浅谈航标碰撞视频监控系统

◎ 陈泽波 交通运输部南海航海保障中心广州航标处海区导航中心

1.目的

航标一般都配置有警告灯、AIS避碰设备等，可对过往船只发布航行警告，并记录船只信息，保障船舶航行及航标安全。但是，在海上和江面经常发生过往船只与航标的刮蹭，甚至将航标撞毁或撞沉，严重威胁航标的生存安全。现有的技术手段，如AIS、雷达反射器等被动安全防护手段已不能满足实际使用要求，为此我们结合安防领域成熟的经验引入航标碰撞视频监控系统，拟对航标的安全进行监控管理。

航标碰撞视频监控系统的设计是一套基于移动网络或卫星通讯技术的集成系统，可实现下位机通过摄像头获取照片数据流，系统将该数据流通过CDMA或卫星模块传输至岸基监控上位机，上位机系统集成专用软件，可对获取到的数据流进行接收和解析，从而在岸基监控端显示下位机所拍摄的真实视频和图像。

2.总体设计方案

航标碰撞视频监控系统主功能是通过在航标上安装视频图像采集及其配套设备，对航标周围环境进行实时视频采集，在威胁发生前后对迫害者进行应急图像采集，利用CDMA、北斗或其他通信方案将采集的数据传输到岸基服务器，并借助AIS系统进行目标识别和分析，完成入侵目标的监控和管理。

航标碰撞视频监控系统的总体设计方案如下图所示。系统在硬件设备上主要分为上位机系统和下位机系统。上位机系统为数据接收和岸基监控系统，下位机系统包括监控摄像头、雷达、重力感应器、加速度感应器及其他电力系统设备和通信系统设备。

从功能上讲，航标碰撞视频监控系统主要由实时视频采集子系统、应急图像采集子系统、数据传输子系统、电控子系统和岸基辅助子系统5个部分组成。其中，应急图像采集子系统涉及到与摄像头的联动操作，因而在实现层面上存在一定困难；其他4个子系统自成体系，亦能完成目标入侵的图像采集功能。

3.前期功能实现

项目的核心功能是实时视频采集子系统和应急图像采集子系统。实时视频采集子系统将摄像头以固定时间间隔（可设定）进行拍摄，将照片数据发回至岸基接收端，通过接收软件实现目标船只舷号等信息的捕捉采集。应急图像采集子系统直接在航标终端完成目标自动捕捉识别功能，待确认目标船只后将照片信息发送至岸基接收端。两个核心功能既互为补充，也可独立完成目标入侵图像采集功能。综合考虑航标的承载能力及所有探测设备的尺寸、功率、稳定性等因素，在实际系统安装和布设实践中权衡两个核心子系统的性能配置。

在具体实现上，根据项目实施时间和实现难易程度，功能实现方案划分为2种。第一种是除应急图像采集子系统外的其他4个子系统，实现定时图像的采集功能；第二种是在第一种方案的基础上添加应急图像采集子系统，实现在应急时刻船只信息的自动捕捉采集。综合来讲，第一种方案实现较为容易，实施时间短，故先实现第一种方案。如果后期时间允许，尝试完成第二种方案。

3.1 实时视频采集子系统

图4 太阳能电池板安装示意图

实时视频采集子系统主要包括摄像头和摄像头支架。子系统采用4个外部摄像头（或2个170°广角摄像头），用以采集外部不同方位的照片；用于安装摄像头的支架定做4个，根据主设备的实际安装位置和安装方式，进行个性化设计，保证摄像头对设备360°方向拍摄，同时保证密封效果。

根据项目需求，本子系统拟采用带主动红外照明的大视场CCD摄像系统进行图像拼接，通过多路图像采集、畸变校正、柱面投影、图像配准、图像融合，并将算法移植到DSP硬件处理器上形成360°的全景环视图像。该系统是一款能够获取浮标周边海域全景视觉信息的处理平台，可获取周围360°的图像信息，并自动进行图像间的精确配准、融合，形成无缝的全景图，拼接后的全景图像最大程度地与原始图像接近，图像失真小。

4个摄像头的布设方案如图2所示。

CCD摄像机拍摄场景，将四路视频信号通过接口电路板同步传输到图像处理平台的视频输入端口，图像处理平台将模拟图像信号逐帧转化为数字图像，然后由平台上的核心处理器件依据图像处理程序实现图像拼接。最后将处理后得到的360°全景图像重新编码后输出，可根据用户需求传输到岸基辅助子系统。系统组成原理如图3所示。

3.2 数据传输子系统

数据传输子系统的主要功能是将实时视频采集子系统和应急图像采集子系统获取的数据传输给岸基辅助子系统。该子系统综合考虑航标所在位置的信号能力及多种通信手段的数据传输能力，首选CDMA进行数据传输，若CDMA信号偏弱则考虑使用北斗卫星通信。在电力供应充足的情况下，考虑CDMA和北斗双链路备份传输。该子系统自行定制通讯天线，在保证信号强度足够的前提下，进行密封处理，保证天线在海上抗腐蚀、不进水。

3.3 电控子系统

电控子系统基于ARM主控制器，设计下位机控制系统。系统集成控制器最小系统、电源稳压模块及串口模块等。系统至少含6路串口，其中4路串口分别连接外部4个摄像头（或2个170°广角摄像头），用以采集外部不同方位的照片；1路串口连接定制的通讯数据模块，用以将拍摄到的数据流进行发送。电源采用外部电池供电方案，要求电压≥7V，瞬时电流≥1.5A。

系统拟在航标两侧对称安装两块1200＊540＊30mm的12V光伏发电电板，每块电板功率达100W，足够支撑航标所有承载设备的用电需求。电板表面采用超白钢化玻璃，配备多晶电池片和铝合金边框，接线盒为IP65防水材质，能够承受海上较恶劣的工作条件。电池板安装效果如图4所示。

3.4 岸基辅助子系统

岸基辅助子系统包括硬件和软件两个部分。其中，硬件部分包括数据接收设备、数据存储和处理服务器、显示器等；软件部分设计一套专用于本系统的软件，主要功能包括数据处理和显示。本子系统直接接入互联网，对终端发送的数据进行实时接收，只要保证网络不中断，数据就可以实时接收。同时可将接收的照片数据流进行解析，获得照片的信息并显示在显示屏上。此外，可根据用户的实际需求，对软件进行界面优化，如添加单位名称和LOGO、增加登录信息等。

岸基辅助子系统将结合AIS系统，在航标遭受入侵破坏时，通过数据接口即时从AIS系统中提取在破坏时刻途经该航标附近海域的所有船舶信息，配合本系统采集的视频和图像信息，辅助完成入侵目标的识别和证据取证。

4.后期功能实现

在项目时间和进度允许的情况下，本系统拟在上述功能的基础上添加应急图像采集子系统。

应急图像采集子系统主要包括摄像头、雷达、重力感应器、加速度感应器及其控制设备。该子系统中的摄像头为实时视频采集子系统中的摄像头；雷达安装在航标标体外侧边缘，数量为4个，在标体周围均匀分布，用来探测标体周围物体距离；重力感应器安装在航标标体边缘，感受标体的晃动与起伏变化；加速度感应器安装在标体适当位置，用来测量标体在水平方向位移的速度变化。控制设备的功能是为雷达等感应器在观测数值超出一定阈值时对摄像头发出拍摄请求，用以获取应急图像。