智能船舶船岸一体视频远程管理系统设计应用

周毅,何金平,华先亮,李萌,郑坤

(1.中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452;2.上海船舶研究设计院，上海 201203)

传统的船舶安全体系管理模式依赖于岸基人员，主要是船长通过邮件进行日报和月报以及应急情景下的海事电话汇报给岸基，无法实现实时监管，远不能满足船东岸基管理需求。近年来由于智能船舶概念的兴起以及智能船舶技术的日益发展，船舶智能化已经成为全球航运的大势所趋[1]，基于当前卫星通信低带宽和高成本约束下的实时视频信息采集、传输、识别已成为智能船舶2.0关键技术之一。因此，通过设计开发一套以高性能视频压缩硬件模块为核心的视频远程管理系统，将船舶视频数据轻量化回传，一方面实现了对船舶的实时视频监控，解决岸端远程对船端实时监管的需求，另一方面，由此获取的视频数据也可为未来包括图像识别等功能的开发积累了数据样本，为将来应用人工智能技术实现对船舶的全面监控与智能化管理做好必要的准备。

1 需求分析

视频远程管理系统为船舶岸基营运管理提供了远程视频服务，由船基系统和岸基系统两部分组成，要求具备以下特征。

1)自定义视频压缩率。系统支持默认的视频压缩率(一般根据船舶卫星带宽设定)，支持岸基自定义视频压缩率，并将该设定参数远程发送至船基视频远程管理系统中。

2)自定义视频远程传输。在岸基系统发送传输指令(某个视频通道)后，船基系统进行该通道下的实时视频流传输，且最多支持N个通道的实时传输(N根据卫星带宽确定)。

3)视频实时播放、历史回放切换。实时播放页面可切换至历史视频流播放，支持视频的快进、快退等常规操作。

4)实时视频流截图。岸基系统可以将截图指令(通道号+时间)发送船基系统，船基系统能根据指令自动从原始历史视频中截取相应的图片，并发送至岸基系统进行显示和保存。

5)报警自动回传。船基视频远程管理系统实时采集船舶报警信息，各个报警点已经和船舶摄像头关联[2]。当某个报警点被触发时，船基系统能自动将该报警点相关联的摄像头信息回传至岸基系统存储，并在岸基前端界面推送信息。

6)摄像头远程控制。岸基系统支持对船端摄像头的远程控制，仅限正在传输的视频通道。岸基系统将遥控指令传输至船基摄像头，控制摄像头的旋转。

7)权限管控。岸基系统支持管控不用角色人员的权限，需分权限查看船上摄像头内容及远程控制重要位置摄像头。权限管控功能需与导航平台进行整合。

8)高可用性冗余架构。视频压缩及传输要求采用高可用性冗余方案，每个压缩设备支持 10 路视频接入，要求至少预留 2 路作为备用通路，当正在使用中的 8 路有一路故障时，可以切换到备用通路中继续传输，不影响系统正常使用。视频压缩设备要求至少预留一个作为备用，当某个视频压缩设备发生故障，或者某个视频压缩设备备用通路全部被占用，可以切换至备用压缩设备中继续传输，不影响系统正常使用。

2 功能设计

1)权限管理。权限管理分为用户权限管理和设备权限管理两部分。用户权限管理主要负责对用户账户进行分层级管理，以实现不同的用户账户只能查看具有给定权限设备的功能，并与现有导航系统对接，共享用户信息；设备权限管理主要是指船基服务器管控本船设备的功能，如哪些设备可接入网络，网络在卫星信道和3G/4G信道切换时如何控制并发传输的通道数量。

2)视频监控。视频监控主要由传输控制、压缩上传和接收播放3个模块组成。传输控制模块主要负责指令收发，如设备在线状态、云台控制指令、视频播放/停止指令等，是视频传输系统的中枢神经；压缩上传模块主要负责将高清视频进行压缩处理并在接到上传指令后将压缩后的音视频数据上传至岸基服务器；接收播放模块负责展示船基摄像头回传的音视频信息。

3)录像管理。录像管理由视频存储模块和回放下载模块组成[3]。视频存储模块负责实时音视频数据的存储及管理；回放下载模块负责实现录像的回放展示、控制及下载等功能。

4)告警管理。告警管理主要由告警关联、告警回传2个模块组成。告警关联模块主要负责与现有告警系统及视频监控系统进行对接，实现告警与云台控制智能联动等功能；告警回传模块主要负责管理告警回传模式，将告警信息回传至岸基服务器，以及在岸基视频管控终端展示实时告警信息和查询历史告警记录。

系统采用HTML5技术实现，满足移动端及PC端统一设计的理念，且支持Windows XP系统，界面与现有岸基管理平台风格保持一致。

3 系统详细设计

3.1 逻辑架构设计

根据智能船舶视频远程管理系统总体设计规划，定义该系统与船舶其他智能系统之间的数据/业务交互模式，系统逻辑架构图见图1。

图1 视频远程管理系统逻辑架构

集成平台系统采集船舶视频监控系统的视频数据以及其他各功能系统的报警数据，通过数据分发系统将上述采集数据实时推送至视频远程管理系统(船基)，船基部分根据报警数据及岸基控制指令，判断是否需要将当前视频数据经压缩后传输至岸基。岸基部分一方面可以对船基传输的视频数据进行存储，播放，另一方面可通过发送相关控制指令自定义视频传输，如截图指令、摄像头控制指令、压缩率指令等。同时视频远程管理系统UI界面需集成在集成平台系统导航平台中，实现统一显示，统一管理。

3.2 技术架构设计

系统前端展示部分采用B/S架构，Html5界面；压缩和传输设备采用C/C++开发；WEB后端使用PHP开发，与其他服务交互使用TCP协议；船基和岸基管理部分使用C/C++开发，相互通信使用TCP协议；流媒体转发服务使用Nginx搭建；最后用Nginx搭建负载均衡服务器。

系统技术架构见图2。

图2 视频远程管理系统技术架构

3.3 网络拓扑设计

本系统通过卫星或移动网络运营商的3/4G通道将船载音视频数据传输至岸基服务器。岸基视频管控终端可连接岸基服务器进行视频监控[4]，并可通过岸基服务器向船基系统发送控制指令，以达到实时监控指挥调度的功能。其网络拓扑图见图3。

图3 视频远程管理系统网络拓扑图

3.4 功能架构设计

智能船舶视频远程管理系统由四大子系统组成[5]，具体功能模块见图4。

图4 视频远程管理系统功能架构

3.5 人机交互界面设计

本系统涉及到的人机交互界面主要分为业务界面和管理界面,支持中英文切换、昼夜模式切换及UTC时间显示，包含视频监控、告警管理、录像管理、统计信息四大功能。

4 应用效果

智能船舶船岸一体视频远程管理系统在LNG运输船“海洋石油301”上实现了装船应用和海洋环境下的船岸一体通信测试，视频传输的具体测试效果见表1。

表1 智能船舶船岸一体视频远程管理系统实船测试记录

岸基监控效果图见图5。

图5 视频远程管理系统实船应用效果

实际效果显示，船舶在VSAT卫通信道(256 kb/s)下，单通道视频信号在最大128k码流传输设置下，仍然能够流畅传输清晰的视频；在最小传输码流(16 kb/s)工况下，岸基仍然能够流畅观看视频，最大程度保证了岸基的可视化效果。

通过设计、应用、实船测试船岸一体视频远程管理系统，利用硬件对船基视频信号进行压缩，对传输码流提供无级调节，实现了船舶在停泊、进出港、航行中不同的通信信道和带宽下视频信号的流畅传输。在不增加船东营运成本的前提下，能够满足大部分船东在岸基对船队船舶的实时监控要求，最大程度支持船东的实时和精细化营运管理。无论是新造船舶的设计建造还是现有船舶的升级改造，本系统都值得推广应用。