kabla wypełnionego powinno rozwiązać ten problem. I ostatni element destrukcyjny – wibracje i udary. Przewód RG-59 posiada żyłę wewnętrzną w postaci drutu Cu lub drutu miedziowanego FeCu. Taka konstrukcja przewodu wskazuje na przeznaczenie do montażu na stałe – zwłaszcza przewodu z żyłą miedziowaną. Długotrwałe narażenie na wibracje lub wstrząsy bez zabezpieczenia przed odkształceniami może spowodować mechaniczne uszkodzenie żył kabla lub powłoki – zwłaszcza przy zwiększających sztywność niskich temperaturach.
Ostatnim elementem łańcucha funkcjonalnego jest rejestrator. Zainstalowany we wnętrzu jachtu nie jest narażony bezpośrednio na działanie ekstremalnie niskich temperatur czy wilgoci. Jednak w przypadku montażu do korpusu jednostki jest w takim samym stopniu narażony na wibracje, jak pozostałe elementy systemu. Zastosowany rejestrator mobilny jest przystosowany do montażu na pojazdach. Wibracje w takich pojazdach pochodzą zazwyczaj od silnika – udary pochodzące od podłoża są tłumione przez układ zawieszenia. Rejestrator posiada następująco zdefiniowane parametry odporności na wibracje i udary:
- 5 Hz ÷ 300 Hz: X / Y / Z
- 5 Hz ÷ 11 Hz: amplituda wibracji 10 mm
- 11 Hz ÷ 300 Hz: 50 m/s2.
Co taki zapis oznacza? Czy jest to całkowita odporność każdego urządzenia na narażenie o takich parametrach, czy oznacza to, że z populacji urządzeń poddanej takim narażeniom wytrzyma bez usterki 50% egzemplarzy? Nie znamy metodologii badań tego parametru. Jeżeli badania przeprowadzono według drugiej metody to możemy spotkać się z usterką zainstalowanego egzemplarza przy znacznie mniejszych narażeniach na wibracje i udary niż deklarowane w karcie katalogowej. Jest to tym bardziej prawdopodobne, że w naszym rejestratorze przewidziano do zastosowania jako nośnik klasyczny dysk HDD. Odporność na wibracje i udary takiego dysku jeden z wiodących producentów definiuje następująco: udar: operating (2 ms) 3,920 m/s2, non-operating (1 ms) 8,820 m/s2; wibracje: operating (5 – 500 Hz) 9,8 m/s2, non-operating (15 – 500 Hz) 49 m/s2.
Odporność na udary pracującego dysku nie przekracza zatem wartości 0,5 G, a odporność na wibracje nie przekracza wartości 1G. Deklarowaną przez producenta rejestratora wartość 5 G należy zatem traktować z wielką ostrożnością – nawet przy specjalnym sposobie montażu dysku w urządzeniu.
Zdaniem Marcina Morzyka z NSS System: rejestrator, który został zamontowany na jachcie jest rejestratorem mobilnym i jak najbardziej nadaje się do pracy w niskich temperaturach. Wiele takich rejestratorów jeździ w polskich autobusach lub samochodach, ale temperatury u nas nie spadają często poniżej –30 °C. Rejestratory mobilne przechodzą testy wstrząsowe, aczkolwiek specyfika wstrząsów na jachcie może być troszeczkę inna.
W przypadku tego jachtu instalację zaprojektowała i dostarczyła firma Acel z Gdańska, dlatego pozwoliliśmy sobie zapytać u źródła, jak powinien wyglądać taki system? Specjalista ds. teletechniki – Maciej Hanowski, stwierdził, że podstawowa instalacja, proponowana na jacht powinna się składać z 2 kamer obserwujących przestrzeń w przód, od dziobu oraz w tył, od rufy. Kamery powinny być zainstalowane na tyle wysoko, aby pokazać to co się dzieje nie tylko w najbliższym otoczeniu jachtu, ale również w pewniej odległości od niego.
Czym więc kierowano się podczas tej realizacji, przy projektowaniu systemu do użytkowania w warunkach oceanicznych? Na jachcie Magnus Zaremba istotne było objęcie polem widzenia obszaru nawet kilkuset metrów przed jachtem. Założyliśmy montaż kamer na maszcie, na wysokości ok. 10 m i użycie obiektywów o ogniskowej 9 mm. Dało nam to możliwość uzyskania wyraźnej panoramy całej przestrzeni przed jachtem. Tego typu obiektyw nie dał wyraźnego obrazu przed samym dziobem, ale nie było to założeniem instalacji.
Instalacja została wykonana w standardzie analogowym, ze względu na większą tolerancję systemów analogowych na niestabilne zasilanie, oraz aby nie podnosić kosztu instalacji. Zastosowaliśmy wysokiej klasy tubowe kamery firmy Bosch z obiektywem o ogniskowej 4–9 mm oraz zintegrowanym systemem przełączania dzień/noc. Wybór na ten model padł ze względu na bardzo dużą odporność na warunki atmosferyczne oraz niski poziom szumów generowanych przez przetwornik obrazu (> 48 dB). Dodatkowym atutem jest stała rozdzielczość – 540 TVL, pozwalająca zachować niezmienną jakość obrazu, niezależnie od trybu pracy kamery – zarówno w dzień, jak i w nocy.
Kamery zostały podłączone do mobilnego rejestratora BCS-0404ME-H-G doposażonego w moduł GPS. Rejestrator o bardzo solidnej konstrukcji umożliwił nam zapis z wybraną jakością obrazu widzianego przez kamery wraz ze znacznikiem czasu oraz pozycji (dzięki modułowi GPS). Urządzenie zostało wybrane przez wzgląd na bardzo dużą tolerancję na wahnięcia zasilania, możliwość wymiany dysków z zarejestrowanym obrazem podczas pracy oraz bardzo szerokimi możliwościami podłączenia urządzeń do komunikacji i wyświetlania obrazu. Rejestrator został zainstalowany w sterówce.
Wszystkie połączenia zostały wykonane przewodami koncentrycznymi RG59, prowadzonymi w dodatkowych osłonach. Obraz z kamer jest wyświetlany na monitorze zainstalowanym w zasięgu wzroku sternika – zrelacjonował Maciej Hanowski.
Zapytaliśmy również o podobne instalacje. Podobne instalacje zostały wykonane na kutrach rybackich. Tam jednak funkcja instalacji jest trochę odmienna – ma pomóc w manewrowaniu w porcie. Na kutrach instalujemy podobne kamery, z obiektywami o ogniskowej 12 mm. Pozwala nam to obserwować w wysokiej jakości całe otoczenie w bezpośredniej bliskości kutra. Instalacja opiera się na czterech kamerach, zainstalowanych na obwodzie nadbudówki kutra. Rejestrator, podobny jak na jachcie, dodatkowo doposażony w moduł GPRS, zainstalowany jest w sterówce. Obraz pokazywany jest przez podwójny monitor LCD Grundig GML-1030MD. Monitor zainstalowany jest w zasięgu wzroku sternika. Na obu ekranach (9,7’’ każdy) można obserwować na bieżąco widok z dwóch lub z czterech kamer, co pozwala na bezproblemowe manewrowanie nawet w bardzo niesprzyjających warunkach (przy bardzo słabej widoczności, np. gdy jest ciemno, kamera może uruchomić oświetlacz IR i pokazać obraz monochromatyczny, ale bardzo wyraźny). System monitoringu na kutrze pełni również funkcję alarmową. Dzięki wyposażeniu rejestratora w moduł GPRS możemy się z nim komunikować przez zewnętrze urządzenia (komputery, telefony) i kontrolować co dzieje się w najbliższym otoczeniu jednostki (i na samej jednostce) w porcie. Mamy też możliwość otrzymywania informacji (w formie e-mail) o wcześniej zdefiniowanych zdarzeniach, np. o pojawieniu się niepowołanej osoby na pokładzie – uzupełnił specjalista z firmy Acel.
Podsumowując należy stwierdzić, że kierowanie się kryterium kosztu lub zysku, jako wiodącym przy projektowaniu i budowie monitoringu wizyjnego CCTV, prowadzi czasami do rozwiązań co najmniej dyskusyjnych – zwłaszcza, gdy celem jest zapewnienie bezpieczeństwa lub gwarancji zarejestrowania i przechowania istotnych danych w postaci obrazu wideo. Ostatnie aspekty również należy rozpatrywać w kategoriach kosztu lub zysku (np. odtworzenia utraconych danych czy odtworzenia utraconego mienia). Dopiero szeroka analiza zagrożeń bezpieczeństwa, jak i narażeń systemu na środowiskowe czynniki destrukcyjne pozwala na dobranie rozwiązań optymalnych dla aplikacji, przy zachowaniu wymaganej trwałości i niezawodności. Dla ekstremalnych narażeń, dużej wartości ochranianego obiektu lub zgromadzonych danych, nie powinna nikogo dziwić nawet redundancja sprzętowa całego systemu monitoringu. Zwłaszcza przy niepełnych danych o odporności zastosowanych elementów na możliwe narażenia – tak jak to przedstawiłem w analizowanym przypadku.
Więcej informacji o jachcie: https://www.facebook.com/magnuszaremba/timeline- ?ref=page_internal
Wykorzystano zdjęcia za przyzwoleniem kpt. E. Moczydłowskiego
Waldemar Fiałka – inżynier telekomunikacji, inżynier elektryk o specjalności energoelektronika, pasjonat programów wspierających projektowanie
Tomasz Serafin – redaktor naczelny OMiI
