融合航标、AIS与视频分析的电子围栏对于桥区船舶偏航预警应用系统研究

岳玮 余锦源 广东省中山航道事务中心

1.引言

中山市地处珠江三角洲河网地带，位于西、北江下游出海处，北接广州市和佛山市，西邻江门市，东南连珠海市，东隔珠江口伶仃洋与深圳市和香港特别行政区相望。作为珠江口西岸重要的先进制造业城市和现代服务业基地，中山市拥有国家级产业基地34个，省级技术创新专业镇15个，省级以上名牌名标483个/件，落户中山世界500强企业有24家。拥有装备制造、健康医药、电子电信、灯饰光源、家用电器、金属制品、纺织服装、家居家具、精细化工、特色食品等10大产业集群。

随着大湾区布局推进，中山的城市地位快速提升，水陆交通快速发展，港口及内河通航船舶在行驶过程中与航标及桥梁发生触碰的风险持续升高，对桥梁通行安全和航道安全造成了严重影响。经分析，造成船舶撞桥事故的原因与船舶驾驶员不清楚自己的船的高度，在桥区水域凭经验或者肉眼判断桥梁通航净高尺度、疲劳驾驶、不熟悉航道、存在侥幸及冒险心理通航导致船舶接触桥梁都有着关系关联。此外在洪水期水流快、水位高，桥区航道流态变化显著，通航净空降低，通航环境复杂，船舶操作难度大等，也容易导致船舶撞桥事故发生。

随着中山市水上交通运输的发展，船舶吨位不断增大、长度高度也不断增加，桥梁建设时间不同标准不一、外来船舶对水域不熟，原有航道上的部分桥梁净高尺度不达标对船舶安全航行造成了很大的隐患，在当前经济社会转型升级，高度重视航标设施及桥梁安全，刻不容缓，同时对惠及民生的水陆交通安全出行具有重要意义。

当前存在问题：对于靠近航标设施的船舶无法提前告警通知，发生碰撞事故后无法追责、追偿；对于航道内船舶流量无法监控及预测，无法为航道扩能升级提供有效数据依据；没有摄像头的记录和监控，无法判断现场净高显示屏是否存在损坏及数字显示是否准确；无法判断净高检测设备数据是否准确，没有对外接口，无法同步水位信息给相关船方或部门；无故障主动提醒功能，单次设备损坏排查时间长、维修费用高、维护不及时。

本项目建设的桥区船舶防撞偏航预警应用系统是利用现代化检测手段来提升航道运行的安全性，精确检测出船舶是否偏航、提醒偏航船舶安全行驶路线并及时进行警示和录像，有效避免偏航船舶进入桥梁非通航区域而造成船桥意外事故。该系统有利于提高水陆交通安全、消除交通隐患，方便相关部门的跟进取证，为航道交通安全保驾护航；其次，桥区船舶防撞偏航预警应用系统采用精准可靠的航标、AIS及视频分析技术。其具有覆盖区域大、监控目标多、监测速度快，不受环境及气候因素影响等特点；具有航标划定通航范围、AIS自动跟踪移动目标与视频自动联动监控目标的多重功能，适用于桥墩防撞预警、水上安全防范和救助、航道航标养护等，为大桥通航安全提供强有力的技术保障与支持。

2.融合防撞偏航预警系统

2.1 系统建设的必要性

2.1.1 加强航道通航水域综合治理的需要

（1）航道航标智能电子围栏系统的建设，利用了物联网、北斗卫星定位、视频AI、AIS船舶识别、VHF语音告警通知、云计算等高端技术，建设GIS平台，用图像识别深度运用、视频追踪联动技术、智能识别技术、视频AR技术，实现对全流域水位及通航净高预测分析，提高水域监管力度，保障水上交通安全。

（2）充分利用现有信息资源，基于船舶AIS动态轨迹数据、进出港数据、采集的视频数据、VHF语音告警通知、水文气象等数据，利用大数据分析平台，结合机器学习工具和算法，深度挖掘船舶运行规律以及载运规律等，准确获取水位异常信息、跟踪重点船舶，提高水位信息监管能力及搜查救援能力和效率，做到通航水域的智能监管，营造良好的水上、海上环境。

2.1.2 提升营商环境，服务经济社会发展的需要

（1）通过共享数据应用对业务决策的支持大力推动数据共享和交换，促使管理部门、地方海事、地方航道部门之间持续共享，实现信息的互联互通，及时、准确获取数据，多角度、全方位的看问题和进行决策，从而制订更科学更有效的方针政策。

（2）提升通航水域安全水平，有利于本地水运经济的可持续发展，大量货运必经航道输送。只有重点关注并切实提升辖区水域的通航安全水平，确保公路和水路运输的安全通畅，才能更加有利于营造相关区域良好的宜居和营商环境。

（3）采集违反通航秩序行为。提前发现违规行为，提高水上安全服务水平。

2.1.3 提高水上应急指挥调度水平的需要

（1）江、海上台风和地质灾害频发，这些自然灾害及其引发的灾害链，特别在极端天气期间，严重威胁人民生命财产安全。有效检测水位异常、现场可视化，对水上应急指挥调度工作是个巨大的挑战，对航道航标智能电子围栏系统的应用有着强烈的实际需求。

（2）航道航标智能电子围栏系统，围绕航道的水域情况，设置在重点水域一线的水位、AIS、视频监控网络，在面对洪水、台风暴潮、城市内涝、用水安全、水生态景观等方面防灾减灾指挥调度可以发挥至关重要的作用。

（3）随着社会的发展和进步，政府部门执法越来越注重对执法过程的全记录和执法证据的保存，其中视频监控设备是重要的辅助手段。而水上视频监控系统以其客观现实的特点，能够为相关单位提供真实直观且强有力的要件支撑，增强了广大群众的认同感，也对完善水上执法发挥了重要作用。

2.2 系统架构设计

依附现有航标设施，加装一套ATL-M检测仪、小型电池组，实现航道1公里范围电子围栏自定义、AIS船舶自动识别单元、VHF远程喊话通知、水位检测、普清视频数据传输、云数据计算分析，便于开展净高数据采集、测试及日常运行维护检测。

本系统采用上/下游航标及AIS为核心，构成航标定位+船舶自动识别单元+视频全天候电子围栏防撞预警系统，覆盖桥梁上、下游水域范围，实现水域桥梁防撞功能。

电子围栏运用卫星定位原理，对覆盖区域进行信号接收，ATL-M检测仪可实现流域覆盖，AIS单台设备可覆盖区域20公里范围接收面积。当运动船只进入到AIS接收范围时，AIS船舶自动识别单元将接收到的信息通过通信网络发送到后台控制中心，船只进入桥区范围，电子围栏匹配航道ATL-M检测仪数据，比对AIS接收数据，通过数学模型解算出目标的位置、距离、方位、速度等信息，将目标在卫星地图上实时显示其运动轨迹，同时，前端摄像机自动联动跟踪运动船只进行抓拍和近景识别，系统自动联动报警设备发出声光报警。

2.3 系统提醒设计

系统采用设定多重电子围栏区域的方式进行提醒和预警。当桥梁的AIS探测到进入桥区设定范围船舶目标后，系统对船舶进行跟踪监测，云平台匹配航标定位计算船舶的实时位置、坐标经纬度、航行方向、与当前设备距离、与桥梁距离、当前船舶速度等，根据船舶在区域中的位置、行驶路线、速度等发出提醒及通知。

当船舶进入电子围栏设定的预警区域时，系统将根据获取船舶的长宽高、航行节数、航向等，判断船舶的危险程度，对可能发生的危险目标发出预警，避免事故的发生。

2.4 系统硬件设备

该系统构成的核心设备主要包含：ATL-M检测仪、AIS船舶自动识别单元、VHF远程喊话通知、水位检测、普清视频数据传输、云数据计算分析、物联网传输模组、高速智能摄像机、控制管理系统、辅助照明设备等。

（1）通过ATL-M，可以设置电子围栏区域，获取过往船舶信息，计算船舶航迹向，预测是否偏航；实时播报1公里范围内水域通航净高；实时获取水位涨、降幅信息；实时采集到各个设备在线状态以及供电状态，若发生设备离线等的情况，现场可以通过在线检测模块用数据专线的方式对运维服务单位及航道事务中心进行告警提醒，并及时修复；在系统中显示通航净高数据，同时能针对异常数据进行系统提醒；划定有效航行电子围栏区域，对闯入目标监测并同步控制管理系统；

（2）AIS船舶自动识别单元全天候对河流水面船只等运动目标进行实时探测与跟踪，标绘其运动轨迹，判定其威胁程度，对目标进行跟踪和识别。

（3）高速智能摄像机实施24小时不间断录像，对航标周边及码头、禁航区、禁停区进行监视、监管，防止航标设施被破坏并把录像保存在本地及后台服务器端；

（4）云计算分析，判断是否有黑名单船舶、超速船舶进入监管区，并实时上报后台，实现非现场智能化监管；通过云平台存储各类型监测数据，并保障各类数据的存储安全，服务器具有足够大的存储容量来保障未来长时间的数据存储储备；

（5）建立中山航道事务中心辖区所有已安装净高显示设备的桥梁净高显示管理系统，实现中山航道事务中心对辖区航道所有净高显示设备、数据（含视频数据）的同一系统管理，并满足中山航道事务中心综合业务管理平台的数据兼容和对接。

2.5 系统管理平台的功能描述

（1）通航净高故障监测预警系统软件由界面程序、后台服务程序两部分组成，主要功能是接收、显示、保存、查询、显示屏远程开关控制、打印故障信息，同一桥梁上下游显示屏数据显示不一致时自动关屏功能；

多年来，我们的教育似乎只重视“成功教育”而忽略了“苦难教育”，当代大学生似乎只有从爷爷奶奶那里才能听到一点“过去的故事”。独生子女们对衣来伸手、饭来张口的生活习以为常。针对当前大学生生存能力普遍较差的特点，高校必须加强对大学生的自身能力训练，磨炼其意志，提高其生存能力和动手能力。可以把大学生带出去，通过做社会志愿者，去西部山区支教等方式，让其真正体会到生活的艰辛和社会的多样化。还可以组织大学生参加拓展活动，提升生存能力，培养团队精神。

（2）备份数据及日、月、年度运维服务及故障报表统计功能；

（3）提供通航净高故障管理系统，能够对所管辖区桥梁净高设施进行统一管理；

（4）网页服务器功能，为用户浏览运行状态、查询、统计提供服务；

（5）大数据统计功能；

（6）电子围栏区域自定义功能；

（7）黑名单功能；

（8）为其他应用提供数据接口；

（9）APP端及微信端多终端预警及视频查看功能；

（10）自动水尺数据回传后净高数据的后台测算功能；

（11）在航标周边1公里范围设置报告线，形成根据风电场形状形成的包围线，船舶进入设置区域后，系统启动提醒警示功能，对船舶发送甚高频（VHF）语音广播信息提醒船舶禁止违规作业并避开航行。

2.6 系统功能实现

2.6.1 分层架构设计

传感器层：IP化VHF系统，维护方便，降低成本；采用高清CCTV，具备出色的编码性能、专业图像处理及智能分析算法。采用AIS设备获取船舶的航行动态。

网络层：通过互联网、移动通信网络、光纤专网、微波网等多种网络进行数据交互，采用出色的数据编码技术，可有效降低网络带宽。

平台层和数据层：采用虚拟化技术，多重冗余设计，具备安全可靠、维护方便、可扩展性良好等优点。数据存储管理技术：Oracle进行结构化数据管理、专用流媒体管理服务、memcach内存数据库、JStorm流数据处理。

展现层：采用SOA面向服务技术，基于WebServer 架构，支持web、PC等多端访问；提供软件api接口和标准硬件接口，可以快速与第三方系统互联互通。

3.结语

本文通过对当前桥梁碰撞问题的原因分析，按照实际需求构建了一整套基于融合航标、AIS与智能视频分析技术的船舶偏航预警应用系统，文中列出了系统的具体解决方案；通过设备及云技术结合分析的方式，从多角度监控预警体系，实现针对目标船舶实时、精准与有效的监测提醒。该方案的提出与实施可以为船舶偏航导致的碰撞桥梁问题提供可行高效的解决途径，融合航标、AIS与视频分析的电子围栏系统的建立能检测航运船舶流量以及维护航标设施提供依据和保障，具有很好的推广应用价值。