摘要：本文阐述了采用输电海缆安全运行综合监控系统实现输电海缆保护区内船舶动态监管的必要性、技术创新点、解决方案和实际应用案例。
关键词：雷达；AIS；GIS；电子海图
输电海缆的敷设多会穿越锚地、国际航道和渔业作业区，过往船舶的抛锚、拖锚及渔业撒网等活动是导致输电海缆损坏的一项主要原因。而每根海缆损坏的直接经济损失都高达几千万人民币，并且会严重影响到岛屿居民及工厂的用电需求，由此带来的间接经济损失更是不可估量。
本文分析了当前船舶监管中所广泛采用的雷达监控系统、AIS船舶自动识别系统优缺点，阐述了为维护输电海缆的安全运行，综合利用雷达、AIS等多种监控技术手段并结合远程语音、海缆警示标志、光电扰动报警等技术实现输电海缆保护区内船舶动态监管的必要性，介绍了输电海缆安全运行综合监控系统的技术创新点、解决方案及实际应用案例。
1、几种船舶动态监控手段及其特点
目前在涉水行业中为实现船舶动态监控常采用的两个系统分别为：
雷达监控系统：雷达监控系统通过雷达扫描主动对雷达所覆盖区域的船舶位置和航行状况进行侦测。它的优点是可以实现覆盖水域船舶的主动侦测，获取船舶的位置、航速和航向信息，且刷新速度快；缺点是无法获取船舶的静态信息，如船名、呼号，且雷达信号存在盲区。
船舶自动识别系统：船舶自动识别系统是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。AIS系统通过安装在船上的AIS船台发出船舶的当前位置、航速、航向等动态信息和船名、呼号等静态信息，由岸基AIS台站接收船舶发出的AIS信息，以实现对AIS船舶的跟踪。它的优点是全国沿海已经全部覆盖了AIS岸台，AIS船舶发出的信息较全，且不需人工标示，覆盖范围广。缺点是被动接收信号，只有安装AIS船台的船舶才能被监控，且受通信网络和是否开机的影响。
2、技术创新点
2.1、雷达目标录取跟踪技术
雷达监控系统是将雷达扫描出的模拟视频信号输出后进行数字化，并对数字化后的雷达视频进行点迹提取，进而实现船舶目标的跟踪。目标跟踪处理的两个基本问题是：不同环境下的点迹与点迹相关、点迹与航迹相关，以及运动目标航迹的滤波与预测。
点迹与点迹相关是对于那些没有与杂波点、可靠航迹关联上的点迹，采用滑窗法构成航迹自动起始逻辑，通过门限检测判断是否建立暂时航迹；点迹与航迹相关是把噪声化观测与航迹预测相结合，以产生经过平滑和修正后的航迹估计值。点迹与航迹的关联通过跟踪滤波器实现。
根据船舶航行的运动特点采用常速度模型作为运动目标的数学模型，并采用卡尔曼滤波器作为跟踪滤波器，根据雷达测量值实时估计当前的目标位置、速度等运动参数，并推算出下一次观察时目标位置的预测值以检验下一次观测值的合理性。
在常速度模型里，目标运动的一维数学模型可描述为目标以恒速运动，目标的状态向量包含位置 和速度 两个分量。在实际过程中，目标的加速度 特征假设为：具有零均值和事宜方差的高斯分布平稳随机变量，而某一时刻的加速度与其他时刻的加速度无关。
2.2、目标数据融合技术
目标数据融合技术包括雷达目标数据、视频分析目标数据与AIS目标数据的融合。同一个移动目标来自于雷达的跟踪数据、视频分析的跟踪数据和AIS系统的位置数据由于扫描时刻的不同会有所不同。
数据融合处理算法根据一组雷达目标点迹的经纬度选出其附近的所有AIS目标数据，将这些数据逐一与这组雷达目标进行比对，比对的内容包括航向、航速和历史航迹拟合，当至少一次对比结果在运动模型上达到一组雷达目标点迹与一组AIS目标点迹都相近时，则对雷达目标和AIS目标进行融合。
3、输电海缆安全运行综合监控系统解决方案
系统采用先进的插件式架构，具有很强的定制开发能力，每个功能都是由一个功能插件来实现，便于修改和扩展，这样就可以通过定制开发新的功能插件满足电力行业不断发展变化的应用需求。如下图1所示：
系统主要分为六大功能模块：雷达侦测、视频分析、GIS、实时监管、查询统计和数据接入整合。
雷达侦测功能模块主要实现雷达目标的录取跟踪、雷达目标数据与AIS系统数据及视频分析目标数据的融合、雷达原始视频数据与电子海图数据的叠加显示。该模块可以接入标准雷达设备的模拟信号，经数字化后通过数字图像处理技术对雷达视频图像中的移动目标进行录取跟踪，识别出有效的船舶目标，并计算出船舶目标的经纬度、航向和航速信息；通过与AIS系统数据的融合技术引入船舶目标的船名、呼号等静态信息，所有的船舶动静态信息叠加显示在电子海图之上，即实现了对雷达覆盖水域船舶的主动侦测；同时通过雷达原始视频数据与电子海图数据的叠加显示技术还可以及时发现未被系统识别出的移动目标，及时做出人干预处理。
图1：系统架构图
视频分析功能模块通过对连续帧的视频画面进行智能分析，提取船舶轮廓信息，并根据所提取船舶在视频画面上的像素变化解算出船舶的航迹位置，最后根据船舶的位置变化情况计算出船舶的航行速度，由此判断船舶是否有停泊的倾向。
GIS功能模块即为系统的基础地理信息系统平台，采用了高速动态目标绘制技术和专业的电子海图/地图渲染技术，专门为电子海图应用和移动目标监控而设计，可以在同时监管10000个移动目标的情况下无任何闪烁和延迟。该平台实现了电子海图和电子地图的混合显示和无缝拼接，支持S-57数据格式、S-52显示标准的电子海图数据和shp、tab等公开格式的电子地图数据；该平台在实现了电子海图/地图可视化显示及缩放、查询等操作功能的同时，还支持强大的地理信息要素标绘功能，包括了点、线、面的要素标绘，标绘的显示样式可以采用与S-52显示标准完全相同的符号以保持显示效果的一致性，也可采用用户自定义的符号以突出显示。
实时监管功能模块主要实现船舶威胁的实时判断、处理、报警及CCTV电视监控系统的功能。除了支持常规的电视监控系统功能即人工控制摄像机指向重点区域之外，该模块还可以接入雷达侦测模块、视频分析模块或数据接入整合模块提供的船舶位置信息和航速航向信息，通过相关的智能控制单元和联动追踪算法，准确控制云台镜头的运动，使云台、摄像机、镜头能根据船舶的经纬度信息、航速和航向始终准确的对准行进中的船舶，实现船舶的自动跟踪。通过CCTV联动追动功能可以实现对重点船舶的全程监控，为海缆安全管理提供了一种非常实用且有效的监管手段。
查询统计功能模块实现系统自身的数据或接入的外部业务系统数据的查询和统计，查询统计结果既可在电子海图上以专题地图的形式展示，也可以传统的表格、直方图或饼状图方式展示。
数据接入整合功能模块是系统的通信后台，可实现雷达、AIS、CCTV、海缆警示标志、光电扰动报警等数据的接入、分类、记录和转发及其他业务系统数据的接入和整合。
4、输电海缆安全运行综合监控系统应用实例
该解决方案已于2012年8月应用于江门电力局输电海缆运行的安全监控工作中，该系统全方位探测海缆保护区周围的危险源，实现雷达、AIS、CCTV、光电感应等技术在海缆监控领域的大融合，开创了电力行业应用先河。同时，通过一套平台可以实现对岛屿地区所有海底电缆的监控，降低了海缆监管、保护工作的劳动强度，提高了管理的工作效率。
参考文献：
[1]林长川 《雷达与AIS目标位置信息融合方法的研究》
[2]吴建华 《现代导航信息系统》
[3]冈萨雷斯 《数字图像处理》
[4]中国海事局 《中国海区AIS岸基网络系统信息播发规范》
[5]北京视酷伟业科技有限公司 《雷达/AIS与CCTV联动船舶自动跟踪系统》
论文作者:黄耀升,陈剑平
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/18
标签：船舶论文; 目标论文; 数据论文; 航迹论文; 海图论文; 系统论文; 监控系统论文; 《电力设备》2017年第24期论文;