耙吸挖泥船安全视频监控系统设计与应用

张戟，李夏，钱杰寐

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

0 引言

由于自航耙吸挖泥船的施工特性，船舶分布在国内外沿海区域施工，在安全生产监控管理方面存在着监控盲区、无法远程实时查看、历史查看和智能报警等方面问题。另外在有船机设备发生故障和施工生产出现问题时，岸基管理人员需要第一时间知晓船舶内外环境情况，以根据实际情况做出应对措施，这就需要一套耙吸船安全视频监控系统。

1 船舶移动通信技术

随着现代信息技术的快速发展，大型耙吸船可以通过安装卫星宽带通信系统来实现远程移动通信，该通信系统比3G/4G网络信号覆盖范围更广，船舶在远海施工或者调遣途中仍然可以与岸基通信。目前采用的船载卫星通信链路保障带宽为100 kb/s[1]，基本能满足船舶疏浚监测数据的传输要求，但要实现多路视音频信号传输需解决低带宽高丢包率条件下的图像传输效率问题，对此，耙吸船安全视频监控系统的实现需要整合优化现有通信和视频压缩传输技术。

1.1 船舶卫星通信系统

耙吸挖泥船有两种常用的海上信息传输方式：海事卫星和岸基移动通信。海事卫星具有全球覆盖、室外天线体积较小、建设成本较低并且可以传输较大数据速率的特点，但是海事卫星的资费很高，而且由于其传输数据速率限制在50 kb/s以内，难以满足高清视频的传输，而3G/4G岸基移动通信网络不足以覆盖远海。所以建议使用VSAT站和IPSTAR卫星通信服务，上下行带宽可以达到100 kb/s左右，且成本较低，覆盖范围广。

在广阔的海洋上，尤其在公海和海外海域，卫星通信成为唯一的高速率信息传输途径。自航耙吸挖泥船在远海作业时，需要将船舶自身的信息回传给管理中心，并在关键工程的节点和重要、紧急时刻将船舶上的视频信号以高清的信号形式回传到指挥中心，这对船舶的通信带宽有了更高的要求。目前，自航耙吸船舶使用的船舶卫星通信系统很好的解决了船舶“信息孤岛”问题，为船舶信息化的发展奠定了基础。

1.2 船舶VPN网络

船舶VPN（Virtual Private Network）网络，即“虚拟专用网络”，是整个船舶移动通信系统搭载的重要应用，同时也是完成视频流点到点传输的必备条件，简单地可以把它理解成是虚拟出来的内部专线。通过这项技术可以在Internet上使用特殊的加密的通讯协议连接位于网络上不同地理位置的船舶子网建立一条专有的企业虚拟广域网。

船舶VPN主要使用的是基于IPSec方式，这与任何网络连接都被接受的一般方式不同，IPsec VPN接收端到端的连接，该通信运行在协议栈的IP层[2]。对于具有较多相对固定分支机构的企业，可以使用专业的VPN网关设备作为分支子网网关链接到总部网关设备，这样隧道链路稳定性更有保障。

2 船舶视频监控系统

目前主要采用通过海事卫星通信系统、4G（TD-LTE/FDD-LTE）无线数据传输技术以及船舶卫星通信链路来实现船舶视频监控系统的远程传输。由于前两种方式对设备和网络要求较高，成本也相对较高，因此大多耙吸挖泥船使用第三种方式的船舶视频监控系统[3]。

2.1 系统主要架构和功能

基于船载卫星通信技术的耙吸船安全视频监控系统主要包括：船舶本地视频采集和存储、高效的视频压缩、卫星链路传输、岸端汇集和解压显示。整个系统实现的架构图如图1所示，前端摄像头采取双码流设置，船舶本地存储高清视频，低码流视频图像经过压缩处理再远程传输。

图1 耙吸船安全视频监控系统Fig.1 Safety video monitoring system for trailing suction hopper dredger

因为使用船舶卫星通信系统作为无线传输载体，就需要整合优化现有技术来消除传输速率低、时延大和高丢包率带来的图像失帧和通信阻塞[4]问题。系统通过断点续传、自适应拥塞控制和更高的图像压缩比等技术来实现在码流速率只有30 kb/s时也能清楚流畅地把船舶4CIF（704×576）分辨率监控画面传输到岸上监控中心，供岸端实时观看和指挥，并且船上能够存储和观看高清画面。

系统除了日常的视频监控功能还有关键作业区域的智能图像识别及抓拍功能，可用来加强对违反船舶安全施工行为的监管力度。

2.2 系统关键技术

因为船舶卫星宽带链路有传输速率低、时延大及丢包率高等特性，系统的视频压缩技术尤为关键。耙吸船安全视频监控系统的视频压缩技术采用的是H.265视频编码技术标准[5]，在保留原来某些技术的同时对一些相关技术加以改进，改善码流速率、编码质量、延时和算法复杂度之间的关系，从而达到最优化的实施效果。要通过提高视频传输的压缩效率、撸棒性和错误恢复能力来减少实时画面的时延，还需要减少信道获取时长、图像接入时延和触发控制时间等传输障碍。

除了有效提升视频编解码效率，系统还在网络的自适应性方面也做了很大优化，采用的自适应拥塞串口判断算法可以在不同的网络条件下进行传输控制[6]。系统的视频监控服务器是专门针对船端和岸端视频监控数据存储和传输订制的服务器，稳定性强，具有高效率的视音频编码技术，超高压缩存储和传输，并能够通过低码流卫星信道和岸上订制的编解码服务器通信，供岸端指挥中心远程预览和回放。采用硬件编解码效率高，传输效果好。

综合比较，耙吸船安全视频监控系统采取的技术具有以下优点：

1）同等质量的视频，带宽节省40%～60%。

2）能实现以30 kb/s传输速率传输4CIF（704×576）图像。

3）网络丢包率50%时，保证提箱稳定传输，稳定性提高1倍。

4）支持标清、高清、4K等各种分辨率，视频输入制式最齐全。

2.3 系统主要优势

相比较一般的视频传输技术，耙吸船安全视频监控系统具有以下优势：

1）传输方案的优化。针对卫星链路的带宽小、稳定性差、高时延等特点，优化传输机制，能够保障视频数据传输的质量和后台观看视频的用户体验。

2）编解码的优化。采用H.265超高最新压缩编码技术，实现灵活的视频码流切换策略，保障超低码流速率下的视频质量，与传统的海事卫星通信相比，大大节约了带宽成本和资费成本。

3）配置的便捷性。整套系统采用IP连接，各网元均可以灵活设置IP地址，配置方便，操作简单。

4）前后端服务器可支持大容量的并发的客户端接入。

3 船舶安全视频监控系统的应用效果

3.1 系统部署情况

自航耙吸挖泥船安全视频监控系统的监控点部署主要分为两类，一般艏楼型船舶的单船监控点有25个，艉楼型船舶单船监控点有17个，监控范围主要包括船体周边、甲板、驾驶室、机舱和泵舱。其中艏楼型船舶监控点分布情况如图2所示。

图2 艏楼型船舶监控点分布图Fig.2 The distribution map of the forecastle ship monitoring point

系统安装好后经过测试，能够实现船端所有视频信号的采集、显示及存储，船上可以随时查看高清监控和回放录像文件。岸上指挥中心可以通过电脑客户端查看监控和回放录像文件，岸端服务器能够实现公司远程用户密码访问，实时监控[7]。对采集到的数据经过视频压缩算法进行优化处理，能够确保在100 kb/s带宽链路上传输多路的视频画面，效果如图3所示，单船链路可以同时远程查看3路监控图像。

图3 远程监控画面效果Fig.3 Remote monitor screen effect

此外，系统还具备历史回放功能，因为船舶数量多，视频容量很大，若将视频传至岸基总部服务器保存既消耗带宽资源又要增加岸基服务器存储空间，所以采取远程调取船舶本地视频存储资源的方式查阅。

3.2 移动管控能力

安全视频监控平台还支持远程操纵摄像头和语音对讲功能，公司、项目部和船舶管理人员都可以通过平台查看船舶实时和历史监控信息，另外用户还可以远程调控摄像头到需要查看的视野范围，移动用户可以使用手机安装客户端查看监控信息，结合语音对讲功能，达到24 h全方位的监控和紧急情况远程交互的管控目标。

4 结语

自航耙吸挖泥船安全视频监控系统在低速率、时延大和高丢包率的卫星通信链路上实现了视音频信息稳定清晰传输，而且系统数据在互联网使用加密信道传输，确保了信息安全。用户使用岸端远程实时监控系统能够控制船上监控摄像头进行远程指挥和作业管理，并通过设置在安全防护重点区域的自动报警和智能抓拍装置极大提升了船舶安全生产管理智能化水平，达到了进一步提高船舶生产效率的目的。