水闸禁区船只闯入监测方案探讨

王 翔

（上海市堤防（泵闸）设施管理处，上海 200080）

0 引言

随着上海地区水闸运行与管理逐渐向标准化、信息化发展，“少人值守、无人值守”正在逐步取代传统的全人工化操作。在这一进程里，考虑到实施水闸远程操作条件下，在闸门启闭的运行过程中，如果恰逢有船只闯入内外河禁区，而现场无人及时观测到，那将是非常危险的。为充分保障安全，除加强管理外，还可以考虑对禁区附近的通行船只采取自动监测，架构集探测、视频监视、控制、图像显示、记录和回放等功能于一体的安防系统进行监控[1]。通过运作，达到在闸门启闭过程中，对可能闯入禁区这一立体区域内的船只进行预识别，确定入侵行为及启动高警提示的目的，甚至在必要时紧急停机，以便在保护水闸设施设备的同时，保证船只的安全。

1 自动监测技术和设备分析

1.1 常见的户外监测报警技术

1.1.1 红外对射侦测技术

红外探测报警按工作方式可分为主动红外入侵和被动红外探测 2 种方式[2]。主动红外入侵探测一般成对使用发射机和接收机各 1 个。由发射机通过事先调置的程序对外发出 1 束或多束肉眼无法看到的红外辐射光束，当物体闯入既定区域时，将阻断发射的光束，接收机感应到被遮光束的百分比数值超过事先设定的临界点时，就会发出警报。被动红外探测一般利用移动物体自身辐射的红外线，通过热释电红外探测元件实施监测。在实践中，运用红外对射可以监测到船只通过警戒线，但这一技术受水闸环境的干扰较大，安装位置的要求也较高。

1.1.2 微波对射侦测技术

微波对射侦测主要使用微波对射探测器实施监测，使用方式类似于红外对射，构成中有发射器和接收器各 1 个。由发射器发射的微波能量束直接或经过环境如地面、墙面等间接到达接收器。当有物体闯入时，探测区域内能量将产生波动和变化，随即信号处理器对接受器的感应进行分析，给出预警或报警信号。

1.1.3 振动感应侦测技术

目前多运用震动电缆或光纤实施监测。震动电缆多采用具有压电效应的同轴电缆，闯入者的外界动作可以引发同轴电缆的内部感应，进而转化成设置的电信号，通过分析处理后发出警报。震动光纤探测体主要由光纤处理器及收、发回路感应光纤等构成，由闯入者的外界震动引起光纤的物理变形，通过光导、电等信号的改变，由处理单元分析后实施报警。

1.1.4 移动分析侦测技术

移动分析侦测是在指定区域内，对识别的图像，通过视频帧的截取、计算，做出变化的比较，侦测到运动物体的存在，实现自动报警和目标检测。在实践中，可以监测到船只通过警戒线，但受天气状况变化的影响较大，同时，需增加远红外灯以解决夜晚图像的问题。

1.1.5 激光干预侦测技术

激光雷达作为光电信息的探测、监测和采集技术的手段之一，是人们在激光照射和接收的空域范围内探测目标的重要手段[3]。多普勒雷达从传统微波雷达向光学领域拓展，充分利用激光高度的相干性、单色性和方向性，并结合运用多普勒原理，由激光器发射相应激光束，再由接受元件将闯入物反射回来的信号送到处理系统，分析频移信息，做出预警判断，进而给出报警信号。

1.2 探测设备技术选型

水闸的特殊地理环境和工作特点，要求检测到船只闯入的探测设备必须安全性、稳定性、实用性都较强，以便较为精准地测量入侵船只的位置、运动状态，达到测定、识别、分辨和跟踪的目的，从而作出最优的趋势判断。在初步圈定适合的侦测技术范围后，还应综合考虑以下几方面的参数，为选型决策提供进一步的参考：

1）识别率。要求对禁区内船只闯入和滞留的识别程度尽可能高。

2）误报率。对于天气变化（日照、温度、风雨等）、人工光源（车灯、路灯、景观灯等）、各类阴影等影响因素带来的误报程度要尽可能低。

3）虚警率。对于飞鸟和小动物的闯入行为等触动的监测报警要尽可能判别出来。

4）定位精度。由于闯入中的船只具备较快的移动速度，且一些水闸附近有遮挡区域，船只较易在几秒内进入遮挡处，从而瞒过值班人员的眼睛，造成误报。所以，米级精度在某些环境中是必须的。

几种户外报警技术对比结果如表 1 所示。

经过比较，激光雷达侦测设备可以作为水闸禁区船只闯入自动探测设备中较优的选择。

表1 几种户外报警技术对比结果

1.3 摄像设备技术选型

摄像机是拾取图像信号的设备，一般通过拍摄物体的方式，将获得的光学图像信号，通过摄像器件转变，再经过电路处理和调整，形成可以记录存储或显示的标准信号，进而通过传输设备送到终端以供观看[4]。

考虑到水闸的具体环境，若安装常规的摄像机，不但照度变化会很大，而且水位的涨落起伏及经常出现的漂浮物使得背景的变化波动也较大，这些都不利于常规摄像机进行记录。为了清晰准确地观察到水闸禁区内的状况，最大限度地避免船只闯入事故的发生，热红外摄像机可以作为水闸禁区船只闯入自动摄像设备中较优的选择。这样，在白天和漆黑夜晚，借助红外灯，甚至不用红外灯，都可获得良好的目标红外或热辐射图像[5]。

2 监测安防系统架构要点

2.1 前端设备

前端设备是整个系统一切信息的总来源，主要是获取视频与音频信息，对非法侵入行为进行探测与报警[6]。在实践中，依靠前端设备可以获取闯入船只的各类入侵侦测和音视频信息。前端设备主要构成如图 1 所示。

其中的关键设备是探测和摄像设备。

图1 前段设备主要构成

2.1.1 探测设备

以探测设备中的 110° 激光雷达（可靠识别扇面105°）为例，主要设备包含用来获得目标观察船只距离的激光测距仪、旋转马达和光学反射装置等。此外，可选配内置黑白摄像机、PTZ 摄像机和红色激光瞄准束等。

当马达启动后，光学反射装置旋转，反射的激光束会沿着 1 个扇面移动，经接收窗口捕获，创建 1 个检测平面，即识别区。110° 激光雷达平均 0.2″ 会对识别区内的任意点扫描 1 次，一旦有船只进入预设禁区，激光雷达会实时测算船只的距离、大小、方位，在确认为可疑目标后，立刻通过智能仪表 RS-485 将侦测信息发送回监控中心，并激活相应角度的黑白摄像机切换或遥控 PTZ 摄像机进行自主跟踪。

110° 激光雷达的安装方式是可以选择的。水平安装时，根据安装高度的不同，构成 1 个扫描扇区或扫描环带（110°×120 m 半径），实时监测入侵目标；垂直安装时，构成一道严密的激光幕墙，即虚拟警戒墙（110°×120 m 半径）。

2.1.2 摄像设备

以摄像设备中的 S260 型红外热像仪为例，在10～100 m 范围内的来往船只和人员入侵都能够监测到，只要物体进入画面，系统就能进行识别。在水闸遭遇恶劣天气状况时，也能较好地适应这一环境，及时辅助激光雷达，形成识别目标图像，有利于快速发现安全隐患，避免意外入侵，满足实时在线监控的需求。在本监测中，要加配护罩和云台，通过控制，使云台带动摄像机进行水平和垂直方向的转动，这样，可以使摄像机覆盖的角度和面积变得更大，从而多方位记录船只闯入内外河禁区的图像。

2.2 传输设备

传输设备肩负着信息和信号传递的功能，通过它，前端设备采集的图像和声音等数据可以传递到控制和终端设备进行运作，同样，控制端采取的控制信号等也可以传递到前端，从而完成双向数据的流通与操作。

本监测方案中信息主要有从前端探测器、摄像机等传向控制中心的视频及音频信号，以及从控制中心传向前端设备等受控设备的控制信号。对于架构了防闯入监测安防系统的水闸而言，系统的整个控制信号，是从入侵探测器开始，传向控制中心的报警主机，再通过报警信号接口箱传向视频监控的主机。视频监控主机发出控制信号控制摄像等设备的动作，由此将图像和音频等传输回控制中心，从而完成报警与视频监控的全过程。

信号的运行通信一般有有线和无线传输 2 种方式。在水闸环境实践中，传输距离相对较远，可考虑在 RS-485 串行总线标准下，采用双绞线平衡传输的有线传输方式，这样的方式完全能够达到较好的传输目的，传输信号在千米以外也有能力进行自我恢复。此外，如果所在水闸已经布有光纤线缆，可以加以利用。光纤传输具有衰减小、频带宽、不受电磁波干扰、重量轻、保密性好等优点[7]，可以达到较高质量的传输效果。而无线传输的方式，往往会因信号所通过的空气和其他介质的变化不定及不同波长信号的传输特性的变化，使得传输效果无法预期。当水闸遭遇恶劣天气时，会较大程度地影响到船只闯入的监测报警效果。

2.3 控制设备

控制设备一般由主、功能、辅助设备控制器，以及音/视频信号处理、控制键盘等设备组成。

为保障船只闯入的水闸禁区安全距离最大化，总控制台应布设校正与补偿区域，可以弥补传输过程中幅频、相频特性的损失，达到传输指标的既定要求。同时，为得到最佳的观察效果，达到最优的安全防范目的，总控制台应布设多画面分割功能区域，使 1 台监视器上可以实现 4，9，16 个监控画面同步显示功能，并借助终端设备进行多角度的记录与备案。此外，也要考虑控制设备与报警管理等软件的融洽性，以便在系统遇到故障重启时或软件非正常退出后，控制系统仍有修复和正常运行的能力。

2.4 终端设备

终端设备是系统架构中前端信息的存储、记忆、显示与处理的输出设备，应与前端设备合理搭配。

在本文实践中，监视器作为终端设备之一，是最基本和必不可少的，通过它能够最直观地反映出水闸禁区实时情况和船只闯入状况。此外，告警的扬声器和警示灯、硬盘录像机应该作为该系统架构中的标配。前者可以作为辅助手段进一步增强水闸禁区监控执勤的效率，加强监测和应急反应机构及相关人员的警觉度，及时意识到船只闯入事件的发生；后者可以将水闸禁区周围环境、船只闯入前后过程、相关事件的发生处理等诸多要素全程跟踪并记录下来，作为现场回放和事后查证的重要手段。在终端设备中，监听扬声器、视像机、电话自动拨号机、打印机等，可以根据实际需求进行选配。

通过以上系统架构，能够实现以下安防功能：

1）报警管理功能。通过在监控点设置的激光雷达、探头等探测设备，完成水闸禁区警戒线附近的布防。一旦有船只靠近或闯入，侦测信号将及时传输至监控中心，同时，以声、光方式通知监测或值班人员，使他们能迅速做出反应。

2）双向语音对讲功能。监控中心与监控点之间能够在船只闯入禁区事件突发时，以语音对讲方式，及时做出双向沟通，实施应急指挥。

3）图像监控功能。通过终端显示器件，监控或值班人员可同步观察所有摄像机记录的现场图像。

4）云台/镜头控制功能。通过控制系统，可以授权人工操作，改变前端云台的运动方向，调整摄像机镜头的焦距、景深，以便符合不同的观察需求。

5）图像存储与备份功能。通过配设的硬盘录像机等终端设备，水闸禁区全天候 24 h 监测的资料可以进行存储，船只闯入禁区的全过程能够一览无遗，并可以形成各种格式的图像、音频输出，完成有关资料的备份。

6）图像回放功能。授权人员可以现场或事后随时进行图像的回放，以便进一步深入细致地分析船只闯入事件。

3 结语

水闸禁区船只闯入监测安防系统是以视频监控与报警联动为代表的安防科技在水闸管理平台中的集中体现。系统的成功架构，可以兼具事故发生前事件的预警与事故发生后事件的处理 2 种层面上的应用，这必将在今后逐渐成为水闸安全运行与维护体系的重要组成。同时，无论从技术的选用、设备的选型或其它相关方面来看，系统架构中具有不断改变和升级特点的是安防手段的多样化、综合化与智能化，必须将这些变化的因素紧密结合水闸安全管理工作的实际，结合水闸区域环境地理的实际，结合水闸设施设备状况的实际，优化选择，合理配置，使水闸禁区船只闯入监测安防系统的架构日趋成熟，不断完善。

[1] 陈晴，邓忠伟. 现代安防技术设计与实施[M]. 北京：电子工业出版社，2010: 3-4.

[2] 陈永甫. 红外探测与控制电路[M]. 北京：人民邮电出版社，2004: 391-392.

[3] 戴永江. 激光雷达技术[M]. 北京：电子工业出版社，2010:7-8.

[4] 李金伴，王善斌. 电视监控系统及其应用[M]. 北京：化学工业出版社，2007: 15-17.

[5] 雷雨权. 多媒体电视监控与报警系统[M]. 北京：国防工业出版社，2004: 31-32.

[6] 雷玉堂. 安防视频监控实用技术[M]. 北京：电子工业出版社，2012: 8-9.

[7] 杨磊，李峰，付龙，等. 电视监控实用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2002: 188-192.