基于物聯(lián)網(wǎng)、北斗和AI等技術的疏浚智能監(jiān)管系統(tǒng)設計

李 旻

（廈門市政智慧城市科技有限公司，福建 廈門 361000）

多地海灣生態(tài)修復建設過程中都涉及相關海上清淤作業(yè)，期間時有作業(yè)船只違規(guī)傾倒、不明船只盜采等違法行為，給海上通航安全和海洋環(huán)境保護帶來危害。相關部門采用傳統(tǒng)監(jiān)管手段成效有限，難以滿足監(jiān)管需求。

1 設計思路

從監(jiān)管需求的角度出發(fā)，自上而下、明確責任部門、同步信息，避免信息孤島和資源浪費，同時促進清淤疏浚工程的精細化管理，改善環(huán)保狀況[1]。系統(tǒng)結合實際項目的勘察，從源頭防止盜采砂、中途防止航線偏離、全程防止違規(guī)傾倒、聯(lián)動執(zhí)法系統(tǒng)性監(jiān)管4個角度，設計整套監(jiān)管系統(tǒng)[2]。

2 技術路線

系統(tǒng)以平臺為中心，軟件采用B/S架構、SQL Server等數(shù)據(jù)庫類型，結合物聯(lián)網(wǎng)[3]、北斗短報文、AI視頻識別、雷達、AIS、5G/4G等關鍵技術，分成前端設備、傳輸網(wǎng)絡、指揮中心及第三方支撐四個層面。

3 總體架構

系統(tǒng)以應用平臺為中心，對接各個支撐系統(tǒng)：北斗系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、AIS系統(tǒng)、告警系統(tǒng)、泥門信息系統(tǒng)、對講系統(tǒng)、VMS系統(tǒng)等。每個系統(tǒng)分別負責支撐上層應用平臺，以實現(xiàn)對疏浚項目各類視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)的匯聚整合，并在此基礎上實現(xiàn)視頻事件分析、大數(shù)據(jù)分析運用，最終實現(xiàn)疏浚項目的可視、可管和可控。

4 主要功能

4.1 清淤區(qū)視頻監(jiān)控

利用激光高清重型云臺攝像機監(jiān)控清淤區(qū)現(xiàn)場作業(yè)情況，輔以AIS系統(tǒng)等定位技術和雷達識別，自動定位、聚焦和抓拍施工現(xiàn)場的船只，保證白天及夜間（夜間激光補光3 km）對清淤區(qū)的實時監(jiān)控和對可疑船只的聚焦抓拍錄制，監(jiān)視現(xiàn)場作業(yè)船只的施工規(guī)范，防止源頭沙子被非法盜采等情況發(fā)生。

4.2 清淤區(qū)雷達監(jiān)控

實現(xiàn)雷達與AIS數(shù)據(jù)融合，在后臺系統(tǒng)上實時呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，用于識別非法船只，并能擴展與CCTV的聯(lián)動抓拍功能，留存非法船只相關圖片數(shù)據(jù)等。其中，雷達和AIS數(shù)據(jù)覆蓋大部分清淤區(qū)區(qū)域，融合后的數(shù)據(jù)以接口文檔形式接入后臺平臺。同時雷達與CCTV實現(xiàn)聯(lián)動，對重點關注船舶目標持續(xù)進行視頻跟蹤。當系統(tǒng)船舶目標與攝像頭建立聯(lián)動關系后，攝像頭會自動跟隨船舶航行而自動調(diào)整角度始終將船舶保持在視頻畫面中，并支持當目標超出攝像頭范圍時自動采取最近攝像頭進行接力跟蹤。

4.3 船載AI監(jiān)控

通過對接VMS系統(tǒng)，利用超高清視頻設備，結合動態(tài)目標檢測和人體行為識別技術，前端實現(xiàn)AI識別[4]，實現(xiàn)船倉泥砂的圖像識別，當圖像發(fā)生變化時，自動進行視頻抓拍錄像取證，將前端視頻資源接入系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻播放、回放、云臺控制等能力（見圖1）。

圖1 視頻處理與系統(tǒng)對接設計圖

4.4 航線北斗告警

對接北斗系統(tǒng)，在海上航行缺失5G/4G信號及AIS關閉的情況下，對接船載終端系統(tǒng)，利用北斗衛(wèi)星短報文技術[5]，實現(xiàn)航線偏移或違規(guī)倒砂的實時告警 （見圖2）。船載系統(tǒng)是一個獨立的局域網(wǎng)系統(tǒng)，包含船載監(jiān)控攝像機、船載錄像機NVR、船載北斗衛(wèi)星通信終端。其中，北斗終端實時與中心北斗設備進行衛(wèi)星通信，當發(fā)現(xiàn)船載貨物有異常告警時，及時將告警報文推送給疏浚中心應用平臺，由平臺對告警做進一步提醒、轉(zhuǎn)發(fā)和處置。

圖2 北斗告警與系統(tǒng)對接設計圖

4.5 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)整體采用分層解耦的架構設計思路，各層之間采購標準接口和協(xié)議進行對接，下層支撐上層功能[6]。系統(tǒng)主要分為四層：基礎設施層、應用支撐層、數(shù)據(jù)存儲層、應用交互層（見圖3）。

圖3 系統(tǒng)分層功能圖

（1）基礎設施層包括前后端硬件設備，以及所采用的云平臺基礎設施、平臺管理軟件，以及用于信息傳輸?shù)挠芯€和無線網(wǎng)絡。該層設備為系統(tǒng)提供可承載的基礎底座，主要可歸類為信息采集設備、數(shù)據(jù)存儲設備、運行計算設備、數(shù)據(jù)傳輸鏈路等。

（2）應用支撐層為一些獨立的系統(tǒng)或引擎，為疏浚監(jiān)管平臺提供數(shù)據(jù)支撐、傳輸支撐、管理支撐及可視化支撐等服務，基于這些成熟的支撐服務系統(tǒng)，使得數(shù)據(jù)的獲取和可視化成為可能，大大降低了平臺功能開發(fā)和實現(xiàn)的難度。

（3）數(shù)據(jù)存儲層存儲各種類型的數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)的主要資產(chǎn)。本系統(tǒng)具有各種結構化（如告警、軌跡）和非結構化（如視頻、圖片）的數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)以不同的形式存儲在存儲器之中，實現(xiàn)統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一展示，為上層應用提供數(shù)據(jù)來源支撐。

（4）應用交互層實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的交互操作功能。該層是系統(tǒng)面向用戶的窗口，可以為用戶提供信息展示、告警通知、統(tǒng)計報表和系統(tǒng)管理等主要功能操作頁面，讓用戶易于使用系統(tǒng)。

5 結束語

疏浚智能監(jiān)管系統(tǒng)涉及多個職能部門、代建單位，涉及多層級的管理體系，是采用多種高新技術的應用系統(tǒng)。該系統(tǒng)已上線一年多，期間不斷的迭代和升級，受到相關政府領導及使用者的重視和認可。隨著實際工程應用的增加，其示范和推廣的意義越來越明顯。結合系統(tǒng)的設計、實施及應用的情況及反饋，我們總結如下。

（1）疏浚智能監(jiān)管系統(tǒng)可有效提升疏浚工程監(jiān)管的信息化、智能化水平，通過自動獲取船只位置信息、自動分析船只航行狀態(tài)、自動識別船上設備和貨物等技術，實現(xiàn)監(jiān)管自動化、智能化，提高疏浚工程監(jiān)管效率，提高用戶監(jiān)管便捷性。

（2）該系統(tǒng)實現(xiàn)了多種高新技術的集成創(chuàng)新，在技術路線、架構設計、對接設計、云服務設計上集成物聯(lián)網(wǎng)、北斗與AI尖端技術，通過建設信息化系統(tǒng)，整合雷達、AIS、NVR等先進技術手段實現(xiàn)對船舶位置、泥門開關、監(jiān)控等相關數(shù)據(jù)采集研判以及視頻資源的實時傳送等多種功能。

（3）該系統(tǒng)具備推廣意義，能有效規(guī)范工作人員的疏浚作業(yè)行為，讓工作更有效率和規(guī)律；間接減少泥沙丟失、倒賣，有效減少資金損失，同時避免隨意往海洋中拋棄泥沙，減少對海洋環(huán)境的破壞，有力提升我國的海洋科技創(chuàng)新能力與海洋經(jīng)濟開發(fā)利用綜合競爭力，合理開發(fā)利用海洋資源，健全特色海洋產(chǎn)業(yè)鏈，服務海洋強國建設，具備廣闊的市場前景。