中国2010年上海世博会园区水下目标探测与处置系统

王卫宁， 许 枫

（1.上海船舶运输科学研究所，上海200135；2.中国科学院声学研究所，北京100190）

0 引 言

随着冷战的结束和美国“9·11”事件的发生，预防恐怖活动的发生已经成为当今世界各国共同关注的一个重大问题。对于攻击者而言，水下具有易于隐蔽的特点，是传统警戒监视系统的薄弱环节。对于防守者来说，水下又具有难于防范的弱点，无论是光学、无线电或者其它常用监控技术手段，都很难在水下有效发挥作用。而技术的发展，又为水下恐怖袭击创造了条件，如可以远距离航行的小型水下机器人、蛙人运载器、目标特性小的闭式呼吸器等。因此，水下恐怖袭击以其隐蔽性好、代价低等特点更容易成为恐怖分子选择的非对称攻击手段，其攻击目标往往选择军事设施、政府设施、重大活动、重要经济设施等。鉴于此，各国政府，尤其以美国为首的西方国家纷纷投入大量人力物力进行技术开发，研发核心装备、构建重要目标的水下安保系统，如美国的港口水下安保系统（Under water Port Security System，UPSS），美国海军的综合游泳者防御系统（Integrated Swi mmer Def ense System，ISD），法国的Har bor SuiteTM港口水下安全监控系统等。水下安保技术及其核心装备已经成为非传统安全领域一个重要的全新研究方向。

世博会是一次超大型的国际性展会，是世界各国展示经济、文化、科技的重要载体，是中国对外全方位展示综合国力、科技实力、良好形象的重要窗口，要举办一届“成功、精彩、难忘”的世博盛会，没有一流的、全方位的安全保障是无法想象的。

1 系统概述

2010年上海世博会是一届规模空前的人类盛会。世博会展区跨江而设，园区面积5.28 k m2，各类活动众多。在184 d展期中，共有246个国家和国际组织参展，逾7 308万人次的海内外游客参观，超过1 200个中外演出团体入园演出，园区共上演各类文化演出活动22 900余场，累计吸引观众逾3 400万人次。200多个国家、国际组织、城市、企业参展者参与各类文艺活动。此外，世博会期间还举办了1场高峰论坛、6场主题论坛、1场青年高峰论坛、53场公众论坛。接待中外记者18.6万人次，有79 965名园区志愿者为世博会提供服务。

确保各国政要、VIP（Ver y I mportant Person）人员的安全，各类重大活动正常、顺利地进行成为世博会各项工作中的重中之重。“安全”二字对于上海世博会的意义毋庸置疑。中国2010年上海世博会园区水下目标探测与处置系统（以下简称世博水下安保系统）是中国政府和上海世博会组委会为确保世博会安全运行而建设的安全控制系统中的重要专项系统，承担着世博会期间园区水域的安全保卫工作，责任重大。

世博水下安保系统旨在建设一套完整的水下目标探测与处置系统，实时监控园区重点水域（水门、码头等），及时发现进入重点控制区域的水下危险目标（包括蛙人、水下机器人等），并对目标进行探测、跟踪、识别，同时将探测数据上传控制中心，通过对水下目标的跟踪、显示及报警，为处置人员实时提供可疑目标的位置。利用在园区随时待命的巡逻艇上部署的处置设备，对蛙人目标进行处置，阻止其通过重点监控水域对水门、码头、水面船只及岸边重要设施造成破坏。

2 系统构成

世博会园区水下目标探测与处置系统是一套先进、完整的水下安保系统，为世博会园区水域安全提供技术保障。系统实时监控园区重点水域（水门、码头等），对非法水下入侵目标进行探测、跟踪、识别、定位，及时做出响应。通过网络将所有监控节点的声纳探测数据上传监控中心，运用数据融合和地理信息系统实时显示控制水域安全态势。一旦出现非法入侵，可根据系统提供的目标位置信息，利用非致命性声处置技术手段，对蛙人目标进行处置，迫使其浮出水面。系统由3个子系统组成：水下目标探测子系统、水下目标处置子系统、数据处理与监控子系统。系统网络拓扑图见图1。

2.1 水下目标探测子系统

对园区内、外水门／码头等重点监控水下区域进行24 h不间断的探测，及时发现可疑目标，并将信息向数据处理与监控子系统发送。

水下目标探测子系统由16套蛙人探测声纳（见图2）组成。

根据园区总体监控需求，水下目标探测子系统的部署情况见图3、图4。

重点监控区域覆盖园区内外的全部水门、码头，包括园区内3个水门、6个轮渡码头、1个VIP码头；园区外4个水门。重点监控水域面积达90万m2。

2.2 水下目标处置子系统

水下目标处置子系统基于水下喊话干扰器，采用非致命性声处置技术。部署在水上公安局的巡逻船上，负责在发现目标后及时到达现场，对水下蛙人目标进行排除处置。主要包括两大功能：

1）水下语音警告功能：通过水下喊话器对入侵的蛙人目标进行警告，要求其立刻离开监控区域。预置的警告音语种包括英语、阿拉伯语、中文等。

2）水下干扰音驱逐功能：通过不同强度的干扰音序列对水下蛙人实施驱逐，或迫使其浮出水面，接受处置。

2.3 数据处理与监控子系统

数据处理与监控子系统运用数据融合和地理信息系统实时显示整个控制水域的安全态势。系统部署在水上警务站监控中心（见图5），用于对水下目标探测子系统发送来的信息进行分析、处理，对目标进行自动跟踪、识别、预警和报警，向安保人员实时发布报警信息，辅助安保人员进行现场处置。

系统主要由数据处理单元、数据存储单元、显控单元、专用软件平台以及通信单元等组成。软件系统功能完整，符合安保系统的总体要求。系统主界面见图6。

图1 世博会园区水下目标探测与处置系统网络拓扑图

图2 蛙人探测声纳

图3 水下目标探测子系统部署示意图（园区内）

图4 水下目标探测子系统部署示意图（园区外）

图5 数据处理与监控子系统

图6 系统主界面

系统预留了外部接口，可根据需要将水下入侵目标的报警信息以及相关参数、跟踪声图等传送至指挥中心和相关业务单位。

3 技术难点和关键技术突破

水下安保技术在国际上是全新的领域，由公开资料和相关文献报道可知，类似黄浦江特殊的水文环境和通航环境条件下的水下安保系统建设在国际上尚属首次。

世博水下安保系统面临的技术难题主要包括：

（1）黄浦江水体混浊，水文条件复杂；

（2）江底地形多变，水深很浅；

（3）监控区域处于通航状态，水上交通非常繁忙，船舶辐射噪声、艉流等因素对声纳的探测、跟踪性能造成十分不利的严重影响；

（4）蛙人探测声纳安装方式受限，不能影响黄浦江水上航运；

（5）声纳湿端在趸船安装时必须考虑江底淤积和潮汐的影响，同时兼顾周边自然和人文环境。针对上述情况，在系统建设中突破了一系列技术难题，有针对性地采用了多项创新技术。

3.1 环境匹配技术

黄浦江水体混浊、水深较浅且随潮汐变化，江底地形复杂多变，这不同于常规声纳工作的大水深的平坦海底地形。声纳性能受环境因素、水文条件的影响显著，针对这一特殊环境，采取了包括声纳性能评估分析、相控技术、声纳参数调整等的一系列措施进行环境适应性调整。

利用高频声传播模型，针对黄浦江复杂地形以及不同水文条件，进行了声纳性能预估，并且根据预估结果，调整声纳工作参数，设定最佳的发射信号形式、体制等，有效提高了系统处理增益，解决了浅水、混浊水环境下，探测性能下降、探测距离受限的问题。并且结合垂直相控发射技术，有效地解决了特殊地形下的探测盲区问题。

3.2 抗混响技术

采用多种手段相结合的抗混响技术，包括采用宽带信号体制、窄垂直相控角度以及通过信号处理算法等综合手段进行抗混响处理。

3.2.1 宽带信号体制

为此系统综合采用了伪随机编码、Chir p等信号形式，有效抑制水体混响，大大提升声纳的检测性能，使声纳图像更为精细，有利于目标的跟踪和识别。

3.2.2 自适应混响抵消技术

采用了自适应混响抵消技术，通过自适应算法将运动目标前景与混响背景进行分离。首先对单帧获取的声纳图像计算混响分布信息，然后在单帧信号处理基础上，在多帧数据之间采用自适应算法进行实时混响抑制。

3.2.3 特殊水文条件和通航环境下的动目标自动跟踪识别技术

由于整个系统的监控节点达到11个，探测声纳达到16部，人工监控具有较大难度，因此，动目标自动跟踪识别技术成为系统的必然选择。黄浦江水体混浊、水文条件复杂，江面处于通航状态，水上交通非常繁忙，船舶的辐射噪声和艉流，对动目标的探测、跟踪、识别造成很大的影响。

系统在声传播模型的基础上，首次提出将艉流与高频宽带声传播模型相结合，分析船只艉流对浅海声传播的影响，特别是气泡的存在造成声速的频散和声信号的衰减。根据艉流的时变特征及船只辐射的连续谱噪声，提取出用于识别船只的特征参量，并且对获取的船只、艉流亮点进行抑制和剔除，避免对小目标探测产生影响（见图8）。

图7 自适应混响抵消

图8 船只目标提取与剔除结果

图9 探测目标的跟踪结果

同时，为实现这一复杂混响背景下的动目标自动跟踪，系统采用了基于交互式多模型的UKF（Unscented Kal man Filter）滤波器蛙人目标轨迹提取算法和基于多信息联合贝叶斯准则的多目标轨迹判别与关联算法。为实现高准确率的目标识别，声纳采用基于心理声学参量的水下运行小目标识别算法、基于运动特性参量的水下运行小目标识别算法和基于亮点特征的水下蛙人识别算法等方法，实现了复杂混响背景下的动目标自动探测、跟踪、识别，取得良好效果（见图9）。

3.2.4 大规模蛙人探测声纳监控网络构建技术

世博水下安保系统由16套蛙人探测声纳构成，16套声纳协同工作，构成水下监控网络。如此数量众多的声纳节点，必须解决相邻码头声纳之间及两岸声纳之间的声兼容问题、不同声纳的数据融合问题、声纳集中监控、远程管理等问题。

系统突破性的解决了这一技术难题，采用时分、频分、码分相结合的方法，解决了声兼容难题，采用多参数关联算法解决了数据融合问题，并借助园区专用网络，构建了大规模声纳监控网络，解决了监控点分散、无法敷设专用网络条件下，集中监控，远程管理的问题。

3.2.5 水下非致命性处置技术

当蛙人探测声纳检测到有可疑蛙人出现在重要水域时，应对其采取合适的处置措施，处置手段要求具有快速、有效、非致命的特点。系统基于水下喊话干扰器，实现了非致命性声处置技术。根据人的内耳、头部、呼吸系统等器官特点，结合心理声学，分析人耳及神经系统的烦恼度特性，实现了具有不同强度的干扰音序列，以对检测到的蛙人目标进行干扰与非致命性攻击，从而迫使其浮出水面。

3.2.6 声纳安装创新设计

按照世博会园区安全控制系统的建设要求，同时兼顾黄浦江通航的具体情况，声纳不宜采用坐底安装方式，而安装位置被限制在水门、码头的趸船上。在此情况下，必须解决的一个重要问题是：声纳湿端既要保证有足够的安装深度，又必须考虑潮汐、江底淤积有可能造成声纳湿端触底，从而影响声纳性能甚至设备安全。此外，声纳的安装也不能影响趸船的整体美观，尽量不占用趸船的表面作业面。在本系统中声纳安装采用了自适应升降式滑轨安装技术，有效解决了特殊环境条件下声纳安装的技术难题。这种方式同时具有易于安装，便于维护的特点。

4 系统应用情况和实际达到的水平

中国2010年上海世博会园区水下目标探测与处置系统是中国政府和上海世博会组委会为确保世博会安全运行而建立的安全控制系统中的重要专项系统。系统自2010－04－20试运行，至2010－11－12拆撤完成，连续无故障运行超过6个月。系统运行情况良好，性能可靠，工作稳定。得到了上海世博会事务协调局安保部的充分肯定，系统“技术先进、功能完整、运行可靠、保障有力”（用户使用意见中的评价）。项目部集体和个人受到上海市和世博会事务协调局的多次表彰，各类表彰共计17项，其中集体荣誉4项，个人荣誉13项 。此外，系统突破了多项关键技术，填补了国内在相关技术领域的空白，不仅为世博会的安全运行作出了贡献，也打破了国外的技术垄断。

在世博会园区安全控制系统的技术评审中，专家对本系统给予高度评价，评审意见认为“根据世博园区黄浦江水域水文条件复杂，水体混浊、江底地形多变、水深很浅、水上交通繁忙等不利因素，水下目标探测与处置系统创造性地应用了环境匹配技术、抗混响技术、动目标自动跟踪识别等一系列新技术，首次突破了内河混浊水域通航条件下水下异常运动目标探测、跟踪和识别关键技术，满足了世博园区黄浦江水域水下安保的要求，其技术达到该领域国际先进水平”。

5 结 语

中国2010年上海世博会园区水下目标探测与处置系统由上海船舶运输科学研究所和中国科学院声学研究所共同完成，系统的开发和成功应用，有力保障了世博会的安全运行，为我国举办一届“成功、精彩、难忘”的世博盛会作出了贡献，在世界面前全方位展示了国家的综合国力、科技实力和良好形象。同时，系统在关键技术上的突破和创新，大大增强了我国在水下安保领域的研究实力和整体技术水平；弥补了传统安保系统在水下监控方面的空白，显著提高了安保系统综合监控能力和系统完整性；作为公共安全系统的重要组成部分，在保障国家和社会安全、国防安全、反恐等领域，发挥了极其重要的作用。

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