图像检测识别在水运智能化发展中的应用

陈志宏，廖月，谢瑞敏，姜慧勤，林盛梅

（1.江苏省泰州引江河管理处，江苏 泰州 225300；2.南京畅淼科技有限责任公司，江苏 南京 211106）

图像检测识别是指利用计算机对所获取的图像进行分析和处理，确定图像中有没有目标以及目标的位置，并将目标识别出来的过程。目前主要应用于遥感图像识别、通讯传输、军事公安刑侦、生物医学图像识别、机器视觉等领域[2]。

改革开放以来，特别是党的十八大以来，我国的交通运输业取得了长足的进步。党的十九大报告第一次提出建设交通强国[3]，党的二十大报告再次指出要加快建设交通强国。我国有着1.8 万千米的海岸线以及12万千米的内河航道，因此，加快发展水运交通智能化是当前工作的重中之重。

相较于陆运监管的高度智能化，水运受自然条件等客观因素的影响，智能化水平低、智能化发展滞后、技术监管手段缺失。当前水运视频监控主要以人工观看、录像为主，对视频深化应用研究及图像检测识别技术研究不多，投入实际应用的则更少。国务院七部委联合发布的《智能航运发展指导意见》指出解决问题的关键在于要突破智能船舶态势感知技术及相关通讯技术，这些技术的突破将为我国全面掌握智能航运核心技术，建立智能航运技术标准体系和智能航运体系提供支撑，为交通强国发挥关键作用[4]。

1 图像检测识别在水运智能化中的应用

目前图像检测识别技术在水运智能化方面的应用主要体现在视频处理、船舶检测识别、船舶身份识别、船舶信息识别、违章预警识别等等。此类应用在一定程度上提升了部分涉水部门的智能化监管水平，例如海事部门、港航部门、边检部门、公安部门等，但仍有较大一部分涉水部门目前仍缺乏相关智能化监管手段。

1.1 在海事方面的应用

为提升水上交通管控能力以及海事治理体系与治理能力现代化水平，针对水上交通动态感知手段不足、管控能力不强等问题，通过在雷达站、通航河口等地装设摄像头、抓拍控制装置等感知设备，构建智能卡口平台。实时抓拍过往船舶的信息，对重点船舶进行智能画像，并进行数据对接、推送和处理。实现了船舶细节影像获取、船舶身份多维感知、船舶特征识别及行为分析、船舶影像结构化入库等功能，构建“多维感知、快速抵达、高效协同、智能处置”的一体化水上交通动态管控新格局[5]，取得了良好效果。

智能卡口平台实现了船舶“口袋式”管理，动态掌握辖区内船舶流量、航行状态和航行行为。同时切实提升水上执法效率，降低一线工作人员工作强度，将船舶图像作为执法证据，提升水上执法公信力。

1.2 在港航方面的应用

船舶交通流量是指单位时间内通过水域中某一地点的所有船舶的数量、航向、船速、总吨位等，是表征一个水域水上交通状况最基本的量。它的大小直接反映了一个水域船舶交通的规模和繁忙程度，并在一定程度反映该水域船舶交通的拥堵和危险程度。为了解水上交通船舶及货物流量的基本情况，航道相关部门需对内河航道的船舶流量、内河水运主通道上的船舶及货物情况进行上报。传统的船舶流量统计采用的是人工观测，这种方法优点是简单易行，但缺点也很明显。

为实现7×24 小时不间断流量观测，建立船舶流量自动观测点成为必需。在需观测流量的航道断面或者船闸，比如通航河口、辖区边界、重点航段、重要通航桥梁等，建立流量观测系统，对经过航道断面或船闸的船舶交通流量7×24 小时自动统计，并按统一的格式形成流量报表。具有准确率高、安装方便，且有高清照片、可获取更多船舶信息等优点。

除了建立船舶流量观测之外，还在船闸建立越线哨兵系统。闸门关闭泄水时，若有船舶停留在闸台区域，极易造成船舶搁浅，船舶倾翻，并导致严重的安全事故，使船员和船舶遭受经济损失。目前多采用在闸墙涂绘安全警戒线标识，并在闸墙外立界限灯。这种方式在天气不佳时不易看清，对于船舶是否越线，易产生争议。因此，建立越线哨兵系统，自动检测船舶是否超越警戒线，若有则发出声光报警，提醒船员挪船，并告知闸首工作人员勿进行泄水。该系统性能稳定，准确率可达98.5%。

1.3 在边检、公安方面的应用

边防检查站作为国家安全和对外开放口岸，维护其出入境秩序，提高边检出入境安全管控效能显得尤为重要。目前边防检查站多采用高清监控设备监控非法入境船舶，但视频大多停留在人工盯屏阶段，需人工判断是否为外籍船舶，耗时耗力，且距离稍远时看不清船名，遇到违法行为时从视频中返查证据也费时费力。通过建设过境船舶抓拍识别系统，自动采集经过的船舶照片，并自动识别其身份、长度、船种等，建立国际航行船舶基础信息库，提高入境船舶的感知能力，实现辖区内国际航行船舶信息实时掌握，也能够快速检索到需要的执法证据。

水域治安管理有着流动性大、隐蔽性强、检查难度大的特点，以往所有过闸船舶都必须到登记窗口接受公安、海事、船闸等部门的检查方可登记过闸。随着大数据智能化的发展，船舶管理部门采用微信登记、网上缴费的方式，船民无需再到窗口检查登记，给公安机关对船舶、船民的管理带来了不便。通过建立水域治安防控系统，自动对船舶进行抓拍，对接船舶登记及调度数据，使每一艘过闸船舶都留下高清照片和身份数据。同时开发船舶长度、宽度丈量功能，若船舶实际长宽与登记长宽误差较大时，认为属于过闸费诈骗，发出预警。基于抓拍的高清照片，自动识别船舶水面上高度，判断是否有超载瞒报行为。积累船舶数据，形成数据资源库，点击某条船舶，即可显示该船舶详情，包括历史过闸记录及照片、运行轨迹、船主船员信息等。

2 图像检测识别应用新展望

图像检测识别应用除了上述已有的场景技术，对于未来新的应用方向的研究，可以针对不同场景的业务需求，提出一些场景定制化的应用方案，比如船闸桥梁防碰撞、船闸吃水超深预警、船舶尾气在线监测等。这些针对船闸、环境监测等不同场景需求，对于图像检测识别技术在水运智能化发展中的应用也会起到积极的推动作用。

2.1 船闸桥梁防碰撞

随着我国经济的快速发展，航道运输日益繁忙，船舶密度、装载高度也相应增高，部分早期建设的桥梁通航净空尺度较小、防撞标准较低，导致近年来一些桥梁与船舶不匹配的安全风险凸显，直接影响交通运输的安全和畅通，威胁到经济社会发展和人民群众生命财产安全。因此，规范桥区水域船舶通航秩序，提升桥梁防撞能力，建立健全防范化解安全风险的长效机制，是防止重特大事故发生的前提。

通过建设桥梁转到防撞预警系统，采用主动式的超高防撞实时检测和预警，辅以安全警告标志牌、语音喇叭发声装置等方式抑制超高船舶通行，能最大限度减少超高船舶的撞桥几率，大幅降低桥梁维护费用，更好地保护跨航船闸桥、船闸、船舶及人民生命财产安全。

2.2 船舶尾气在线监测

随着经济的不断发展，我国水路货物运输量和港口吞吐量连续多年占据世界第一。繁忙的水运和海运也带来了严重的空气污染，根据交通运输部印发的船舶大气污染物排放控制区实施方案要求：进入排放控制区，应使用硫含量≤0.5%m/m 的船用燃油；进入内河控制区，应使用硫含量≤0.1%m/m 的船用燃油；进入沿海控制区海南区域，应使用硫含量≤0.1%m/m 的船用燃油。如何对在航船舶使用燃油硫含量进行有效监测，是全球排放控制区监管面临的难题。

基于此，建设可视化抓拍的船舶尾气监测系统是实现自动检测的有效途径。对所有经过监测点的船舶进行7×24 小时尾气监测，并利用抓拍设备对船舶抓拍取证，做到一船一照一档，揪出排放超标的可疑船舶，确保“有的放矢”监测超标船舶，提升执法效能，为打赢蓝天保卫战，促进绿色航运发展和船舶节能减排贡献力量。

2.3 船闸吃水超深预警

随着船舶大型化的不断推进，航运船舶密度和货运量大幅增加，航运事业日新月异，船舶通行需求不断攀升，在经济效益的驱使下部分船舶吃水、装载谎报的问题导致过闸安全风险逐渐增大。目前，国内绝大多数船闸没有吃水检测的有效手段，通航部门主要通过船舶自主诚信申报和人工丈量的方式获取过闸船舶的吃水信息，所采用的测量手段多为目测吃水线和卷尺测量，此类方法效率低、数据少、精度差，且易受风浪、船舷波等因素影响。

通过建设船舶吃水超限预警系统，运用图像检测识别技术对经过检测点的船舶进行吃水识别，结合水位对超深船舶进行自动报警，存储、展示船舶吃水检测信息，对超深船舶进行报警、人工处置和归档。提升通航安全管理水平和船舶过闸效率，对进一步打造水运智能化，促进航运事业高质量发展具有重大意义。

3 图像检测识别应用中存在的问题

目前图像检测识别技术在船舶检测抓拍时存在的问题主要分为以下几个方面：第一，客观因素，比如，摄像机成像距离不能超过600 米；水面有杂物移动、水花浪涌；夜间光线不足导致成像画面看不清；船名遮挡、腐蚀、断裂等情况时有发生。第二，摄像机成像质量受环境因素影响较大，比如，太阳光反射造成水面白茫茫一片；太阳光直射镜头形成的炫光现象；太阳光直射镜头时，视频画面发黑从而导致成像不清晰；下雨起雾等天气变化时，镜头上有水气残留，成像质量不佳。第三，图像识别算法因素，比如，船名字体大小书写不规范、位置不确定、书写方式也多种多样，对图像识别算法的鲁棒性挑战巨大；船舶并行或错行，导致抓拍准确率、识别准确率降低。

针对上述问题，还需要摄像机厂商、算法厂商、系统集成厂商和整个水运行业部门的通力合作，提升图像检测识别技术在整个水运智能化发展中的应用。

4 结论

随着水运智能化的不断发展，未来水运智能化将会覆盖到渔政监管部门、海警部门、水利部门等所有的涉水行业，以点到面，全面覆盖，在全国范围内将织成一张水上天网，建立每一条船舶的档案信息，包括船舶身份、船舶长宽、船舶种类、运行轨迹等都将被记录下来，实现以图搜船。这些都离不开图像检测识别技术，虽然经过几十年的发展下来，图像检测识别技术已有一系列的理论和方法，但随着行业需求的不断深入，需要我们针对行业需求不断优化和拓宽技术方向，从而使能够图像检测识别技术在水运智能化方面发挥更大的作用。