一种AIS辅助的全天候海底电缆安全监控系统

吴飞龙，李星蓉，李永倩，郑小莉

（1.福州电业局，福建福州 350009;2.华北电力大学，河北保定 071003）

一种AIS辅助的全天候海底电缆安全监控系统

吴飞龙1，李星蓉2，李永倩2，郑小莉1

（1.福州电业局，福建福州 350009;2.华北电力大学，河北保定 071003）

对海底电缆上方过往船舶的全天候实时监测是避免锚害的有效手段，根据福建平潭跨海电网110 kV光电复合海底电缆安全监控的迫切需要，设计了一种红外热成像仪与加长焦大镜头的可见光摄像机相结合的长距离、全天候视频监控系统;提出了一种通过用AIS作为辅助对所监视海域进行网格划分来设置摄像机云台预置位的方法;通过服务器后台软件对视频信号、AIS信息进行数据融合处理，实现了系统的联动工作。现场运行实验结果表明，系统性能满足对3.5 km光电复合海缆全天候监测的要求。

红外热成像仪;监控系统;预置位;数据融合

海底电缆的安全运行直接关系到海岛地区的正常用电与通信。为了保证海底电缆的安全可靠运行，现有的方法是在海缆禁锚区设立禁锚牌给过往船舶以警示，同时电力局专门设置一些专业班组在海缆登陆点附近进行24 h值班，并配备高放大倍数的望远镜对进入禁锚区的船舶进行监视，必要时通过电台喊话的方式对在禁锚区抛锚的船舶提出警告。这种方法人力投入大，而且很难做到24 h无疏漏地监视。有些船舶不能自觉遵守规定，在禁锚区抛锚的现象时有发生，给海底电缆的安全运行带来很大的隐患。因此，迫切需要研发高性能的视频监控系统对海底电缆上方的过往船舶进行监视。

目前视频监控技术已经在电力系统得到广泛应用。一些电力公司在变电站、电厂安装了视频监控系统，实现了现场设备监视、远程摄像机控制、数字视频录像等功能［1－3］，对实现变电站、部分发电厂无人值守、缩短电力设备检修时间、节约运行成本等起到了积极作用。赵振兵等人在视频监控的基础上增加红外温度检测设备，设计开发了集视频监控与红外温度检测功能于一体的电气设备在线监测系统［4］。该系统可以在视频监控画面上选择特定的电气设备进行远程红外测温，已经在变电站设备监测中得到实际应用。在海港码头，视频监控系统常用于对船舶的监视。周剑敏、王捷等人针对港口船舶视频监控系统在应用中需要人工操作的不方便性，开发了智能船舶动态视频监控系统，该系统利用船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）获取港内船舶动态数据，通过驱动多智能球摄像机阵列对待监测船舶进行智能排序定位，实现了对航行船舶的自动化智能视频跟踪［5］。但是由于采用了智能球摄像机，该系统只能实现对距离较近的海港内船舶的跟踪录像，不能实现对远距离目标的跟踪录像。另外，为了保障船舶的安全航行，视频监控系统在船舶内部设备监视、海盗袭击监视等方面也得到了广泛应用。但是把AIS与视频监控系统结合起来用于海底电缆安全监测的研究还鲜有提及。本文设计了一种将AIS与视频监控系统相结合的长距离、全天候海底电缆安全监控系统;提出了一种用AIS作为辅助，对所监视海域进行网格划分来设置摄像机云台预置位的方法;服务器后台软件通过对采集到的AIS信息进行处理，生成控制云台动作的信号，驱动摄像机对进入禁锚区的船舶进行跟踪录像。

1 系统组成

AIS辅助的全天候海底电缆安全监控系统由全天候视频监控系统、AIS、信号传输系统、服务器信息管理系统及监控终端组成，系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

全天候视频监控系统用于昼夜采集海缆上方禁锚区内过往船舶信息，搜索和记录肇事嫌疑船只，并为肇事理赔提供影像证据。AIS接收机实时接收进入禁锚区的船舶上的船载AIS发射机发出的包含船舶号、船舶名称、船舶速度、经纬度等的AIS信息，并将这些信息发送到服务器;为了确定进入禁锚区船舶的位置和自动跟踪肇事嫌疑船只，根据海缆施工图中给出的海缆路由坐标，预先计算出禁锚区不同位置的经纬度坐标，并将禁锚区划分为78个网格，采用船载AIS发射机作为辅助模拟运动船舶，摄像机跟踪的方法完成摄像机云台预置位设置;服务器后台软件对视频信号、AIS信息进行数据融合处理，使整个系统联动工作，在发现进入禁锚区船舶的速度低于告警阈值或者停留在海缆上方时，给出告警信息提示相关人员进行处理，并自动控制摄像机的云台动作，调整摄像机到此禁锚区对肇事嫌疑船舶进行跟踪录像。系统工作在B/S（browse/server）模式下，监控终端及服务器通过交换机与全天候视频监控系统相连，用于以浏览器方式访问整个监控系统。

2 全天候视频监控系统

2.1 全天候视频监控系统设计

虽然视频监控系统已经在电力、交通、安防等领域得到广泛应用，但是普通视频监控系统覆盖范围都比较小，所用摄像机探测距离较近，例如，常用的高速球摄像机的监视距离一般不超过300 m，而且普通摄像机都只能工作在白天，晚上和阴雨天不能实现对目标的监视，无法满足对长达数公里海缆上方过往船舶的全天候监视的要求。本文设计了一种将红外热成像仪与加长焦大镜头的可见光摄像机相结合的视频监控系统，能够实现对数公里海缆上方区域的长距离、全天候安全监视，系统组成框图如图2所示。

系统采用枪式高清晰度数字摄像机对禁锚区进行昼间监视，为了增大摄像机的有效覆盖范围，设计了枪式摄像机与长焦大镜头的组合结构，长焦大镜头的焦距达到1 200 mm，二者组合后可以很容易地实现对数公里长海缆上方过往船舶的监视;为了减小雨雾对摄像效果的影响，为摄像机镜头配置了一套具有图像处理功能的透雾模块，有效地改善了雨雾天图像的清晰度。红外热成像仪采用了热成像连续变焦技术，能够大范围搜索和识别远处目标;镜头采用非球面硒化锌、锗材料，成像清晰，最小温度分辨率达50 mK。该红外热成像仪外壳坚固，密封性能好，内充氮气，不受雨水、灰尘的破坏，能够穿透灰尘、烟雾、雨雪和黑暗，可以很好地弥补可见光摄像机不能在夜间监视的不足。

可见光摄像机与红外热成像仪采集到的图像分别经过一个视频通道传送到监控室的网络硬盘录像机，网络硬盘录像机对图像进行压缩编码处理并存储，然后通过交换机把视频信息传送到服务器及其他监控终端。服务器对视频信号、AIS信息进行综合处理，产生控制云台动作的命令，协调系统的联动工作，在发现肇事嫌疑船舶时发出报警，提醒工作人员采取相应的措施。监控终端用于实现对监控信息的浏览、设备参数配置、视频图像显示等功能。

2.2 摄像机云台预置位设置方法

在普通视频监控系统中，通常采用将实景中的一些感兴趣的目标点直接存储到预置位的方法来设置摄像机云台的预置位。在本文所设计的系统中，由于监视目标的背景是海面，而在大海中不像在变电站、电厂等场景中有大量静止的兴趣点可以选作目标位置直接进行存储，所以无法像普通视频监控系统那样采用找兴趣点的方法实现预置位设置。为了对海缆上方被监测区域进行摄像机云台预置位设置，本文利用AIS作为辅助对监测海域进行网格划分，并利用网格中心的经纬度坐标进行摄像机云台预置位的设置，这种方法可以有效地解决在海面上难以寻找兴趣点的问题。

监测海域网格划分的方法如图3所示，图中A，B，C三条线为福州电业局110 kV光电复合海缆中的三相电缆，海缆总长约3.5 km，各相之间的距离为60 m。根据离海缆距离的不同，设置不同的告警级别，距离海缆越近的区域告警级别设置越高，距离海缆越远的区域告警级别设置越低。在垂直海缆的方向，综合考虑船舶航行速度以及视频监控系统联动所需反应时间，以三相海缆的中间相为中心，在两侧分别设置800 m的禁锚区，靠近海缆中间相两侧各400 m为高度禁锚区，对于进入高度禁锚区的船舶要求及时报警以提醒值班人员采取相应措施，同时驱动摄像机对船舶进行跟踪录像。远离海缆的400 m分为两个告警级别，每200 m设置一个级别，这样三相海缆的两侧分别有三个级别的告警区域。沿着海缆的3.5 km海域被均匀地划分成13份，与垂直海缆方向的禁锚区划分结合起来共将海缆所在海域划分成78个长方形区域。根据施工图上的海底电缆位置信息，计算出每个长方形区域中心位置的坐标，然后利用船载AIS发射机作辅助，借助航行中的船舶作为参照物，以摄像机跟踪的方式，对每个长方形区域的中心位置坐标进行标定测量及存储，从而完成预置位设置。

图3 用于预置位设置的网格划分

2.3 摄像机云台偏转角矢量计算

为了准确地获取进入禁锚区的船舶的图像信息，监控系统中的视频设备必须与AIS信息联动工作。视频监控与AIS信息联动主要需要考虑云台偏转角度和方向的确定问题，偏转角矢量计算模型如图4所示。

图4中，（a，b）为摄像机所在位置的经纬度坐标，该坐标是固定值，可提前测定。假设（i，j）为上一时刻摄像机对准位置的经纬度坐标;（c，d）为本时刻需要调整到的位置的经纬度坐标，（c，d）需从接收到的AIS信息中提取。为了得到直观的位置信息，需要进行经纬度距离与实际距离的换算。因为地球上所有经线的长度都相等，所以全球各地纬度1°的间隔长度都相等，大约为111.12 km/1°。赤道上经度间隔1°对应地面上的弧长大约也是111.12 km，由于各纬线长度从赤道向两极递减，所以在各纬线上经度差1°的弧长不相等。在同一条纬度为α的纬线上，经度1°对应的实际弧长大约为111.12cosα km。因此，只要知道了任意两地间的经纬度差，就可以计算它们之间的实际距离。本文拟监测的110 kV光电复合海缆附近海域的纬度为25.43°，在此区域经度每度对应的距离约为

AB两点间的距离可近似表示为

其他边的长度也可按此方法求得。由三角形余弦定理可知摄像机所需偏转的角度A满足

利用经度坐标配合矢量运算，可以得到控制云台偏转方向的参数。假设摄像机由西南往东北监视，当C点经度与B点经度的差值为负时，说明C点在B点的西边，云台应该往左偏转，反之则往右偏转。当AIS接收机接收到进入禁锚区的船舶发来的AIS信息后，将AIS信息发送到服务器，服务器后台软件对此AIS信息进行解析，得到船舶名称、船舶号、船舶速度、船舶所在位置的经纬度等信息，并进行存储，然后把经纬度信息代入式（2）～式（4）中，求得偏转角度的大小，再结合经度矢量计算，得到偏转的方向参数，从而控制摄像机云台动作，对进入禁锚区的船舶进行跟踪录像，实现系统的联动工作。

3 后台管理软件设计

后台管理软件是AIS辅助的长距离、全天候海底电缆安全监控系统的核心，其性能优劣直接决定监控系统的智能化程度。本文研制的后台管理软件包括数据管理、AIS信息管理、视频信息管理、设备接口管理四个模块。为了开发、维护和升级的方便，后台管理软件采用B/S架构，考虑到兼容性和成本，采用微软公司的SQL Server建立后台数据库。后台管理软件功能结构如图5所示。

图5 软件功能结构图

数据管理模块通过对实时数据和历史数据的显示、集成与融合来完成监测数据管理、显示设置管理、数据备份管理三部分功能。数据管理模块通过AIS接收机和网络硬盘录像机的网络接口获得原始监测数据，对原始监测数据进行解析、分类、预处理后作为监测基础数据导入数据库中，然后根据海缆监测的要求对导入的监测基础数据进行相应的分析处理，以便操作人员查看与判断。

后台管理软件通过交换机与网络硬盘录像机相连，进行视频信号的接收、显示、存储和云台控制。当摄像机偏转跟踪录像时，对摄像机云台发送的偏转命令按照优先级组织在一个队列中，报警等级高的排在前面，有新的报警时队列重新生成。视频信息管理模块实现实时视频显示、历史图像显示、历史记录查询功能，以便远方工作人员实时掌握海缆上方船舶状态，并在遇到锚害事故时，调用历史记录，获得理赔影像证据。

后台管理软件通过网络接口与串口转换模块与AIS接收机相连，接收船载AIS发射机发来的AIS信息，并根据AIS协议解析码流，提取船舶AIS信息，如船舶号、船舶状态、对地速度和航向、船舶经纬度等。AIS信息管理模块的数据处理线程绘制船舶运行轨迹并实时显示船舶信息，用于进行锚害判断和预警处理。解析后的AIS信息放入数据缓冲区并进行筛选，保留禁锚区范围内的数据，然后经数据管理线程进行数据库存储，以便在出现锚害事故时调用历史数据进行历史记录查询，获得肇事嫌疑船舶的信息。

4 现场运行实验

本文设计的AIS辅助的长距离、全天候海底电缆安全监控系统于2012年4月5日完成现场施工并投入运行，运行效果良好，实现了福州电业局为海岛供电的3.5 km、110 kV光电复合海底电缆上方过往船舶的全天候实时监测，解决了由值班人员长期在海边监控室24 h人工监视、由电台喊话警告肇事嫌疑船舶的困难。

监控系统拍摄的船舶照片如图6所示，由图可见，从可见光摄像机拍摄的1.5 km处船舶的图像中可以清楚地看到船舶的名称，从红外热成像仪在午夜拍摄的2 km处船舶的图像中可以清晰地看到船舶的轮廓。上述两个距离参数是通过从接收到的AIS信息中提取船舶的经纬度信息计算得出的，具有较高的准确度。监控系统安装在海缆登陆点附近的监控站中，距离需要重点监视的主航道禁锚区约1 km，系统采用市电供电既很好地满足了实时监测海缆上方过往船舶的要求，又节约了投资，提高了可靠性，为海缆的安全运行提供了可靠保障。

图6 现场实验照片

5 结论

本文通过对福建平潭跨海电网110 kV光电复合海底电缆长距离、全天候监视的要求进行分析，设计了一种红外热成像仪与加长焦大镜头的可见光摄像机相结合的长距离、全天候安全监控系统，并完成了现场安装调试。提出了通过采用AIS作为辅助对所监视海域进行网格划分来进行摄像机云台预置位设置的方法。服务器后台软件通过对视频信号、AIS信息进行综合处理，实现了系统的联动工作及报警提示，方便了用户在远程通过电力专网对系统的管理，以及对海缆上方过往船舶状况的掌握，有利于管理人员及时作出预判。运行实验结果表明此系统满足对3.5 km、110 kV光电复合海底电缆上方过往船舶全天候监视的要求，实现了海缆的智能化安全监视，为海缆的安全运行提供了保障。

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［1］肖玉杰，王文彬，刘朝阳.变电站高清视频监控系统设计［J］.电视技术，2011，35（7）:105－107.

［2］袁毅.基于嵌入式Web服务器的网络视频监控［J］.电网技术，2000，24（5）:71－73.

［3］郝晓弘，苏渊.基于Web的变电站远程监控系统［J］.电网技术，2003，27（7）:32－35.

［4］赵振兵，高强，苑津莎，等.一种变电站电气设备温度在线监测新方法［J］.高电压技术，2008，34（8）:1605－1609.

［5］周剑敏，王捷.基于AIS数据的智能船舶动态视频监控系统设计［J］.上海海事大学学报，2009，30（4）:26－29.

李永倩（1958— ），教授，博士生导师，主要研究方向为光纤通信与传感技术。

AIS－assisted All Weather Monitoring System for Submarine Cable Safety

WU Feilong1，LI Xingrong2，LI Yongqian2，ZHENG Xiaoli1

（1.Fuzhou Electric Power Bureau，Fuzhou 350009，China;2.North China Electric Power University，Hebei Baoding 071003，China）

It is an effective means to avoid anchor harm that the passing ships above the submarine cable are monitored all－ weather and real－time.In order to realize the safety monitoring of the 3.5 km－long 110 kV power－optical fiber composite submarine cable in Pingtan Electric Power Bureau in Fu-Jian Province，a long－distance and all－weather video surveillance system composed of an infrared thermal imager and a visible light camera with a telephoto lens is designed in this paper.A grid division method is proposed in which the surveillance area is divided into grids and a shipborne AIS transmitter is used to get the longitude and latitude of different grid areas on the sea for camera PTZ preset position setting.The collaborative work of the system is realized which is based on the data fusion processing of video information and AIS information by the server software.The site test results show that the system performances meet the requirements of all－weather and real－time monitoring of the 3.5 km－long power－optical fiber composite submarine cable.

infrared thermal imager;surveillance system;preset position;data fusion

TN919.8

A

【本文献信息】吴飞龙，李星蓉，李永倩，等.一种AIS辅助的全天候海底电缆安全监控系统［J］.电视技术，2013，37（3）.

福建省电力有限公司重大科技项目（tz201104）

吴飞龙（1960— ），高级工程师，主要研究方向为电网运行与电力系统通信;

李星蓉（1975— ），博士生，为本文通信作者，主要研究方向为电气信息技术;

责任编辑:任健男

2012－11－24