一種基于水上燈浮標(biāo)的智能監(jiān)控裝置設(shè)計方案

張平

摘 要：航標(biāo)是標(biāo)示航道與指引船舶航行的助航導(dǎo)航設(shè)施，是重要的社會公共資源。水上燈浮標(biāo)是航標(biāo)的一種。由于船舶駕駛員疏忽等原因，燈浮標(biāo)被過往船只碰撞的事故時有發(fā)生。燈浮標(biāo)被碰撞后，需要進(jìn)行吊換和維修，成本較高。一直以來，由于缺少證據(jù)，對被碰撞浮標(biāo)的追責(zé)和索賠一直是航標(biāo)管理部門面臨的難題。影像監(jiān)控不失為一個好的方法，本文作者根據(jù)燈浮標(biāo)的實際狀況和目前技術(shù)的發(fā)展情況，闡述了用于燈浮標(biāo)的新型智能監(jiān)控裝置的設(shè)計方案，以供研究人員參考。

關(guān)鍵詞：航標(biāo) 燈浮標(biāo) 監(jiān)控 設(shè)計 方案

1.前言

燈浮標(biāo)是幫助引導(dǎo)船舶航行、定位和標(biāo)示礙航物與表示警告的水上人工標(biāo)志，在沿海及內(nèi)河航道兩側(cè)比較多見。包括左右通航標(biāo)、示位標(biāo)、孤立危險物標(biāo)、沉船標(biāo)等。設(shè)置地點通常離岸遠(yuǎn)，有線和無線網(wǎng)絡(luò)往往都無法覆蓋，陸上常用的影像監(jiān)控方式不適用于燈浮標(biāo)。

目前，燈浮標(biāo)被碰撞后，對于安裝有AIS航標(biāo)的燈浮標(biāo)，可通過對過往船舶的AIS航行軌跡進(jìn)行篩查。由于通常無法確定被撞的時間節(jié)點，船舶AIS航行軌跡也存在一定的誤差，往往較難精準(zhǔn)地鎖定肇事船舶。以往，航標(biāo)管理部門對水上燈浮標(biāo)的監(jiān)控做過一些研究和開發(fā)，由于受到技術(shù)方面的限制，產(chǎn)品都未能大范圍開展應(yīng)用。隨著科技不斷發(fā)展，特別是新的影像和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷進(jìn)步，為新的燈浮標(biāo)智能監(jiān)控裝置的開發(fā)提供了可能。下面將新型燈浮標(biāo)智能監(jiān)控裝置的設(shè)計思路做一個分析和介紹。

2.概述

該智能監(jiān)控裝置安裝在燈浮標(biāo)的燈架上，主要由廣角攝像頭、微波探測裝置（雷達(dá)）、AIS航標(biāo)、紅外線組件、WiFi熱點模塊、碰撞傳感器、電源系統(tǒng)等組成。根據(jù)海洋環(huán)境，該裝置在高溫高濕、防雨防震、夜間拍攝、防腐蝕、防抖拍照、防撞擊、防雷擊等環(huán)境方面都采取對應(yīng)的設(shè)計，以保證設(shè)備在復(fù)雜的海面環(huán)境中穩(wěn)定工作。

3.功能介紹

（1）燈浮標(biāo)智能監(jiān)控裝置配置一個220°廣角攝像頭，在垂直剖面內(nèi)的視角可達(dá)220°，可拍攝照片和視頻。快門1/1000以上，攝像頭光學(xué)防抖設(shè)計。索尼超星光高感sensor與紅外補(bǔ)光，夜間也能達(dá)到良好的拍攝效果。

（2）微波探測器共四個，分別裝在燈架的四面。微波探測器的原理是持續(xù)發(fā)射微波，并接收反射回的微波信號。當(dāng)探測區(qū)內(nèi)的目標(biāo)移動時，原發(fā)射信號與反射的信號之間會有頻率差異，通常稱為多普勒效應(yīng)。探測器的靈敏度取決于目標(biāo)的移動速度、大小、反射能量的多少以及與探測器的距離。探測器會根據(jù)頻率改變的大小來生成相應(yīng)強(qiáng)度的探測信號。一般而言，探測信號的強(qiáng)弱取決于目標(biāo)的大小以及與探測器的距離。目標(biāo)越大，距離越短，生成的探測信號就越強(qiáng)。

除此以外，微波靈敏度與目標(biāo)移動的速度也緊密相關(guān)。目標(biāo)緩慢移動時，微波傳感設(shè)備生成低頻信號，目標(biāo)快速移動時則生成高頻信號；當(dāng)目標(biāo)移近或遠(yuǎn)離探測器時，也會發(fā)生相同的情況：斜向移近或遠(yuǎn)離探測器生成的頻率會比直線移動生成的頻率信號低，因為斜向接近或遠(yuǎn)離探測器的速度更慢。兩個正以相同速度移動的目標(biāo)，走直線距離A，生成頻率高的信號，走斜線距離B，生成頻率低的信號。

（3）燈浮標(biāo)上安裝AIS航標(biāo)，將采集到的監(jiān)控裝置狀態(tài)數(shù)據(jù)通過報文的形式，向航標(biāo) AIS 信息中心報告，其中錄像模式（見4.工作模式）即時報告。在AIS信息中心也可以隨時查看監(jiān)控裝置的工作狀態(tài)。同時， 對靠近燈浮標(biāo)的船舶，對其發(fā)送警告信息，提醒船舶安全駕駛。如果監(jiān)控裝置在沒有AIS安裝條件的燈浮標(biāo)上使用，只是缺少報告功能，不影響拍攝，航標(biāo)管理人員同樣可以通過讀取存儲卡來獲取信息。

（4）紅外線組件在夜間或自然光線條件較差時，啟動發(fā)射紅外光為監(jiān)控攝像頭補(bǔ)光。紅外線組件的啟停由日光閥控制，保證在自然光線不佳的條件下也能拍攝到清晰的影像。

（5）燈浮標(biāo)智能監(jiān)控裝置內(nèi)置WiFi熱點，在巡檢船靠近燈浮標(biāo)時，無需接線和拔卡，就可以利用巡檢船上的設(shè)備（手機(jī)、電腦、移動終端等）與其無線連接，來讀取或拷貝儲存卡上的影像資料。

（6）碰撞傳感器的工作原理是利用碰撞時產(chǎn)生的加速度，其實質(zhì)為一變極距差動工作電容。當(dāng)沒有加速度即燈浮標(biāo)無外力碰撞時，電容C1= C 2，中間間隙δ1=δ2 ，當(dāng)有外力碰撞時會有加速度產(chǎn)生，叉指型結(jié)構(gòu)中間可動部分偏離中間位置，間隙δ1≠δ2，電容C1≠C2。加速度傳感器采用了微機(jī)械結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體材料。在一個9mm2的芯片集成了加速度傳感器和它的模擬處理電路，其中加速度傳感器本身需要1mm2 ，結(jié)構(gòu)如圖2所示。加速度傳感器在芯片上懸掛一個可動部分，并通過4個彎曲梁與芯片固定，彎曲梁長200 μm，寬2μm，它被置于一叉指形狀的單元結(jié)構(gòu)槽內(nèi)，叉指結(jié)構(gòu)的中間部分即為加速度傳感器的可動部分，該部分質(zhì)量小于0. 1μg。碰撞傳感器由多個這樣的叉指型結(jié)構(gòu)組合，形成了由C 1和C2組成的變極式差動工作電容傳感器。碰撞傳感器內(nèi)的微控制器可以對ΔC （C 1-C2）進(jìn)行監(jiān)測，并結(jié)合可動部分的質(zhì)量和彎曲梁的彈性系數(shù)，計算出作用于傳感器上的加速度，超過設(shè)置的加速度時便發(fā)出觸發(fā)信號。

燈浮標(biāo)設(shè)置在水中，受風(fēng)浪的影響會產(chǎn)生搖蕩運動，碰撞傳感器的觸發(fā)應(yīng)該過濾掉搖蕩運動產(chǎn)生的信號。

（7）為了不影響燈浮標(biāo)燈器正常工作，智能監(jiān)控裝置電源系統(tǒng)單獨配置，主要包括12V 80AH的免維護(hù)蓄鉛酸電池1只，峰值功率20W單晶硅太陽能電池板2塊。本設(shè)備正常工作功率白天約2W，夜間拍攝功耗約為22W，待機(jī)+工作平均功耗約3.75W，以一個電池60A/12V（720）的容量計算，則在無太陽光補(bǔ)充電能的情況下，可使用約190小時左右（～7.9天）。

4.工作模式

新型燈浮標(biāo)智能監(jiān)控裝置工作分三種模式。

一是拍照模式，當(dāng)微波探測裝置探測到周圍船只與燈浮標(biāo)的距離大于15米時，監(jiān)控裝置自動拍攝全景照片，拍攝頻率為1張/min。監(jiān)控裝置內(nèi)置128G儲存卡，儲存卡分為普通存儲區(qū)和重要存儲區(qū)。普通儲存區(qū)容量為96G，采用循環(huán)存儲的方式，保存時間約一個月。重要儲存區(qū)容量為32G，除獲得授權(quán)外，儲存的資料不可循環(huán)替代，永久保存。拍照模式下拍攝的照片儲存在存儲卡的普通存儲區(qū)。

二是正常錄像模式，當(dāng)微波探測裝置探測到周圍船只與燈浮標(biāo)的距離不超過15米時，監(jiān)控裝置轉(zhuǎn)為拍攝全景視頻。直到船只離開設(shè)置的15米半徑范圍，才自動轉(zhuǎn)為拍照模式。拍攝的全景視頻儲存在存儲卡的普通存儲區(qū)。此時由微波探測器觸發(fā)信號通過AIS向岸基接收設(shè)備發(fā)送拍攝視頻條文的記錄信息，信息內(nèi)容包括開始和結(jié)束時間、燈浮標(biāo)代號、位置等，便于航標(biāo)管理人員查閱。

三是緊急錄像模式，當(dāng)船只與燈浮標(biāo)碰撞時，觸發(fā)碰撞傳感器，此時不僅拍攝全景視頻，還由碰撞傳感器觸發(fā)信號通過AIS向岸基接收設(shè)備發(fā)送碰撞報警條文信息，信息內(nèi)容包括碰撞時間、燈浮標(biāo)代號、位置等，同時將拍攝的全景視頻存入儲存卡的重要存儲區(qū)，不可循環(huán)替代，永久保存。

5.展望

智能監(jiān)控裝置可在燈浮標(biāo)、沿岸燈樁、燈塔等設(shè)施上推廣應(yīng)用，形成船舶智能公共監(jiān)控系統(tǒng)。未來，隨著自動識別技術(shù)的逐漸成熟，可與船舶檢驗管理部門的數(shù)據(jù)庫連接，與海事系統(tǒng)CCTV監(jiān)控系統(tǒng)對接，對過往船舶進(jìn)行自動識別，建立船舶智能公共監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建水上交通監(jiān)控體系，為海事監(jiān)管、調(diào)查等提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

6.結(jié)論

智能監(jiān)控裝置包括攝像頭、微波探測裝置（雷達(dá)）、AIS航標(biāo)、紅外線組件、WiFi熱點模塊、碰撞傳感器等部件，各部件單獨應(yīng)用都很成熟，但各個部件之間存在相互控制或關(guān)聯(lián)的關(guān)系，智能化的實現(xiàn)關(guān)鍵在于軟件程序的開發(fā)。

智能監(jiān)控裝置以水上燈浮標(biāo)為搭載平臺，覆蓋范圍廣，應(yīng)用前景廣泛，不僅為燈浮標(biāo)提供安全防護(hù)監(jiān)控，還為未來建立水上智能監(jiān)管體系、水上智能導(dǎo)航系統(tǒng)等打下良好基礎(chǔ)。

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