一种基于水上灯浮标的智能监控装置设计方案

张平

摘 要：航标是标示航道与指引船舶航行的助航导航设施，是重要的社会公共资源。水上灯浮标是航标的一种。由于船舶驾驶员疏忽等原因，灯浮标被过往船只碰撞的事故时有发生。灯浮标被碰撞后，需要进行吊换和维修，成本较高。一直以来，由于缺少证据，对被碰撞浮标的追责和索赔一直是航标管理部门面临的难题。影像监控不失为一个好的方法，本文作者根据灯浮标的实际状况和目前技术的发展情况，阐述了用于灯浮标的新型智能监控装置的设计方案，以供研究人员参考。

关键词：航标 灯浮标 监控 设计 方案

1.前言

灯浮标是帮助引导船舶航行、定位和标示碍航物与表示警告的水上人工标志，在沿海及内河航道两侧比较多见。包括左右通航标、示位标、孤立危险物标、沉船标等。设置地点通常离岸远，有线和无线网络往往都无法覆盖，陆上常用的影像监控方式不适用于灯浮标。

目前，灯浮标被碰撞后，对于安装有AIS航标的灯浮标，可通过对过往船舶的AIS航行轨迹进行筛查。由于通常无法确定被撞的时间节点，船舶AIS航行轨迹也存在一定的误差，往往较难精准地锁定肇事船舶。以往，航标管理部门对水上灯浮标的监控做过一些研究和开发，由于受到技术方面的限制，产品都未能大范围开展应用。随着科技不断发展，特别是新的影像和无线网络技术不断进步，为新的灯浮标智能监控装置的开发提供了可能。下面将新型灯浮标智能监控装置的设计思路做一个分析和介绍。

2.概述

该智能监控装置安装在灯浮标的灯架上，主要由广角摄像头、微波探测装置（雷达）、AIS航标、红外线组件、WiFi热点模块、碰撞传感器、电源系统等组成。根据海洋环境，该装置在高温高湿、防雨防震、夜间拍摄、防腐蚀、防抖拍照、防撞击、防雷击等环境方面都采取对应的设计，以保证设备在复杂的海面环境中稳定工作。

3.功能介绍

（1）灯浮标智能监控装置配置一个220°广角摄像头，在垂直剖面内的视角可达220°，可拍摄照片和视频。快门1/1000以上，摄像头光學防抖设计。索尼超星光高感sensor与红外补光，夜间也能达到良好的拍摄效果。

（2）微波探测器共四个，分别装在灯架的四面。微波探测器的原理是持续发射微波，并接收反射回的微波信号。当探测区内的目标移动时，原发射信号与反射的信号之间会有频率差异，通常称为多普勒效应。探测器的灵敏度取决于目标的移动速度、大小、反射能量的多少以及与探测器的距离。探测器会根据频率改变的大小来生成相应强度的探测信号。一般而言，探测信号的强弱取决于目标的大小以及与探测器的距离。目标越大，距离越短，生成的探测信号就越强。

除此以外，微波灵敏度与目标移动的速度也紧密相关。目标缓慢移动时，微波传感设备生成低频信号，目标快速移动时则生成高频信号；当目标移近或远离探测器时，也会发生相同的情况：斜向移近或远离探测器生成的频率会比直线移动生成的频率信号低，因为斜向接近或远离探测器的速度更慢。两个正以相同速度移动的目标，走直线距离A，生成频率高的信号，走斜线距离B，生成频率低的信号。

（3）灯浮标上安装AIS航标，将采集到的监控装置状态数据通过报文的形式，向航标 AIS 信息中心报告，其中录像模式（见4.工作模式）即时报告。在AIS信息中心也可以随时查看监控装置的工作状态。同时， 对靠近灯浮标的船舶，对其发送警告信息，提醒船舶安全驾驶。如果监控装置在没有AIS安装条件的灯浮标上使用，只是缺少报告功能，不影响拍摄，航标管理人员同样可以通过读取存储卡来获取信息。

（4）红外线组件在夜间或自然光线条件较差时，启动发射红外光为监控摄像头补光。红外线组件的启停由日光阀控制，保证在自然光线不佳的条件下也能拍摄到清晰的影像。

（5）灯浮标智能监控装置内置WiFi热点，在巡检船靠近灯浮标时，无需接线和拔卡，就可以利用巡检船上的设备（手机、电脑、移动终端等）与其无线连接，来读取或拷贝储存卡上的影像资料。

（6）碰撞传感器的工作原理是利用碰撞时产生的加速度，其实质为一变极距差动工作电容。当没有加速度即灯浮标无外力碰撞时，电容C1= C 2，中间间隙δ1=δ2 ，当有外力碰撞时会有加速度产生，叉指型结构中间可动部分偏离中间位置，间隙δ1≠δ2，电容C1≠C2。加速度传感器采用了微机械结构，半导体材料。在一个9mm2的芯片集成了加速度传感器和它的模拟处理电路，其中加速度传感器本身需要1mm2 ，结构如图2所示。加速度传感器在芯片上悬挂一个可动部分，并通过4个弯曲梁与芯片固定，弯曲梁长200 μm，宽2μm，它被置于一叉指形状的单元结构槽内，叉指结构的中间部分即为加速度传感器的可动部分，该部分质量小于0. 1μg。碰撞传感器由多个这样的叉指型结构组合，形成了由C 1和C2组成的变极式差动工作电容传感器。碰撞传感器内的微控制器可以对ΔC （C 1-C2）进行监测，并结合可动部分的质量和弯曲梁的弹性系数，计算出作用于传感器上的加速度，超过设置的加速度时便发出触发信号。

灯浮标设置在水中，受风浪的影响会产生摇荡运动，碰撞传感器的触发应该过滤掉摇荡运动产生的信号。

（7）为了不影响灯浮标灯器正常工作，智能监控装置电源系统单独配置，主要包括12V 80AH的免维护蓄铅酸电池1只，峰值功率20W单晶硅太阳能电池板2块。本设备正常工作功率白天约2W，夜间拍摄功耗约为22W，待机+工作平均功耗约3.75W，以一个电池60A/12V（720）的容量计算，则在无太阳光补充电能的情况下，可使用约190小时左右（～7.9天）。

4.工作模式

新型灯浮标智能监控装置工作分三种模式。

一是拍照模式，当微波探测装置探测到周围船只与灯浮标的距离大于15米时，监控装置自动拍摄全景照片，拍摄频率为1张/min。监控装置内置128G储存卡，储存卡分为普通存储区和重要存储区。普通储存区容量为96G，采用循环存储的方式，保存时间约一个月。重要储存区容量为32G，除获得授权外，储存的资料不可循环替代，永久保存。拍照模式下拍摄的照片储存在存储卡的普通存储区。

二是正常录像模式，当微波探测装置探测到周围船只与灯浮标的距离不超过15米时，监控装置转为拍摄全景视频。直到船只离开设置的15米半径范围，才自动转为拍照模式。拍摄的全景视频储存在存储卡的普通存储区。此时由微波探测器触发信号通过AIS向岸基接收设备发送拍摄视频条文的记录信息，信息内容包括开始和结束时间、灯浮标代号、位置等，便于航标管理人员查阅。

三是紧急录像模式，当船只与灯浮标碰撞时，触发碰撞传感器，此时不仅拍摄全景视频，还由碰撞传感器触发信号通过AIS向岸基接收设备发送碰撞报警条文信息，信息内容包括碰撞时间、灯浮标代号、位置等，同时将拍摄的全景视频存入储存卡的重要存储区，不可循环替代，永久保存。

5.展望

智能监控装置可在灯浮标、沿岸灯桩、灯塔等设施上推广应用，形成船舶智能公共监控系统。未来，随着自动识别技术的逐渐成熟，可与船舶检验管理部门的数据库连接，与海事系统CCTV监控系统对接，对过往船舶进行自动识别，建立船舶智能公共监控系统数据库，构建水上交通监控体系，为海事监管、调查等提供强有力的技术保障。

6.结论

智能监控装置包括摄像头、微波探测装置（雷達）、AIS航标、红外线组件、WiFi热点模块、碰撞传感器等部件，各部件单独应用都很成熟，但各个部件之间存在相互控制或关联的关系，智能化的实现关键在于软件程序的开发。

智能监控装置以水上灯浮标为搭载平台，覆盖范围广，应用前景广泛，不仅为灯浮标提供安全防护监控，还为未来建立水上智能监管体系、水上智能导航系统等打下良好基础。

参考文献：

[1]孙文杰，孙浩然. AIS与雷达数据融合技术研究？[K].科技创新与应用，2018， （1）：65-66

[2]贾石峰.汽车安全气囊加速度传感器的研究？[J].甘肃科学学报，2002，14（4）：91-93.