一种VTS系统中CCTV对船舶跟踪监控方法

赵　航,李　栋,袁剑华,邱明华

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京 210003;2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

一种VTS系统中CCTV对船舶跟踪监控方法

赵航1,李栋2,袁剑华2,邱明华2

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京 210003;2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

摘要：VTS系统主要对港口水域内的船舶进行管理。对于重点船舶,当船舶进入通航管理的重点水域时,不但要知道在哪儿,航速航向是多少,而且也需要对这类船舶进行现场全程监管,实现监控摄像机自动全程跟踪。本文提出一种综合考虑水位、船舶位置、长度、宽度、高度、吃水、航向、航速等多因素的CCTV对船舶跟踪监控方法。结果表明该方法可以实现CCTV对船舶的跟踪监控,并可以达到较好的监控效果。

关键词:VTS系统;CCTV;跟踪监控

0引言

VTS系统(船舶交通导航系统)包括雷达子系统、VHF子系统、AIS 子系统、CCTV子系统和数据库子系统等。雷达子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。VHF子系统通过VHF通信系统对监控区内的重点船舶进行人工标识和跟踪。AIS子系统通过安装在船上的AIS船台发出船舶的MMSI、经纬度、航速、航向、船舶尺寸、船舶吃水等信息,由岸基AIS台站接收船舶的AIS信息,实现对AIS船舶的跟踪。CCTV子系统是以视频摄录为信息采集手段的直观的现场监管手段。雷达子系统对于一些特定的水域环境、特定的时段的监控不便、监控失效,而CCTV系统可以完成实时的监控。因此,采用CCTV系统来进行辅助监控,弥补雷达监控的不足[1-2]。数据库子系统保存船舶的基本资料、船舶违章等信息。

对于重点船舶,如危险品船舶、客轮、客滚轮和其他需要重点监控的船舶,当船舶进入通航管理的重点水域时,不但要知道在哪儿,航速航向是多少,而且也需要对这类船舶进行现场全程监管,实现监控摄像机自动全程跟踪,以确保这类船舶的航行安全。因此,实现CCTV对船舶跟踪监控是非常必要的[3]。

CCTV对船舶进行跟踪监控,除了要保证被监控船舶一直在监控画面中,还要保证算法能够自适应船舶的尺度变化[4]。本文提出一种VTS系统中综合考虑水位、船舶位置、长度、宽度、高度、吃水、航向、航速等多因素的CCTV对船舶跟踪监控方法,可以实现CCTV 对船舶的跟踪监控,并且保证在跟踪监控过程中不同大小、不同航向状态的船舶在监控画面中所占的比例相同,达到较好的跟踪监控效果。

1原理

首先测量CCTV监控点镜头的经纬度和镜头距离水面的高度,从数据库或AIS系统获取被监控船舶的高度、宽度和长度信息,从AIS系统和雷达系统实时获取被监控船舶的经纬度、航向、航速、吃水信息及数据生成时间。根据最新获取的被监控船舶的经纬度、航向、航速及与数据生成时间,预测被监控船舶当前的经纬度信息。根据预测得到的被监控船舶当前的经纬度和监控点镜头的经纬度计算被监控船舶相对于监控点镜头的水平偏转角度及水平距离。根据被监控船舶的高度和当前时刻获取的吃水信息计算被监控船舶当前的水面以上高度。再根据计算出的船舶当前水面以上高度和监控点镜头距离水面的高度、监控点镜头在当前方位的垂直偏转角度、被监控船舶到镜头的水平距离计算被监控船舶相对于监控点镜头的垂直偏转角度。根据被监控船舶的长度、宽度、航向及被监控船舶当前的水面以上高度、监控点镜头到被监控船舶的水平距离计算镜头监控船舶需要的焦距值。最后控制云台转动到上述计算出的水平偏转角度和垂直偏转角度,并通过云台调节镜头至计算出的焦距值。重复上述步骤,实现CCTV对船舶的跟踪监控。该算法原理如图1。

2工程实现

在VTS系统中,CCTV对船舶的跟踪监控通过以下多个步骤实现:

(1) 镜头经纬度和高度测量

通过仪器测量监控点镜头的经纬度和距离水面的高度,从海事服务网下载港口的潮汐表信息。从潮汐表中查询测量时刻的潮位信息,以该潮位信息和测量的高度信息作为基准潮位信息和基准高度信息。

(2) 船舶高度、宽度、长度等信息获取

从船舶交通导航系统中的AIS系统获取或通过MMSI、船名等从数据库系统中查询被监控船舶的船舶高度、宽度和长度信息。

图1　CCTV对船舶跟踪监控原理图

(3) 船舶经纬度等信息获取

实时从船舶交通导航系统中的AIS系统或雷达系统中获取被监控船舶的经纬度、航向、航速、转向率及数据生成时间信息,从AIS系统或数据库系统获取船舶吃水信息。

(4) 水平偏转计算

提取最新获取的被监控船舶的经纬度、航向、航速、转向率及与数据生成时间,预测得到被监控船舶当前位置的经纬度;由被监控船舶当前位置的经纬度和监控点镜头的经纬度计算被监控船舶相对于监控点镜头的水平偏转角度及水平距离。

(5) 垂直偏转计算

垂直偏转包括两部分,一部分是船舶当前位置相对于镜头的垂直偏转,一部分是在具体工程实施过程中由于云台和镜头安装不水平等原因造成的镜头在该水平角度的垂直偏转。

•船舶相对于镜头的垂直偏转

从港口潮汐表中查询当前时刻港口的潮位信息。根据当前的潮位信息、基准潮位信息和基准高度信息计算出当前时间段监控点镜头距离水面的高度。再根据被监控船舶当前的水面以上高度和监控点镜头距离水面的高度、被监控船舶到镜头的水平距离计算被监控船舶相对于监控点镜头的垂直偏转角度。计算方法是:设监控点镜头距离水面的高度为H,被监控船舶当前的水面以上高度为h(被监控船舶的高度减去船舶当前吃水),被监控船舶到监控点镜头的水平距离为d,并设定系数n,如图2所示。被监控船舶相对于监控点镜头的垂直偏转角度θ的计算公式为

(1)

(2)

式中,垂直偏转角度θ取反表示是向下偏转。由h/n控制镜头的监控画面中心指向船舶垂直方向的部分,n可取0

当系数n取值为2时,被监控船舶相对于监控点镜头的垂直偏转角度θ的计算公式为

(3)

在此状态下,监控点镜头的监控画面中心指向船舶垂直方向中心,具有较好的监控效果。

图2　垂直偏转角度计算示意图

•镜头在该水平角度的垂直偏转

垂直偏转主要是由于云台不水平造成的。当镜头转动到不同的水平角度时,该偏转值不同。设镜头在该水平角度的垂直偏转为β,则β的计算公式为

(4)

式中,β1表示由于云台不水平造成的镜头在转动过程中相对于水平面的最大夹角,γ0表示当镜头转动到与水平面夹角为0时的水平角度,γ表示镜头转动过程中实时的水平角度。β1和γ0都是未知参数。在实际工程实施中,监控2个不同位置的目标,调整到最佳监控效果时查看对应的2个β和γ值,解方程就可以求出β1和γ0值。

综合考虑以上两部分,垂直偏转的计算公式为

(5)

在上述公式中,使用的水平角度值都是以正北方向为参考0°,顺时针方向为正的角度值。云台有自己的坐标系。通常情况下,云台的0°与正北方向不一致,但之间的夹角很容易测试计算出来。实际工程实施中,通过旋转实现坐标转换。

(6) 焦距值计算

根据所获得的被监控船舶的长度、宽度、航向及被监控船舶当前的水面以上高度、监控点镜头到被监控船舶的水平距离计算获得镜头监控船舶需要的焦距值。计算方法是:首先计算船舶在镜头中的切向投影长度,设步骤(4)中计算出的被监控船舶相对于监控点镜头的水平偏转角度为γ′,船舶的航向为ψ,船舶船长为l,则船舶在镜头中的切向投影长度为

(6)

当被监控船舶航向不同时,被监控船舶在监控点镜头中的投影长度有所不同。被监控船舶正常航行时,船身的方向与航向是一致的。当被监控船舶沿监控点镜头的切向方向行驶时,被监控船舶在监控点镜头中的投影长度为船舶长度。当被监控船舶沿镜头径向方向行驶时,被监控船舶在监控点镜头中的投影长度为船舶宽度。设船宽为w,被监控船舶在镜头中的投影长度L的计算公式如下:

(7)

设镜头当前距离水面的高度为H,船舶当前水面以上高度为h,船舶到镜头的水平距离为d,并设定系数n,则船舶到镜头的实际距离D的表达式为

(8)

式中系数n可取0

根据被监控船舶在监控点镜头中的实际投影长度L和被监控船舶当前的水面以上高度h,分别计算两个焦距值f1和f2:

f1=vD/L

(9)

f2=uD/h

(10)

式中,v表示图像的宽度,即被监控船舶在ccd靶面上成像宽度;u表示图像的高度,即被监控船舶在ccd靶面上成像高度。

为了保证在监控点镜头的监控图像中可以看到完整的船舶图像,实际的焦距值取两个焦距值中的较小值。雷达、AIS系统在探测船舶位置时都有误差。根据航向、航速、转向率及与数据生成时间预测被监控船舶当前位置时也会有误差,而且云台有指示和控制精度误差。所以,在计算焦距时增加一个可配置参数p,在实际工程实施中,通过多次测试为该参数设置一个较优值,焦距f的表达式为

f=min(f1,f2)-p

(11)

(7) 云台控制

控制云台转动到步骤(4)计算出的水平偏转角度和步骤(5)计算出的垂直偏转角度,并通过云台调节镜头至步骤(6)计算出的焦距值。

重复上述步骤,实现CCTV监控点镜头对船舶的跟踪监控。

3结束语

本文提出了一种船舶交通导航系统中CCTV对船舶跟踪监控方法,重点在于在监控过程中综合考虑了潮位、船舶的经纬度、航向、航速、船舶长度、宽度、高度、吃水等信息,实现了CCTV对船舶的跟踪监控,并且在跟踪监控过程中不同大小、不同航向的船舶在监控画面中所占的比例相同。目前,采用上述方法的CCTV对船舶跟踪监控系统已经在多个海事交通管理系统中得到应用,并取得了较好的跟踪监控效果。

参考文献:

[1]龚瑞卿.AIS、CCTV、VTS整合功能扩展[J].中国水运,2005(10):44-45.

[2]郭宝云.CCTV系统目标定位与跟踪技术改进方法的研究[D].大连海事大学,2012.

[3]肖飞.目标联动CCTV系统主控中心软件的研究[D].大连海事大学,2008.

[4]腾飞,刘清,朱琳.一种快速鲁棒的内河CCTV系统船舶跟踪算法[J].武汉理工大学学报,2014(5):80-85.

A ship tracking and monitoring method with CCTV in VTS system

ZHAO Hang1, LI Dong2, YUAN Jian-hua2, QIU Ming-hua2

(1. Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:The VTS system is mainly in charge of the vessel management within the port waters. For key ships, when they enter the key waters of navigation management, it is required that their positions, speed and heading should be known and superintended on site all the time, realizing automatic tracking and monitoring with cameras. A ship tracking and monitoring method with the CCTV is proposed, taking the water level, ship's position, length, width, height, draft, heading, speed and other factors into consideration. The results indicate that this method can realize ship tracking and monitoring with the CCTV with good monitoring effect.

Keywords:VTS system; CCTV; tracking and monitoring

收稿日期:2016-03-28;修回日期:2016-04-03

作者简介:赵航(1989-),男,助理工程师,研究方向:雷达工程;李栋(1985-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达数据处理;袁剑华(1984-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达综合识别;邱明华(1984-),女,工程师,硕士,研究方向:科技情报研究。

中图分类号:U666

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0012-03