渡口水域安全監(jiān)管技術(shù)研究

文捷+耿雄飛

摘 要：隨著內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展，渡口水域安全監(jiān)管問(wèn)題日益凸顯，本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)現(xiàn)有船舶安全監(jiān)管技術(shù)進(jìn)行比較分析，利用遠(yuǎn)紅外視頻監(jiān)控技術(shù)和AIS落水人員示位標(biāo)、渡口船舶指揮調(diào)度一體機(jī)等技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)特定水域高精度、主動(dòng)探測(cè)的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)遠(yuǎn)近結(jié)合、動(dòng)靜匹配，能夠全面保障渡口水域的水上交通安全。

關(guān)鍵詞：渡口監(jiān)管；目標(biāo)識(shí)別；遠(yuǎn)紅外；落水人員示位標(biāo)

中圖分類號(hào)：U696 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2016）10-0040-02

1 引言

近幾年來(lái)，內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展情況良好，水運(yùn)在綜合運(yùn)輸體系中的地位和作用逐步增強(qiáng)，港口吞吐量持續(xù)增長(zhǎng)。隨著水路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，安全監(jiān)管問(wèn)題也成為了需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。2012年8月16日凌晨1點(diǎn)40分，馬和輪渡104號(hào)在由馬鞍山開(kāi)往和縣途中，整船瞬間從江面沉入洶涌的長(zhǎng)江中，導(dǎo)致21人落水，由于天黑搜救困難，僅9人被救，12人失蹤。以長(zhǎng)江為例，僅2011年長(zhǎng)江全線共開(kāi)展救助行動(dòng)200起，涉及遇險(xiǎn)人員3534人，引起了廣泛的社會(huì)關(guān)注。

目前我國(guó)針對(duì)渡口水域水上安全監(jiān)管能力仍然非常薄弱，特別是對(duì)于部分公益性渡口渡船的安全投入缺口較大，部分地區(qū)對(duì)渡口設(shè)施保護(hù)不足，渡口基礎(chǔ)設(shè)施損毀現(xiàn)象嚴(yán)重。部分渡運(yùn)從業(yè)人員安全意識(shí)淡薄，沿淮地區(qū)汽車渡口安全隱患突出。

2 安全監(jiān)管技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

目前，世界主要海洋強(qiáng)國(guó)，已形成完善的落水人員?？樟Ⅲw搜救應(yīng)急保障體系，其海上搜救具有高時(shí)效性和準(zhǔn)確性，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是先進(jìn)的落水人員搜救定位終端，二是可靠的落水目標(biāo)追蹤系統(tǒng)，三是便捷的調(diào)度指揮系統(tǒng)。

相對(duì)于海上安全管理來(lái)說(shuō)，渡口水域安全監(jiān)管制度落后，渡口安全管理受制于客觀條件，很難實(shí)現(xiàn)信息化救生衣的全面配布的規(guī)范穿著，有效搜救時(shí)間較短，因此迅速鎖定落水人員位置、快速調(diào)度周邊船只是亟需解決的問(wèn)題。

未來(lái)的渡口搜救應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)該包括如下要素：首先可以快速地指出遇險(xiǎn)目標(biāo)的位置，以提高搜救的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，極大地挽救人員生命和財(cái)產(chǎn)安全。同時(shí)，由于人工智能技術(shù)的發(fā)展，搜救應(yīng)急系統(tǒng)將更加智能化，可以計(jì)算最合適的搜救范圍，自我確定合適的搜救決策措施等。

針對(duì)以上目標(biāo)，通過(guò)對(duì)主要船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管手段（表1）進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，基于北斗的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍較大，且不需要岸基基站的通信傳輸支持；VTS系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)則屬于主動(dòng)式信息獲取，不需要船舶配合；視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)難度最小，AIS系統(tǒng)已經(jīng)建設(shè)完成，只需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用便可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)管。

綜合分析渡口水域的實(shí)際情況，船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備主動(dòng)探測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)管的能力。單純依靠某一項(xiàng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)管，因此，項(xiàng)目組通過(guò)分析比選，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行集成，提出了一套能夠有效實(shí)現(xiàn)特定水域高精度、主動(dòng)探測(cè)的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)遠(yuǎn)近結(jié)合、動(dòng)靜匹配、先進(jìn)實(shí)用，能夠全面保障渡口水域的水上交通安全。

3 渡口安全監(jiān)管技術(shù)研究

本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)現(xiàn)有船舶監(jiān)管技術(shù)進(jìn)行綜合分析，旨在打造一套有效實(shí)現(xiàn)特定水域高精度、主動(dòng)探測(cè)的船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)，通過(guò)采用遠(yuǎn)紅外視頻監(jiān)控技術(shù)及AIS技術(shù)，來(lái)對(duì)渡口水域進(jìn)行綜合監(jiān)管。研究主要包括兩部分，第一部分是基于遠(yuǎn)紅外熱成像的落水人員檢測(cè)系統(tǒng)，第二部分是基于AIS的渡口船舶指揮平臺(tái)。

3.1 落水人員檢測(cè)系統(tǒng)

現(xiàn)代水上航運(yùn)的繁榮，對(duì)內(nèi)河航運(yùn)過(guò)程中人員落水搜救提出了更高要求。落水人員的搜救是一個(gè)技術(shù)性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程，落水人員的搜救系統(tǒng)主要由落水人員的視覺(jué)定位系統(tǒng)組成，通過(guò)定位能在接到求救信號(hào)后第一時(shí)間定位到落水人員盡可能準(zhǔn)確的位置，縮小搜救范圍。

根據(jù)以上需求，系統(tǒng)既要能夠在數(shù)字圖像中識(shí)別人體目標(biāo)，又要識(shí)別、監(jiān)測(cè)落水人員的具體位置和速度等情況，同時(shí)還要能夠?qū)^(qū)域中多個(gè)人員目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和統(tǒng)計(jì)。

針對(duì)上述要求，首先系統(tǒng)基于數(shù)字圖像，進(jìn)行人員目標(biāo)的特征提取，系統(tǒng)采用目前能夠描述邊沿和局部形狀信息的最好特征提取方法之一的HOG特征，以及采用簡(jiǎn)單而有效的紋理描述符LBP，該方法具有很高的區(qū)分度，而且對(duì)于光照強(qiáng)度也不敏感。通過(guò)將上述兩者結(jié)合起來(lái)從而共同完成人體目標(biāo)的特征提取，最后利用積分直方圖來(lái)計(jì)算加速HOG-SLBP特征提取。在分類器方面，采用弱分類器級(jí)聯(lián)成強(qiáng)分類器的方法，每個(gè)特征向量可以使用快速差值核支持向量得到一個(gè)弱分類器，然后通過(guò)具有區(qū)分度的弱分類器來(lái)級(jí)聯(lián)成為強(qiáng)分類器。

通過(guò)人員目標(biāo)識(shí)別技術(shù)可以準(zhǔn)確識(shí)別圖像中的人員目標(biāo)信息，然后系統(tǒng)將對(duì)監(jiān)視水域進(jìn)行遠(yuǎn)紅外小角度掠射式掃描成像，通過(guò)快速透視變換和自適應(yīng)圖像拼接，還原出水域平面的正投影圖像；利用掃描成像方式擴(kuò)展有效工作區(qū)域，提高橫向分辨率，同時(shí)采用雙遠(yuǎn)紅外攝像機(jī)交叉成像方式細(xì)分單像素分辨面域，可大大提高圖像遠(yuǎn)端的徑向分辨率；利用遠(yuǎn)紅外數(shù)字圖像亞像素定位的快速算法，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別、定位、跟蹤與測(cè)量。

系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)紅外熱成像技術(shù)，遠(yuǎn)紅外熱像攝像機(jī)可接收到船體自身熱輻射的能量，因此可在全黑的環(huán)境下工作。所選擇的工作波段應(yīng)覆蓋“大氣窗口”，具有很強(qiáng)的穿透能力，各種惡劣天氣對(duì)其工作基本上沒(méi)有影響，且其能夠在夜間、霧天及雨雪等惡劣氣候中正常工作，當(dāng)發(fā)現(xiàn)人員落水時(shí)，及時(shí)用強(qiáng)烈的音響、燈光等信號(hào)向落水人員和管理者報(bào)警。

系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)紅外攝像機(jī)2臺(tái)組成，對(duì)渡口水域進(jìn)行監(jiān)視，并與中控電腦連接。同時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)射到指定位置，可以隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)查看，總體效果如圖1所示。

3.2 搜救船舶指揮平臺(tái)

針對(duì)于渡口區(qū)域，在擁有了基于遠(yuǎn)紅外熱成像的落水人員檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在第一時(shí)間監(jiān)控落水人員狀況，但是一旦脫離了視頻監(jiān)控范圍，遠(yuǎn)紅外的作用效果將很難發(fā)揮出來(lái)。針對(duì)水上搜救實(shí)時(shí)性和可靠性要求高的特點(diǎn)，本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)了搜救船舶指揮平臺(tái)。

整體搜救指揮系統(tǒng)由渡口船舶調(diào)度指揮一體機(jī)、渡口船舶調(diào)度指揮軟件和AIS落水人員示位標(biāo)構(gòu)成。當(dāng)人員落水時(shí)，AIS落水人員示位標(biāo)立即發(fā)出AIS報(bào)文，實(shí)時(shí)定位遇險(xiǎn)位置；渡口船舶調(diào)度指揮一體機(jī)接收AIS落水人員示位標(biāo)的預(yù)警信息，制定搜救計(jì)劃、調(diào)派搜救力量、監(jiān)控搜救任務(wù)的執(zhí)行。

3.2.1 渡口船舶調(diào)度指揮一體機(jī)

渡口船舶調(diào)度指揮一體機(jī)，是針對(duì)水上搜救實(shí)時(shí)性和可靠性要求高的特點(diǎn)，通過(guò)集成AIS接收機(jī)、便攜式鞭狀天線、鋰電池、計(jì)算機(jī)主板、CPU、內(nèi)存、硬盤、顯示器等硬件設(shè)備；渡口船舶調(diào)度指揮一體機(jī)不需要網(wǎng)絡(luò)支持，能夠隨時(shí)開(kāi)展船舶調(diào)度指揮。

3.2.2 渡口船舶調(diào)度指揮軟件

渡口船舶調(diào)度指揮軟件包括船舶動(dòng)態(tài)顯示、渡線區(qū)域監(jiān)控、渡船歷史軌跡回放、渡口統(tǒng)計(jì)分析等應(yīng)用軟件模塊；這些軟件模塊可以在離線版的GIS平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用。

3.2.3 AIS落水人員示位標(biāo)

AIS落水人員示位標(biāo)一種基于通用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，適用于落水者隨身攜帶和可以連續(xù)使用72小時(shí)的AIS定位顯示終端。當(dāng)佩有該救生設(shè)備的人員落水后，遇水開(kāi)關(guān)可自動(dòng)觸發(fā)設(shè)備發(fā)出求救信息，自漂浮結(jié)構(gòu)可保證該設(shè)備始終保持垂直漂浮狀態(tài)。

4 總結(jié)

本課題針對(duì)渡口水域安全監(jiān)管與搜救問(wèn)題開(kāi)展研究工作，通過(guò)利用基于遠(yuǎn)紅外熱成像的落水人員監(jiān)控系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)紅外熱成像技術(shù)，能夠在夜間、霧天及雨雪等惡劣氣候中能夠快速識(shí)別數(shù)字圖像中的的人體目標(biāo)，并確定其具體的空間位置。通過(guò)船舶調(diào)度指揮一體機(jī)、渡口船舶調(diào)度指揮軟件和AIS落水人員示位標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了基于GIS的渡口船舶調(diào)度指揮平臺(tái)。兩套系統(tǒng)能夠形成有效的互補(bǔ)，遠(yuǎn)紅外視頻監(jiān)控技術(shù)能夠在人員第一時(shí)間感知到落水人員位置，并發(fā)出報(bào)警信息；船舶調(diào)度指揮平臺(tái)，能夠在落水水域，根據(jù)AIS落水人員示位標(biāo)所標(biāo)注的位置，開(kāi)展搜救工作。通過(guò)以上研究工作，針對(duì)渡口安全監(jiān)管問(wèn)題，提出了一套可行的技術(shù)方案，在后續(xù)工作中可以深化研究，從而有效促進(jìn)渡口水域的安全監(jiān)管。

項(xiàng)目支持：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題“基于自動(dòng)識(shí)別（AIS）技術(shù)的個(gè)人海上搜救系統(tǒng)的研制”（2014BAK12B06）