水域安全监控一体化系统解决方案

第11卷第12期中国水运V ol.12N o.112011年12月Chi na W at er Trans port D ecem ber 2011收稿日期：5作者简介：杨光伟，北京视酷伟业科技有限公司副总经理。

水域安全监控一体化系统解决方案杨光伟（北京视酷伟业科技有限公司，北京100101）摘要：文中阐述了在水域安全监控中综合利用雷达、AIS 、CCTV 等多种监控手段实现船舶动态监管的必要性，一体化监控系统解决方案和实际应用案例。

关键词：雷达；AIS ；CCTV ；G IS ；电子海图中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）12-0095-03目前在海事、航道、电力、石油、港口、渔业、边防、救捞等水运相关行业都会需要对水域中航行的船舶动态进行实时监控。

例如：在海事行业应用中需要有效监控全国重点水域的水上交通现场态势和现场船舶动态，保障水上交通安全；在电力行业应用中需要监视海底电缆保护区内船舶的运动状态，避免过往船舶的抛锚、拖锚及渔业等活动导致海底电缆损坏；在石油行业应用中需要监视海上油田作业平台附近区域的船舶运动状态，避免船舶碰撞导致作业平台结构损坏。

本文分析了当前水运相关行业在船舶监管中所采用的雷达监控系统、船舶自动识别系统（AIS ）和CCTV 电视监控系统的优缺点，阐述了在水域安全监控中综合利用雷达、AIS 、CCTV 等多种监控手段实现船舶动态监管的必要性，介绍了水域安全监控一体化系统解决方案及实际应用案例。

一、几种水域安全监控手段及其特点目前在水运相关行业中为实现船舶动态监控常采用的几个系统分别为：雷达监控系统：雷达监控系统是采用雷达技术对船舶的航行状况进行高效、准确地监管，是我国港口船舶管理中主要使用的一种技术手段。

雷达监控系统通过雷达扫描主动对雷达所覆盖区域的船舶位置和航行状况进行侦测。

它的优点是可以实现覆盖水域船舶的主动侦测，获取船舶的位置、航速和航向信息，且刷新速度快；缺点是无法获取船舶的静态信息，如船名、呼号，且雷达信号存在盲区。

船舶自动识别系统：船舶自动识别系统（Au t omat ic Id en t ification Sys tem ，简称AIS 系统）是目前最为常用的船舶动态监管手段，由岸基（基站）设施和船载设备共同组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。

AIS 系统通过安装在船上的AIS 船台发出船舶的相关位置、航速、航向等动态信息和船名、呼号等船舶静态信息，由岸基AIS 台站接收船舶的AIS 信息，实现对AIS 船舶的跟踪。

它的优点是全国沿海已经全部覆盖了AIS 岸台，AIS 船舶发出的信息较全，包含了动态信息和静态信息，且不需人工标示，覆盖范围广。

缺点是被动接收信号，且只有安装有AIS 船台的船舶才能被监控，且受通信网络和是否开机的影响。

视频监控系统：视频监控系统（CCTV ）是为加强水上交通安全管理，提高水上现场监管和应急搜救指挥能力，建立以视频摄录为信息采集手段，计算机为数据处理终端，依托水运单位内部信息网络为主要传输通道的数字电视监控系统。

CCTV 系统是一个直观的现场监管手段，可以通过CCTV 系统直接了解现场船舶的航行状况和船舶类型等信息。

它的优点是可以对现场情况一目了然，缺点是监控距离比较短，而且除了有可能拍摄到船名以外，无法获取准确的船舶动静态信息。

以上系统相互独立，各自在水运相关行业的船舶监控中发挥着重要作用。

但各个系统在独立运行的过程中由于其固有的缺点已经无法满足快速发展的中国水运部门对船舶动态监管越来越高的要求。

多种船舶动态监管手段的整合已经提到日程上面来了。

例如在海事行业中，VTS 系统和AIS 系统在近几年的招标过程中已经明确提出要求实现VTS 船舶信号和AIS 船舶信号的自动融合、CCTV 与VTS 和AIS 的联动控制实现船舶的自动跟踪；在电力行业中，输电海缆安全运行监控系统在最近的招标过程中也已经提出了综合利用雷达、AIS 、CCTV 等多种船舶动态监管手段。

水域安全监控一体化系统整合了雷达监控系统、AIS 船舶自动识别系统、CCTV 电视监控系统等多系统的综合应用，弥补了单一系统的不足，实现了各个系统的优势互补，这样就有效保证了对水域内航行船舶全方位、全天候、无盲区、无漏洞的动态监管。

二、技术难点1．雷达目标录取跟踪技术雷达监控系统是将雷达扫描出的模拟视频信号输出后进行数字化，并对数字化后的雷达视频进行点迹提取，进而实现移动船舶的目标跟踪。

由于雷达数据本身是由信号和噪声组成，两者是矛盾体，理论上不存在将两者完美分离的方法，即如果过度的抑止噪声则可能损失信号、过度的保留信号则会残留噪声，因此，雷达目标录取跟踪的结果并不是100％准确的。

这就需要采用有效的跟踪滤波技术最大限度的提高雷达目标录取跟踪的准确度。

跟踪滤波技术根据雷达测量值实时估计当前的目标位置、速度等运动参数并推算出下一次观察时目标位置的预测值以检验下一次观测值的合理性，常用的跟踪滤波器包括α-β滤波器、维纳滤波器和卡尔曼滤波器。

其中卡尔曼滤波器中除装有稳定的目标轨迹模型外，还包括测2011-10-1量误差模型和目标轨迹的随机抖动模型，可以对时变和非时变的目标动态系统作出最佳路线、最小方差的无偏估计。

除目标状态估计外，卡尔曼滤波器还能估计状态估值的误差协方差矩阵，利用状态估值的误差协方差矩阵可以检测目标机动，调整滤波系数，实现对机动目标的自适应滤波。

2．雷达、AIS 与CCTV 联动技术雷达或AIS 系统为我们提供了船舶的相关位置信息和航速航向信息，CCTV 系统为我们提供了现场视频图像。

雷达、AIS 与CCTV 联动技术是要能准确控制云台镜头的运动，使云台、摄像机、镜头能根据船舶的经纬度信息和航速、航向信息始终准确的对准行进中的船舶。

在电视监控系统中通常采用的云台为直流、模拟控制云台，要实现其准确定位需要开发一个智能控制单元，以及相应的联动追踪算法。

通过雷达/AIS 系统获取被跟踪监控船舶的动态信息（主要为船舶的经纬度坐标位置信息和航速、航向信息），CCTV 监控点系统信息（主要为监控点经纬度坐标的位置信息），通过雷达/AIS 与CCTV 联动追踪算法组件，反馈给智能控制单元，由智能控制单元来驱动云台与镜头准确动作，通过自动选取的最合适的摄像机实现CCTV 对被监控船舶的跟踪监控。

当船舶驶离该摄像机的监控范围时，追踪算法组会根据船舶的经纬度位置，自动选取下一个最合适的摄像机使其对目标船舶进行接力跟踪监控。

3．目标数据融合技术目标数据融合技术包括多个雷达目标数据的融合和雷达与AIS 目标数据的融合。

对于同一个移动目标，当它同时处于多台雷达设备的扫描区域时，来自于不同雷达的跟踪数据由于扫描时刻的不同对该目标会有不同的录取跟踪结果，即不同的经纬度、航速和航向数据。

同理，同一个移动目标来自于雷达的跟踪数据和来自于AIS 系统的位置数据也会有所不同。

为了保证系统不会由于数据来源的不同将同一个移动目标错误的识别为多个不同的移动目标，这就需要实现多个雷达目标数据的融合和雷达与AIS 目标数据的融合。

多个雷达的录取跟踪模块所在计算机需要跟GPS 时间服务器进行时间同步，在实现时间同步后，每条目标跟踪数据都可以打上一个GPS 时间戳。

来自不同雷达的跟踪数据在多次比较经纬度位置与GPS 时间戳都比较相近的情况下，就自动进行融合。

对于AIS 数据，每条AIS 目标数据中都带有GPS 时间中的秒时间戳（一个0到59的数，代表GPS 时间中的秒），只要从AIS 目标发出信号到系统接收到这个信号之间的延迟不超过1m in ，我们就可以为这个AIS 数据补齐年、月、日、时、分等时间戳信息。

补足GPS 时间戳信息后，AIS 目标与雷达目标的融合就和多雷达目标间的融合算法没有什么差别。

4．其他信息系统数据的接入整合技术在信息化的过程中，如果没有很好的开放性，就会形成信息孤岛。

因此系统设计上应遵循开放性原则，具有与其他信息系统（业务系统、遥测遥控系统等）进行数据交换和数据共享的能力。

并且在接入数据后，要对这些数据使用种类繁多的应用功能，如果不采用先进的系统架构，将难免陷入系统难以扩展或B UG 循环的困境。

插件式架构是现今非常先进和流行的系统架构模式，特别适用于需处理多种类型数据的应用环境。

通过这种架构，可以使接入其他应用系统的信息源变得非常简单，只需要做数据解析部分即可，数据的处理流程由框架去完成。

并且用户可以依靠用户界面规划数据处理的流程，而不是以往的修改大量软件代码。

而采用Web Service 和Sock et 双轨制的网络通信方式又可以在更好的利用网络带宽资源的同时尽量回避防火墙问题。

三、水域安全监控一体化系统解决方案水域安全监控一体化系统的主要功能模块构成图如下图1所示。

系统采用先进的插件式架构，具有很强的定制开发能力，每个功能都是由一个功能插件来实现，便于修改和扩展，这样就可以通过定制开发新的功能插件满足水运及相关行业不断发展变化的应用需求。

图1系统功能模块构成系统主要分为五大功能模块：雷达侦测、G IS 、实时监管、查询统计和数据接入整合。

雷达侦测功能模块主要实现雷达监控系统的功能，同时整合了AIS 船舶自动识别系统的功能，主要包括雷达目标数据与AIS 系统数据的融合、雷达原始视频数据与电子海图数据的叠加显示。

该模块可以接入标准的岸基雷达设备如丹麦TERMA A/S 公司的SCANTER 2001系列产品的输出的模拟信号，经数字化后通过数字图像处理技术对雷达视频图像中的移动目标进行录取跟踪，识别出有效的船舶目标，并计算出船舶目标的经纬度、航向和航速信息。

再通过与AIS 系统数据的融合技术引入船舶目标的船名、呼号等静态信息，所有的船舶动静态信息叠加显示在电子海图之上，即实现了对雷达覆盖水域船舶的主动侦测。

同时通过雷达原始视频数据与电子海图数据的叠加显示技术还可以及时发现未被系统识别出的移动目标，及时做出人干预处理。

GIS 功能模块即为系统的基础地理信息系统平台，采用了高速动态目标绘制技术和专业的电子海图/地图渲染技术，专门为电子海图应用和移动目标监控而设计，可以在同时监管10000个移动目标的情况下无任何闪烁和延迟。

该平台实现了电子海图和电子地图的混合显示和无缝拼接，支持S-57数据格式、S-52显示标准的电子海图数据和s h p 、tab 等公开格式的电子地图数据；该平台在实现了电子海图/地图可视化显示及缩放、查询等操作功能的同时，还支持强大的地理信息要素标绘功能，包括了点、线、面的要素标绘，标绘的显示样式可以采用与S-52显示标准完全相同的符号以保持显示效果的一致性，也可采用用户自定义的符号以突出显示。