水域安全監控一體化系統解決方案

第11卷第12期中國水運Vol.12No.11

2011年12月ChinaWaterTransportDecember2011

水域安全監控一體化系統解決方案

楊光偉

（北京視酷偉業科技有限公司，北京100101）

摘要：文中闡述了在水域安全監控中綜合利用雷達、AIS、CCTV等多種監控手段實現船舶動態監管的必要性，

一體化監控系統解決方案和實際應用案例。

關鍵詞：雷達；AIS；CCTV；GIS；電子海圖

中圖分類號：TP273.5文獻標識碼：A文章編號：1006-7973（2011）12-0095-03

目前在海事、航道、電力、石油、港口、漁業、邊防、救通安全管理，提高水上現場監管和應急搜救指揮能力，建立以

撈等水運相關行業都會需要對水域中航行的船舶動態進行實視頻攝錄為信息采集手段，計算機為數據處理終端，依托水運

時監控。例如：在海事行業應用中需要有效監控全國重點水域單位內部信息網絡為主要傳輸通道的數字電視監控系統。

的水上交通現場態勢和現場船舶動態，保障水上交通安全；在CCTV系統是一個直觀的現場監管手段，可以通過CCTV系

電力行業應用中需要監視海底電纜保護區內船舶的運動狀態，統直接了解現場船舶的航行狀況和船舶類型等信息。它的優點

避免過往船舶的拋錨、拖錨及漁業等活動導致海底電纜損壞；是可以對現場情況一目了然，缺點是監控距離比較短，而且除

在石油行業應用中需要監視海上油田作業平臺附近區域的船了有可能拍攝到船名以外，無法獲取準確的船舶動靜態信息。

舶運動狀態，避免船舶碰撞導致作業平臺結構損壞。以上系統相互獨立，各自在水運相關行業的船舶監控中

本文分析了當前水運相關行業在船舶監管中所采用的雷發揮著重要作用。但各個系統在獨立運行的過程中由于其固

達監控系統、船舶自動識別系統（AIS）和CCTV電視監控有的缺點已經無法滿足快速發展的中國水運部門對船舶動態

系統的優缺點，闡述了在水域安全監控中綜合利用雷達、AIS、監管越來越高的要求。多種船舶動態監管手段的整合已經提

CCTV等多種監控手段實現船舶動態監管的必要性，介紹了到日程上面來了。例如在海事行業中，VTS系統和AIS系統

水域安全監控一體化系統解決方案及實際應用案例。在近幾年的招標過程中已經明確提出要求實現VTS船舶信

一、幾種水域安全監控手段及其特點號和AIS船舶信號的自動融合、CCTV與VTS和AIS的聯

目前在水運相關行業中為實現船舶動態監控常采用的幾動控制實現船舶的自動跟蹤；在電力行業中，輸電海纜安全

個系統分別為：運行監控系統在最近的招標過程中也已經提出了綜合利用雷

雷達監控系統：雷達監控系統是采用雷達技術對船舶的達、AIS、CCTV等多種船舶動態監管手段。

航行狀況進行高效、準確地監管，是我國港口船舶管理中主水域安全監控一體化系統整合了雷達監控系統、AIS船

要使用的一種技術手段。雷達監控系統通過雷達掃描主動對舶自動識別系統、CCTV電視監控系統等多系統的綜合應用，

雷達所覆蓋區域的船舶位置和航行狀況進行偵測。它的優點彌補了單一系統的不足，實現了各個系統的優勢互補，這樣

是可以實現覆蓋水域船舶的主動偵測，獲取船舶的位置、航就有效保證了對水域內航行船舶全方位、全天候、無盲區、

速和航向信息，且刷新速度快；缺點是無法獲取船舶的靜態無漏洞的動態監管。

信息，如船名、呼號，且雷達信號存在盲區。二、技術難點

船舶自動識別系統：船舶自動識別系統（Automatic1．雷達目標錄取跟蹤技術

IdentificationSystem，簡稱AIS系統）是目前最為常用雷達監控系統是將雷達掃描出的模擬視頻信號輸出后進

的船舶動態監管手段，由岸基（基站）設施和船載設備共同行數字化，并對數字化后的雷達視頻進行點跡提取，進而實現

組成，是一種新型的集網絡技術、現代通訊技術、計算機技移動船舶的目標跟蹤。由于雷達數據本身是由信號和噪聲組

術、電子信息顯示技術為一體的數字助航系統和設備。AIS成，兩者是矛盾體，理論上不存在將兩者完美分離的方法，即

系統通過安裝在船上的AIS船臺發出船舶的相關位置、航速、如果過度的抑止噪聲則可能損失信號、過度的保留信號則會殘

航向等動態信息和船名、呼號等船舶靜態信息，由岸基AIS留噪聲，因此，雷達目標錄取跟蹤的結果并不是100％準確的。

臺站接收船舶的AIS信息，實現對AIS船舶的跟蹤。它的優這就需要采用有效的跟蹤濾波技術最大限度的提高雷達

點是全國沿海已經全部覆蓋了AIS岸臺，AIS船舶發出的信目標錄取跟蹤的準確度。跟蹤濾波技術根據雷達測量值實時

息較全，包含了動態信息和靜態信息，且不需人工標示，覆估計當前的目標位置、速度等運動參數并推算出下一次觀察

蓋范圍廣。缺點是被動接收信號，且只有安裝有AIS船臺的時目標位置的預測值以檢驗下一次觀測值的合理性，常用的

船舶才能被監控，且受通信網絡和是否開機的影響。跟蹤濾波器包括α-β濾波器、維納濾波器和卡爾曼濾波器。其

視頻監控系統：視頻監控系統（CCTV）是為加強水上交中卡爾曼濾波器中除裝有穩定的目標軌跡模型外，還包括測

收稿日期：2011-10-15

作者簡介：楊光偉，北京視酷偉業科技有限公司副總經理。

96中國水運第11卷

量誤差模型和目標軌跡的隨機抖動模型，可以對時變和非時插件式架構是現今非常先進和流行的系統架構模式，特

變的目標動態系統作出最佳路線、最小方差的無偏估計。除別適用于需處理多種類型數據的應用環境。通過這種架構，

目標狀態估計外，卡爾曼濾波器還能估計狀態估值的誤差協可以使接入其他應用系統的信息源變得非常簡單，只需要做

方差矩陣，利用狀態估值的誤差協方差矩陣可以檢測目標機數據解析部分即可，數據的處理流程由框架去完成。并且用

動，調整濾波系數，實現對機動目標的自適應濾波。戶可以依靠用戶界面規劃數據處理的流程，而不是以往的修

2．雷達、AIS與CCTV聯動技術改大量軟件代碼。而采用WebService和Socket雙軌制的

雷達或AIS系統為我們提供了船舶的相關位置信息和航網絡通信方式又可以在更好的利用網絡帶寬資源的同時盡量

速航向信息，CCTV系統為我們提供了現場視頻圖像。雷達、回避防火墻問題。

AIS與CCTV聯動技術是要能準確控制云臺鏡頭的運動，使三、水域安全監控一體化系統解決方案

云臺、攝像機、鏡頭能根據船舶的經緯度信息和航速、航向水域安全監控一體化系統的主要功能模塊構成圖如下圖

信息始終準確的對準行進中的船舶。在電視監控系統中通常1所示。系統采用先進的插件式架構，具有很強的定制開發

采用的云臺為直流、模擬控制云臺，要實現其準確定位需要能力，每個功能都是由一個功能插件來實現，便于修改和擴

開發一個智能控制單元，以及相應的聯動追蹤算法。展，這樣就可以通過定制開發新的功能插件滿足水運及相關

通過雷達/AIS系統獲取被跟蹤監控船舶的動態信息（主行業不斷發展變化的應用需求。

要為船舶的經緯度坐標位置信息和航速、航向信息），CCTV

監控點系統信息（主要為監控點經緯度坐標的位置信息），通

過雷達/AIS與CCTV聯動追蹤算法組件，反饋給智能控制

單元，由智能控制單元來驅動云臺與鏡頭準確動作，通過自

動選取的最合適的攝像機實現CCTV對被監控船舶的跟蹤監

控。當船舶駛離該攝像機的監控范圍時，追蹤算法組會根據

船舶的經緯度位置，自動選取下一個最合適的攝像機使其對

目標船舶進行接力跟蹤監控。

3．目標數據融合技術圖1系統功能模塊構成

目標數據融合技術包括多個雷達目標數據的融合和雷達系統主要分為五大功能模塊：雷達偵測、GIS、實時監

與AIS目標數據的融合。對于同一個移動目標，當它同時處管、查詢統計和數據接入整合。

于多臺雷達設備的掃描區域時，來自于不同雷達的跟蹤數據雷達偵測功能模塊主要實現雷達監控系統的功能，同時

由于掃描時刻的不同對該目標會有不同的錄取跟蹤結果，即整合了AIS船舶自動識別系統的功能，主要包括雷達目標數

不同的經緯度、航速和航向數據。同理，同一個移動目標來據與AIS系統數據的融合、雷達原始視頻數據與電子海圖數

自于雷達的跟蹤數據和來自于AIS系統的位置數據也會有所據的疊加顯示。該模塊可以接入標準的岸基雷達設備如丹麥

不同。為了保證系統不會由于數據來源的不同將同一個移動TERMAA/S公司的SCANTER2001系列產品的輸出的模

目標錯誤的識別為多個不同的移動目標，這就需要實現多個擬信號，經數字化后通過數字圖像處理技術對雷達視頻圖像

雷達目標數據的融合和雷達與AIS目標數據的融合。中的移動目標進行錄取跟蹤，識別出有效的船舶目標，并計

多個雷達的錄取跟蹤模塊所在計算機需要跟GPS時間算出船舶目標的經緯度、航向和航速信息。再通過與AIS系

服務器進行時間同步，在實現時間同步后，每條目標跟蹤數統數據的融合技術引入船舶目標的船名、呼號等靜態信息，

據都可以打上一個GPS時間戳。來自不同雷達的跟蹤數據在所有的船舶動靜態信息疊加顯示在電子海圖之上，即實現了

多次比較經緯度位置與GPS時間戳都比較相近的情況下，就對雷達覆蓋水域船舶的主動偵測。同時通過雷達原始視頻數

自動進行融合。據與電子海圖數據的疊加顯示技術還可以及時發現未被系統

對于AIS數據，每條AIS目標數據中都帶有GPS時間中識別出的移動目標，及時做出人干預處理。

的秒時間戳（一個0到59的數，代表GPS時間中的秒），只GIS功能模塊即為系統的基礎地理信息系統平臺，采用

要從AIS目標發出信號到系統接收到這個信號之間的延遲不了高速動態目標繪制技術和專業的電子海圖/地圖渲染技術，

超過1min，我們就可以為這個AIS數據補齊年、月、日、時、專門為電子海圖應用和移動目標監控而設計，可以在同時監

分等時間戳信息。補足GPS時間戳信息后，AIS目標與雷達管10000個移動目標的情況下無任何閃爍和延遲。該平臺實

目標的融合就和多雷達目標間的融合算法沒有什么差別。現了電子海圖和電子地圖的混合顯示和無縫拼接，支持S-57

4．其他信息系統數據的接入整合技術數據格式、S-52顯示標準的電子海圖數據和shp、tab等公

在信息化的過程中，如果沒有很好的開放性，就會形成開格式的電子地圖數據；該平臺在實現了電子海圖/地圖可視

信息孤島。因此系統設計上應遵循開放性原則，具有與其他化顯示及縮放、查詢等操作功能的同時，還支持強大的地理

信息系統（業務系統、遙測遙控系統等）進行數據交換和數信息要素標繪功能，包括了點、線、面的要素標繪，標繪的

據共享的能力。并且在接入數據后，要對這些數據使用種類顯示樣式可以采用與S-52顯示標準完全相同的符號以保持

繁多的應用功能，如果不采用先進的系統架構，將難免陷入顯示效果的一致性，也可采用用戶自定義的符號以突出顯示。

系統難以擴展或BUG循環的困境。實時監管功能模塊主要實現CCTV（下轉第98頁）

98中國水運第11卷

變化。其中前兩種變化可以由聲壓調制因素產生，第三部分涉儀進行光程匹配，使得在某一時刻陣列中只有一個干涉儀

則構成系統的光相位噪聲。與匹配干涉儀串聯滿足相干條件。典型的相干多路復用結構

一般光纖水聽器探頭都經過增敏處理。最簡單的增敏方如圖2所示：

法是將干涉儀的傳感臂纏繞在一個聲壓彈性體上，這樣聲壓

變化時，彈性體隨聲壓受迫振動，傳感光纖長度被調制，這

樣聲壓對光纖水聽器的調制主要表現為光纖軸向長度的調

制。經過理論分析，這種光纖軸向長度的變化與聲壓的變化

成正比，于是有：圖2水聽器陣列相干多路復用結構示意圖

Δ≈=kp

2πnlvΔl

s

cl

（4）

其中是比例系數。（4）式說明干涉儀由水聲引起的相

k

位差變化與聲壓變化成正比，該式是干涉型光纖水聽器拾取

聲信號的理論基礎。

2．水聽器陣列的相干多路復用技術

由于單個的水聲探測器遠遠不能滿足實際的軍用與民用

要求，所以人們很早就開始了水聽器陣列技術的研究。現在水

聽器正向著多節點、大監控范圍的方向發展，每個陣列包含上

千個節點，數百km的監控范圍，鑒于水中工作條件的惡劣性，

要求探測系統必須高性能、高可靠性，多路復用技術由于其可

復用性理所當然的被用于這種陣列信號的傳輸之中。

光纖水聽器的相干多路復用是通過遠端光程匹配技術來

實現的。其特點是陣列中的單元光纖水聽器均采用不等臂長

的干涉儀結構，而且各干涉儀的臂長差均不相同，并要求光

源發出光的相干長度小于各干涉儀最小臂長差，使其均不能

滿足相干條件；陣列信號的接收端串聯一個可變臂長的匹配

干涉儀，臂長的調整范圍能涵蓋陣列所有干涉儀的臂長差。

通過調整匹配干涉儀的可調臂長度，分別對陣列中的每個干

（上接第96頁）電視監控系統的功能。除了支持常規的電系統正是滿足這種綜合性強、要求高、節奏快的工作模式的

視監控系統功能即人工控制攝像機指向重點區域之外，該模塊有效解決方案。

還可以接入雷達偵測模塊或數據接入整合模塊提供的船舶位

置信息和航速航向信息，通過相關的智能控制單元和聯動追蹤

算法，準確控制云臺鏡頭的運動，使云臺、攝像機、鏡頭能根

據船舶的經緯度信息、航速和航向始終準確的對準行進中的船

舶。該功能在天津港等多個港口已經得到了實際應用。

查詢統計功能模塊實現系統自身的數據或接入的外部業

務系統數據的查詢和統計，查詢統計結果既可在電子海圖上

展示，也可以傳統的表格、直方圖或餅狀圖方式展示。

數據接入整合功能模塊是系統的通信后臺，除實現雷達、圖2世博會水上交通管控指揮中心

AIS、CCTV、GPS數據的接入、分類、記錄和轉發外，還該系統的應用提升了險情隱患的發現率，降低了工作人

可實現其它遙測遙感系統或業務系統數據的接入和整合。員的勞動強度，使現場管理更加有的放矢，為上海世博會期

四、水域安全監控一體化系統應用實例間的水上交通安保指揮工作提供了“運行高效、反應及時、

該解決方案已成功應用于2010年上海世博會期間的水服務便捷”的技術保障。

上交通安保指揮工作。如圖2所示。上海世博會歷時184d，參考文獻

在此期間不僅有日常通航的船舶，而且各類交通船、旅游船[1]林長川.雷達與AIS目標位置信息融合方法的研究[J].

也大幅增加，水上交通環境復雜多變。為保障世博會期間的[2]吳建華.現代導航信息系統.

水上交通安全，各級水上指揮中心要準確及時的綜合各類信[3]中國海事局.中國海區AIS岸基網絡系統信息播發規范

息，高效的組織各種海事力量進行現場監管、救助和應急指[S].

揮。而以電子海圖平臺為基礎，匯集多種動、靜態信息，并[4]北京視酷偉業科技有限公司.VTS/AIS與CCTV聯動船舶

能根據世博會管控方案進行智能判斷的水域安全監控一體化自動跟蹤系統.

三、結論及展望

本文對光纖水聽器原理極進行了論述，提出了水聽器陣

列相干多路復用結構，為下一步工作的開展提供了理論依據。

拖曳式光纖水聽器陣列是目前海洋目標識別領域非常先

進的現場監測系統，它除在軍事領域之外，在其它領域也有

廣泛的用途，將很大程度上解決我國水聽器長期依賴進口的

狀況，解決我國測試手段單一、設備老化的現狀，將極大地

提高對海洋、江河、湖泊進行現場實時監測的能力，提供出

更為翔實的監測資料，提高監測手段的科學性和時效性，對

我國監測領域具有重大意義。

參考文獻

[1]王惠文等.光纖傳感技術與應用[M].北京：國防工業出版

社，2001.

[2]王照霞，沈鐵東.光纖水聽器頻分多路復用研究[J].聲學與

電子工程，2001（2）：7-11.

[3]殷純永.激光干涉原理[M].天津：天津大學出版社，1999.

[4]中井貞雄，熊纓譯.激光工程原理與應用[M].北京：科學

出版社，2002.

[5]劉繼芳.現代光學[M].西安：電子科技大學出版社，2004.