圖像檢測(cè)識(shí)別在水運(yùn)智能化發(fā)展中的應(yīng)用

陳志宏，廖月，謝瑞敏，姜慧勤，林盛梅

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225300；2.南京暢淼科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 211106）

圖像檢測(cè)識(shí)別是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行分析和處理，確定圖像中有沒有目標(biāo)以及目標(biāo)的位置，并將目標(biāo)識(shí)別出來的過程。目前主要應(yīng)用于遙感圖像識(shí)別、通訊傳輸、軍事公安刑偵、生物醫(yī)學(xué)圖像識(shí)別、機(jī)器視覺等領(lǐng)域[2]。

改革開放以來，特別是黨的十八大以來，我國(guó)的交通運(yùn)輸業(yè)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。黨的十九大報(bào)告第一次提出建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)[3]，黨的二十大報(bào)告再次指出要加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)。我國(guó)有著1.8 萬(wàn)千米的海岸線以及12萬(wàn)千米的內(nèi)河航道，因此，加快發(fā)展水運(yùn)交通智能化是當(dāng)前工作的重中之重。

相較于陸運(yùn)監(jiān)管的高度智能化，水運(yùn)受自然條件等客觀因素的影響，智能化水平低、智能化發(fā)展滯后、技術(shù)監(jiān)管手段缺失。當(dāng)前水運(yùn)視頻監(jiān)控主要以人工觀看、錄像為主，對(duì)視頻深化應(yīng)用研究及圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)研究不多，投入實(shí)際應(yīng)用的則更少。國(guó)務(wù)院七部委聯(lián)合發(fā)布的《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見》指出解決問題的關(guān)鍵在于要突破智能船舶態(tài)勢(shì)感知技術(shù)及相關(guān)通訊技術(shù)，這些技術(shù)的突破將為我國(guó)全面掌握智能航運(yùn)核心技術(shù)，建立智能航運(yùn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和智能航運(yùn)體系提供支撐，為交通強(qiáng)國(guó)發(fā)揮關(guān)鍵作用[4]。

1 圖像檢測(cè)識(shí)別在水運(yùn)智能化中的應(yīng)用

目前圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)在水運(yùn)智能化方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在視頻處理、船舶檢測(cè)識(shí)別、船舶身份識(shí)別、船舶信息識(shí)別、違章預(yù)警識(shí)別等等。此類應(yīng)用在一定程度上提升了部分涉水部門的智能化監(jiān)管水平，例如海事部門、港航部門、邊檢部門、公安部門等，但仍有較大一部分涉水部門目前仍缺乏相關(guān)智能化監(jiān)管手段。

1.1 在海事方面的應(yīng)用

為提升水上交通管控能力以及海事治理體系與治理能力現(xiàn)代化水平，針對(duì)水上交通動(dòng)態(tài)感知手段不足、管控能力不強(qiáng)等問題，通過在雷達(dá)站、通航河口等地裝設(shè)攝像頭、抓拍控制裝置等感知設(shè)備，構(gòu)建智能卡口平臺(tái)。實(shí)時(shí)抓拍過往船舶的信息，對(duì)重點(diǎn)船舶進(jìn)行智能畫像，并進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接、推送和處理。實(shí)現(xiàn)了船舶細(xì)節(jié)影像獲取、船舶身份多維感知、船舶特征識(shí)別及行為分析、船舶影像結(jié)構(gòu)化入庫(kù)等功能，構(gòu)建“多維感知、快速抵達(dá)、高效協(xié)同、智能處置”的一體化水上交通動(dòng)態(tài)管控新格局[5]，取得了良好效果。

智能卡口平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了船舶“口袋式”管理，動(dòng)態(tài)掌握轄區(qū)內(nèi)船舶流量、航行狀態(tài)和航行行為。同時(shí)切實(shí)提升水上執(zhí)法效率，降低一線工作人員工作強(qiáng)度，將船舶圖像作為執(zhí)法證據(jù)，提升水上執(zhí)法公信力。

1.2 在港航方面的應(yīng)用

船舶交通流量是指單位時(shí)間內(nèi)通過水域中某一地點(diǎn)的所有船舶的數(shù)量、航向、船速、總噸位等，是表征一個(gè)水域水上交通狀況最基本的量。它的大小直接反映了一個(gè)水域船舶交通的規(guī)模和繁忙程度，并在一定程度反映該水域船舶交通的擁堵和危險(xiǎn)程度。為了解水上交通船舶及貨物流量的基本情況，航道相關(guān)部門需對(duì)內(nèi)河航道的船舶流量、內(nèi)河水運(yùn)主通道上的船舶及貨物情況進(jìn)行上報(bào)。傳統(tǒng)的船舶流量統(tǒng)計(jì)采用的是人工觀測(cè)，這種方法優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，但缺點(diǎn)也很明顯。

為實(shí)現(xiàn)7×24 小時(shí)不間斷流量觀測(cè)，建立船舶流量自動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)成為必需。在需觀測(cè)流量的航道斷面或者船閘，比如通航河口、轄區(qū)邊界、重點(diǎn)航段、重要通航橋梁等，建立流量觀測(cè)系統(tǒng)，對(duì)經(jīng)過航道斷面或船閘的船舶交通流量7×24 小時(shí)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，并按統(tǒng)一的格式形成流量報(bào)表。具有準(zhǔn)確率高、安裝方便，且有高清照片、可獲取更多船舶信息等優(yōu)點(diǎn)。

除了建立船舶流量觀測(cè)之外，還在船閘建立越線哨兵系統(tǒng)。閘門關(guān)閉泄水時(shí)，若有船舶停留在閘臺(tái)區(qū)域，極易造成船舶擱淺，船舶傾翻，并導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故，使船員和船舶遭受經(jīng)濟(jì)損失。目前多采用在閘墻涂繪安全警戒線標(biāo)識(shí)，并在閘墻外立界限燈。這種方式在天氣不佳時(shí)不易看清，對(duì)于船舶是否越線，易產(chǎn)生爭(zhēng)議。因此，建立越線哨兵系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)船舶是否超越警戒線，若有則發(fā)出聲光報(bào)警，提醒船員挪船，并告知閘首工作人員勿進(jìn)行泄水。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，準(zhǔn)確率可達(dá)98.5%。

1.3 在邊檢、公安方面的應(yīng)用

邊防檢查站作為國(guó)家安全和對(duì)外開放口岸，維護(hù)其出入境秩序，提高邊檢出入境安全管控效能顯得尤為重要。目前邊防檢查站多采用高清監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控非法入境船舶，但視頻大多停留在人工盯屏階段，需人工判斷是否為外籍船舶，耗時(shí)耗力，且距離稍遠(yuǎn)時(shí)看不清船名，遇到違法行為時(shí)從視頻中返查證據(jù)也費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過建設(shè)過境船舶抓拍識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)采集經(jīng)過的船舶照片，并自動(dòng)識(shí)別其身份、長(zhǎng)度、船種等，建立國(guó)際航行船舶基礎(chǔ)信息庫(kù)，提高入境船舶的感知能力，實(shí)現(xiàn)轄區(qū)內(nèi)國(guó)際航行船舶信息實(shí)時(shí)掌握，也能夠快速檢索到需要的執(zhí)法證據(jù)。

水域治安管理有著流動(dòng)性大、隱蔽性強(qiáng)、檢查難度大的特點(diǎn)，以往所有過閘船舶都必須到登記窗口接受公安、海事、船閘等部門的檢查方可登記過閘。隨著大數(shù)據(jù)智能化的發(fā)展，船舶管理部門采用微信登記、網(wǎng)上繳費(fèi)的方式，船民無(wú)需再到窗口檢查登記，給公安機(jī)關(guān)對(duì)船舶、船民的管理帶來了不便。通過建立水域治安防控系統(tǒng)，自動(dòng)對(duì)船舶進(jìn)行抓拍，對(duì)接船舶登記及調(diào)度數(shù)據(jù)，使每一艘過閘船舶都留下高清照片和身份數(shù)據(jù)。同時(shí)開發(fā)船舶長(zhǎng)度、寬度丈量功能，若船舶實(shí)際長(zhǎng)寬與登記長(zhǎng)寬誤差較大時(shí)，認(rèn)為屬于過閘費(fèi)詐騙，發(fā)出預(yù)警。基于抓拍的高清照片，自動(dòng)識(shí)別船舶水面上高度，判斷是否有超載瞞報(bào)行為。積累船舶數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)資源庫(kù)，點(diǎn)擊某條船舶，即可顯示該船舶詳情，包括歷史過閘記錄及照片、運(yùn)行軌跡、船主船員信息等。

2 圖像檢測(cè)識(shí)別應(yīng)用新展望

圖像檢測(cè)識(shí)別應(yīng)用除了上述已有的場(chǎng)景技術(shù)，對(duì)于未來新的應(yīng)用方向的研究，可以針對(duì)不同場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，提出一些場(chǎng)景定制化的應(yīng)用方案，比如船閘橋梁防碰撞、船閘吃水超深預(yù)警、船舶尾氣在線監(jiān)測(cè)等。這些針對(duì)船閘、環(huán)境監(jiān)測(cè)等不同場(chǎng)景需求，對(duì)于圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)在水運(yùn)智能化發(fā)展中的應(yīng)用也會(huì)起到積極的推動(dòng)作用。

2.1 船閘橋梁防碰撞

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，航道運(yùn)輸日益繁忙，船舶密度、裝載高度也相應(yīng)增高，部分早期建設(shè)的橋梁通航凈空尺度較小、防撞標(biāo)準(zhǔn)較低，導(dǎo)致近年來一些橋梁與船舶不匹配的安全風(fēng)險(xiǎn)凸顯，直接影響交通運(yùn)輸?shù)陌踩蜁惩ǎ{到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，規(guī)范橋區(qū)水域船舶通航秩序，提升橋梁防撞能力，建立健全防范化解安全風(fēng)險(xiǎn)的長(zhǎng)效機(jī)制，是防止重特大事故發(fā)生的前提。

通過建設(shè)橋梁轉(zhuǎn)到防撞預(yù)警系統(tǒng)，采用主動(dòng)式的超高防撞實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)警，輔以安全警告標(biāo)志牌、語(yǔ)音喇叭發(fā)聲裝置等方式抑制超高船舶通行，能最大限度減少超高船舶的撞橋幾率，大幅降低橋梁維護(hù)費(fèi)用，更好地保護(hù)跨航船閘橋、船閘、船舶及人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

2.2 船舶尾氣在線監(jiān)測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)水路貨物運(yùn)輸量和港口吞吐量連續(xù)多年占據(jù)世界第一。繁忙的水運(yùn)和海運(yùn)也帶來了嚴(yán)重的空氣污染，根據(jù)交通運(yùn)輸部印發(fā)的船舶大氣污染物排放控制區(qū)實(shí)施方案要求：進(jìn)入排放控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量≤0.5%m/m 的船用燃油；進(jìn)入內(nèi)河控制區(qū)，應(yīng)使用硫含量≤0.1%m/m 的船用燃油；進(jìn)入沿?？刂茀^(qū)海南區(qū)域，應(yīng)使用硫含量≤0.1%m/m 的船用燃油。如何對(duì)在航船舶使用燃油硫含量進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，是全球排放控制區(qū)監(jiān)管面臨的難題。

基于此，建設(shè)可視化抓拍的船舶尾氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)的有效途徑。對(duì)所有經(jīng)過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的船舶進(jìn)行7×24 小時(shí)尾氣監(jiān)測(cè)，并利用抓拍設(shè)備對(duì)船舶抓拍取證，做到一船一照一檔，揪出排放超標(biāo)的可疑船舶，確?！坝械姆攀浮北O(jiān)測(cè)超標(biāo)船舶，提升執(zhí)法效能，為打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)，促進(jìn)綠色航運(yùn)發(fā)展和船舶節(jié)能減排貢獻(xiàn)力量。

2.3 船閘吃水超深預(yù)警

隨著船舶大型化的不斷推進(jìn)，航運(yùn)船舶密度和貨運(yùn)量大幅增加，航運(yùn)事業(yè)日新月異，船舶通行需求不斷攀升，在經(jīng)濟(jì)效益的驅(qū)使下部分船舶吃水、裝載謊報(bào)的問題導(dǎo)致過閘安全風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)船閘沒有吃水檢測(cè)的有效手段，通航部門主要通過船舶自主誠(chéng)信申報(bào)和人工丈量的方式獲取過閘船舶的吃水信息，所采用的測(cè)量手段多為目測(cè)吃水線和卷尺測(cè)量，此類方法效率低、數(shù)據(jù)少、精度差，且易受風(fēng)浪、船舷波等因素影響。

通過建設(shè)船舶吃水超限預(yù)警系統(tǒng)，運(yùn)用圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)對(duì)經(jīng)過檢測(cè)點(diǎn)的船舶進(jìn)行吃水識(shí)別，結(jié)合水位對(duì)超深船舶進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，存儲(chǔ)、展示船舶吃水檢測(cè)信息，對(duì)超深船舶進(jìn)行報(bào)警、人工處置和歸檔。提升通航安全管理水平和船舶過閘效率，對(duì)進(jìn)一步打造水運(yùn)智能化，促進(jìn)航運(yùn)事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。

3 圖像檢測(cè)識(shí)別應(yīng)用中存在的問題

目前圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)在船舶檢測(cè)抓拍時(shí)存在的問題主要分為以下幾個(gè)方面：第一，客觀因素，比如，攝像機(jī)成像距離不能超過600 米；水面有雜物移動(dòng)、水花浪涌；夜間光線不足導(dǎo)致成像畫面看不清；船名遮擋、腐蝕、斷裂等情況時(shí)有發(fā)生。第二，攝像機(jī)成像質(zhì)量受環(huán)境因素影響較大，比如，太陽(yáng)光反射造成水面白茫茫一片；太陽(yáng)光直射鏡頭形成的炫光現(xiàn)象；太陽(yáng)光直射鏡頭時(shí)，視頻畫面發(fā)黑從而導(dǎo)致成像不清晰；下雨起霧等天氣變化時(shí)，鏡頭上有水氣殘留，成像質(zhì)量不佳。第三，圖像識(shí)別算法因素，比如，船名字體大小書寫不規(guī)范、位置不確定、書寫方式也多種多樣，對(duì)圖像識(shí)別算法的魯棒性挑戰(zhàn)巨大；船舶并行或錯(cuò)行，導(dǎo)致抓拍準(zhǔn)確率、識(shí)別準(zhǔn)確率降低。

針對(duì)上述問題，還需要攝像機(jī)廠商、算法廠商、系統(tǒng)集成廠商和整個(gè)水運(yùn)行業(yè)部門的通力合作，提升圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)在整個(gè)水運(yùn)智能化發(fā)展中的應(yīng)用。

4 結(jié)論

隨著水運(yùn)智能化的不斷發(fā)展，未來水運(yùn)智能化將會(huì)覆蓋到漁政監(jiān)管部門、海警部門、水利部門等所有的涉水行業(yè)，以點(diǎn)到面，全面覆蓋，在全國(guó)范圍內(nèi)將織成一張水上天網(wǎng)，建立每一條船舶的檔案信息，包括船舶身份、船舶長(zhǎng)寬、船舶種類、運(yùn)行軌跡等都將被記錄下來，實(shí)現(xiàn)以圖搜船。這些都離不開圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)，雖然經(jīng)過幾十年的發(fā)展下來，圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)已有一系列的理論和方法，但隨著行業(yè)需求的不斷深入，需要我們針對(duì)行業(yè)需求不斷優(yōu)化和拓寬技術(shù)方向，從而使能夠圖像檢測(cè)識(shí)別技術(shù)在水運(yùn)智能化方面發(fā)揮更大的作用。