融合航標、AIS與視頻分析的電子圍欄對于橋區(qū)船舶偏航預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng)研究

岳瑋 余錦源 廣東省中山航道事務(wù)中心

1.引言

中山市地處珠江三角洲河網(wǎng)地帶，位于西、北江下游出海處，北接廣州市和佛山市，西鄰江門市，東南連珠海市，東隔珠江口伶仃洋與深圳市和香港特別行政區(qū)相望。作為珠江口西岸重要的先進制造業(yè)城市和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)基地，中山市擁有國家級產(chǎn)業(yè)基地34個，省級技術(shù)創(chuàng)新專業(yè)鎮(zhèn)15個，省級以上名牌名標483個/件，落戶中山世界500強企業(yè)有24家。擁有裝備制造、健康醫(yī)藥、電子電信、燈飾光源、家用電器、金屬制品、紡織服裝、家居家具、精細化工、特色食品等10大產(chǎn)業(yè)集群。

隨著大灣區(qū)布局推進，中山的城市地位快速提升，水陸交通快速發(fā)展，港口及內(nèi)河通航船舶在行駛過程中與航標及橋梁發(fā)生觸碰的風(fēng)險持續(xù)升高，對橋梁通行安全和航道安全造成了嚴重影響。經(jīng)分析，造成船舶撞橋事故的原因與船舶駕駛員不清楚自己的船的高度，在橋區(qū)水域憑經(jīng)驗或者肉眼判斷橋梁通航凈高尺度、疲勞駕駛、不熟悉航道、存在僥幸及冒險心理通航導(dǎo)致船舶接觸橋梁都有著關(guān)系關(guān)聯(lián)。此外在洪水期水流快、水位高，橋區(qū)航道流態(tài)變化顯著，通航凈空降低，通航環(huán)境復(fù)雜，船舶操作難度大等，也容易導(dǎo)致船舶撞橋事故發(fā)生。

隨著中山市水上交通運輸?shù)陌l(fā)展，船舶噸位不斷增大、長度高度也不斷增加，橋梁建設(shè)時間不同標準不一、外來船舶對水域不熟，原有航道上的部分橋梁凈高尺度不達標對船舶安全航行造成了很大的隱患，在當前經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型升級，高度重視航標設(shè)施及橋梁安全，刻不容緩，同時對惠及民生的水陸交通安全出行具有重要意義。

當前存在問題：對于靠近航標設(shè)施的船舶無法提前告警通知，發(fā)生碰撞事故后無法追責、追償；對于航道內(nèi)船舶流量無法監(jiān)控及預(yù)測，無法為航道擴能升級提供有效數(shù)據(jù)依據(jù)；沒有攝像頭的記錄和監(jiān)控，無法判斷現(xiàn)場凈高顯示屏是否存在損壞及數(shù)字顯示是否準確；無法判斷凈高檢測設(shè)備數(shù)據(jù)是否準確，沒有對外接口，無法同步水位信息給相關(guān)船方或部門；無故障主動提醒功能，單次設(shè)備損壞排查時間長、維修費用高、維護不及時。

本項目建設(shè)的橋區(qū)船舶防撞偏航預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng)是利用現(xiàn)代化檢測手段來提升航道運行的安全性，精確檢測出船舶是否偏航、提醒偏航船舶安全行駛路線并及時進行警示和錄像，有效避免偏航船舶進入橋梁非通航區(qū)域而造成船橋意外事故。該系統(tǒng)有利于提高水陸交通安全、消除交通隱患，方便相關(guān)部門的跟進取證，為航道交通安全保駕護航；其次，橋區(qū)船舶防撞偏航預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng)采用精準可靠的航標、AIS及視頻分析技術(shù)。其具有覆蓋區(qū)域大、監(jiān)控目標多、監(jiān)測速度快，不受環(huán)境及氣候因素影響等特點；具有航標劃定通航范圍、AIS自動跟蹤移動目標與視頻自動聯(lián)動監(jiān)控目標的多重功能，適用于橋墩防撞預(yù)警、水上安全防范和救助、航道航標養(yǎng)護等，為大橋通航安全提供強有力的技術(shù)保障與支持。

2.融合防撞偏航預(yù)警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)建設(shè)的必要性

2.1.1 加強航道通航水域綜合治理的需要

（1）航道航標智能電子圍欄系統(tǒng)的建設(shè)，利用了物聯(lián)網(wǎng)、北斗衛(wèi)星定位、視頻AI、AIS船舶識別、VHF語音告警通知、云計算等高端技術(shù)，建設(shè)GIS平臺，用圖像識別深度運用、視頻追蹤聯(lián)動技術(shù)、智能識別技術(shù)、視頻AR技術(shù)，實現(xiàn)對全流域水位及通航凈高預(yù)測分析，提高水域監(jiān)管力度，保障水上交通安全。

（2）充分利用現(xiàn)有信息資源，基于船舶AIS動態(tài)軌跡數(shù)據(jù)、進出港數(shù)據(jù)、采集的視頻數(shù)據(jù)、VHF語音告警通知、水文氣象等數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析平臺，結(jié)合機器學(xué)習(xí)工具和算法，深度挖掘船舶運行規(guī)律以及載運規(guī)律等，準確獲取水位異常信息、跟蹤重點船舶，提高水位信息監(jiān)管能力及搜查救援能力和效率，做到通航水域的智能監(jiān)管，營造良好的水上、海上環(huán)境。

2.1.2 提升營商環(huán)境，服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展的需要

（1）通過共享數(shù)據(jù)應(yīng)用對業(yè)務(wù)決策的支持大力推動數(shù)據(jù)共享和交換，促使管理部門、地方海事、地方航道部門之間持續(xù)共享，實現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，及時、準確獲取數(shù)據(jù)，多角度、全方位的看問題和進行決策，從而制訂更科學(xué)更有效的方針政策。

（2）提升通航水域安全水平，有利于本地水運經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，大量貨運必經(jīng)航道輸送。只有重點關(guān)注并切實提升轄區(qū)水域的通航安全水平，確保公路和水路運輸?shù)陌踩〞?，才能更加有利于營造相關(guān)區(qū)域良好的宜居和營商環(huán)境。

（3）采集違反通航秩序行為。提前發(fā)現(xiàn)違規(guī)行為，提高水上安全服務(wù)水平。

2.1.3 提高水上應(yīng)急指揮調(diào)度水平的需要

（1）江、海上臺風(fēng)和地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，這些自然災(zāi)害及其引發(fā)的災(zāi)害鏈，特別在極端天氣期間，嚴重威脅人民生命財產(chǎn)安全。有效檢測水位異常、現(xiàn)場可視化，對水上應(yīng)急指揮調(diào)度工作是個巨大的挑戰(zhàn)，對航道航標智能電子圍欄系統(tǒng)的應(yīng)用有著強烈的實際需求。

（2）航道航標智能電子圍欄系統(tǒng)，圍繞航道的水域情況，設(shè)置在重點水域一線的水位、AIS、視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在面對洪水、臺風(fēng)暴潮、城市內(nèi)澇、用水安全、水生態(tài)景觀等方面防災(zāi)減災(zāi)指揮調(diào)度可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

（3）隨著社會的發(fā)展和進步，政府部門執(zhí)法越來越注重對執(zhí)法過程的全記錄和執(zhí)法證據(jù)的保存，其中視頻監(jiān)控設(shè)備是重要的輔助手段。而水上視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其客觀現(xiàn)實的特點，能夠為相關(guān)單位提供真實直觀且強有力的要件支撐，增強了廣大群眾的認同感，也對完善水上執(zhí)法發(fā)揮了重要作用。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

依附現(xiàn)有航標設(shè)施，加裝一套ATL-M檢測儀、小型電池組，實現(xiàn)航道1公里范圍電子圍欄自定義、AIS船舶自動識別單元、VHF遠程喊話通知、水位檢測、普清視頻數(shù)據(jù)傳輸、云數(shù)據(jù)計算分析，便于開展凈高數(shù)據(jù)采集、測試及日常運行維護檢測。

本系統(tǒng)采用上/下游航標及AIS為核心，構(gòu)成航標定位+船舶自動識別單元+視頻全天候電子圍欄防撞預(yù)警系統(tǒng)，覆蓋橋梁上、下游水域范圍，實現(xiàn)水域橋梁防撞功能。

電子圍欄運用衛(wèi)星定位原理，對覆蓋區(qū)域進行信號接收，ATL-M檢測儀可實現(xiàn)流域覆蓋，AIS單臺設(shè)備可覆蓋區(qū)域20公里范圍接收面積。當運動船只進入到AIS接收范圍時，AIS船舶自動識別單元將接收到的信息通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺控制中心，船只進入橋區(qū)范圍，電子圍欄匹配航道ATL-M檢測儀數(shù)據(jù)，比對AIS接收數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)模型解算出目標的位置、距離、方位、速度等信息，將目標在衛(wèi)星地圖上實時顯示其運動軌跡，同時，前端攝像機自動聯(lián)動跟蹤運動船只進行抓拍和近景識別，系統(tǒng)自動聯(lián)動報警設(shè)備發(fā)出聲光報警。

2.3 系統(tǒng)提醒設(shè)計

系統(tǒng)采用設(shè)定多重電子圍欄區(qū)域的方式進行提醒和預(yù)警。當橋梁的AIS探測到進入橋區(qū)設(shè)定范圍船舶目標后，系統(tǒng)對船舶進行跟蹤監(jiān)測，云平臺匹配航標定位計算船舶的實時位置、坐標經(jīng)緯度、航行方向、與當前設(shè)備距離、與橋梁距離、當前船舶速度等，根據(jù)船舶在區(qū)域中的位置、行駛路線、速度等發(fā)出提醒及通知。

當船舶進入電子圍欄設(shè)定的預(yù)警區(qū)域時，系統(tǒng)將根據(jù)獲取船舶的長寬高、航行節(jié)數(shù)、航向等，判斷船舶的危險程度，對可能發(fā)生的危險目標發(fā)出預(yù)警，避免事故的發(fā)生。

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)備

該系統(tǒng)構(gòu)成的核心設(shè)備主要包含：ATL-M檢測儀、AIS船舶自動識別單元、VHF遠程喊話通知、水位檢測、普清視頻數(shù)據(jù)傳輸、云數(shù)據(jù)計算分析、物聯(lián)網(wǎng)傳輸模組、高速智能攝像機、控制管理系統(tǒng)、輔助照明設(shè)備等。

（1）通過ATL-M，可以設(shè)置電子圍欄區(qū)域，獲取過往船舶信息，計算船舶航跡向，預(yù)測是否偏航；實時播報1公里范圍內(nèi)水域通航凈高；實時獲取水位漲、降幅信息；實時采集到各個設(shè)備在線狀態(tài)以及供電狀態(tài)，若發(fā)生設(shè)備離線等的情況，現(xiàn)場可以通過在線檢測模塊用數(shù)據(jù)專線的方式對運維服務(wù)單位及航道事務(wù)中心進行告警提醒，并及時修復(fù)；在系統(tǒng)中顯示通航凈高數(shù)據(jù)，同時能針對異常數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)提醒；劃定有效航行電子圍欄區(qū)域，對闖入目標監(jiān)測并同步控制管理系統(tǒng)；

（2）AIS船舶自動識別單元全天候?qū)恿魉娲坏冗\動目標進行實時探測與跟蹤，標繪其運動軌跡，判定其威脅程度，對目標進行跟蹤和識別。

（3）高速智能攝像機實施24小時不間斷錄像，對航標周邊及碼頭、禁航區(qū)、禁停區(qū)進行監(jiān)視、監(jiān)管，防止航標設(shè)施被破壞并把錄像保存在本地及后臺服務(wù)器端；

（4）云計算分析，判斷是否有黑名單船舶、超速船舶進入監(jiān)管區(qū)，并實時上報后臺，實現(xiàn)非現(xiàn)場智能化監(jiān)管；通過云平臺存儲各類型監(jiān)測數(shù)據(jù)，并保障各類數(shù)據(jù)的存儲安全，服務(wù)器具有足夠大的存儲容量來保障未來長時間的數(shù)據(jù)存儲儲備；

（5）建立中山航道事務(wù)中心轄區(qū)所有已安裝凈高顯示設(shè)備的橋梁凈高顯示管理系統(tǒng)，實現(xiàn)中山航道事務(wù)中心對轄區(qū)航道所有凈高顯示設(shè)備、數(shù)據(jù)（含視頻數(shù)據(jù)）的同一系統(tǒng)管理，并滿足中山航道事務(wù)中心綜合業(yè)務(wù)管理平臺的數(shù)據(jù)兼容和對接。

2.5 系統(tǒng)管理平臺的功能描述

（1）通航凈高故障監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件由界面程序、后臺服務(wù)程序兩部分組成，主要功能是接收、顯示、保存、查詢、顯示屏遠程開關(guān)控制、打印故障信息，同一橋梁上下游顯示屏數(shù)據(jù)顯示不一致時自動關(guān)屏功能；

多年來，我們的教育似乎只重視“成功教育”而忽略了“苦難教育”，當代大學(xué)生似乎只有從爺爺奶奶那里才能聽到一點“過去的故事”。獨生子女們對衣來伸手、飯來張口的生活習(xí)以為常。針對當前大學(xué)生生存能力普遍較差的特點，高校必須加強對大學(xué)生的自身能力訓(xùn)練，磨煉其意志，提高其生存能力和動手能力?？梢园汛髮W(xué)生帶出去，通過做社會志愿者，去西部山區(qū)支教等方式，讓其真正體會到生活的艱辛和社會的多樣化。還可以組織大學(xué)生參加拓展活動，提升生存能力，培養(yǎng)團隊精神。

（2）備份數(shù)據(jù)及日、月、年度運維服務(wù)及故障報表統(tǒng)計功能；

（3）提供通航凈高故障管理系統(tǒng)，能夠?qū)λ茌爡^(qū)橋梁凈高設(shè)施進行統(tǒng)一管理；

（4）網(wǎng)頁服務(wù)器功能，為用戶瀏覽運行狀態(tài)、查詢、統(tǒng)計提供服務(wù)；

（5）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能；

（6）電子圍欄區(qū)域自定義功能；

（7）黑名單功能；

（8）為其他應(yīng)用提供數(shù)據(jù)接口；

（9）APP端及微信端多終端預(yù)警及視頻查看功能；

（10）自動水尺數(shù)據(jù)回傳后凈高數(shù)據(jù)的后臺測算功能；

（11）在航標周邊1公里范圍設(shè)置報告線，形成根據(jù)風(fēng)電場形狀形成的包圍線，船舶進入設(shè)置區(qū)域后，系統(tǒng)啟動提醒警示功能，對船舶發(fā)送甚高頻（VHF）語音廣播信息提醒船舶禁止違規(guī)作業(yè)并避開航行。

2.6 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.6.1 分層架構(gòu)設(shè)計

傳感器層：IP化VHF系統(tǒng)，維護方便，降低成本；采用高清CCTV，具備出色的編碼性能、專業(yè)圖像處理及智能分析算法。采用AIS設(shè)備獲取船舶的航行動態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)層：通過互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)、光纖專網(wǎng)、微波網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互，采用出色的數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，可有效降低網(wǎng)絡(luò)帶寬。

平臺層和數(shù)據(jù)層：采用虛擬化技術(shù)，多重冗余設(shè)計，具備安全可靠、維護方便、可擴展性良好等優(yōu)點。數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)：Oracle進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理、專用流媒體管理服務(wù)、memcach內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、JStorm流數(shù)據(jù)處理。

展現(xiàn)層：采用SOA面向服務(wù)技術(shù)，基于WebServer 架構(gòu)，支持web、PC等多端訪問；提供軟件api接口和標準硬件接口，可以快速與第三方系統(tǒng)互聯(lián)互通。

3.結(jié)語

本文通過對當前橋梁碰撞問題的原因分析，按照實際需求構(gòu)建了一整套基于融合航標、AIS與智能視頻分析技術(shù)的船舶偏航預(yù)警應(yīng)用系統(tǒng)，文中列出了系統(tǒng)的具體解決方案；通過設(shè)備及云技術(shù)結(jié)合分析的方式，從多角度監(jiān)控預(yù)警體系，實現(xiàn)針對目標船舶實時、精準與有效的監(jiān)測提醒。該方案的提出與實施可以為船舶偏航導(dǎo)致的碰撞橋梁問題提供可行高效的解決途徑，融合航標、AIS與視頻分析的電子圍欄系統(tǒng)的建立能檢測航運船舶流量以及維護航標設(shè)施提供依據(jù)和保障，具有很好的推廣應(yīng)用價值。