渡口水域安全監管技術研究

文捷+耿雄飛

摘 要：隨著內河水運發展，渡口水域安全監管問題日益凸顯，本項目通過對現有船舶安全監管技術進行比較分析，利用遠紅外視頻監控技術和AIS落水人員示位標、渡口船舶指揮調度一體機等技術和設備，實現了針對特定水域高精度、主動探測的船舶動態監管系統，該系統遠近結合、動靜匹配，能夠全面保障渡口水域的水上交通安全。

關鍵詞：渡口監管；目標識別；遠紅外；落水人員示位標

中圖分類號：U696 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2016）10-0040-02

1 引言

近幾年來，內河水運發展情況良好，水運在綜合運輸體系中的地位和作用逐步增強，港口吞吐量持續增長。隨著水路運輸的發展，安全監管問題也成為了需要重點解決的問題。2012年8月16日凌晨1點40分，馬和輪渡104號在由馬鞍山開往和縣途中，整船瞬間從江面沉入洶涌的長江中，導致21人落水，由于天黑搜救困難，僅9人被救，12人失蹤。以長江為例，僅2011年長江全線共開展救助行動200起，涉及遇險人員3534人，引起了廣泛的社會關注。

目前我國針對渡口水域水上安全監管能力仍然非常薄弱，特別是對于部分公益性渡口渡船的安全投入缺口較大，部分地區對渡口設施保護不足，渡口基礎設施損毀現象嚴重。部分渡運從業人員安全意識淡薄，沿淮地區汽車渡口安全隱患突出。

2 安全監管技術現狀及存在的問題

目前，世界主要海洋強國，已形成完善的落水人員海空立體搜救應急保障體系，其海上搜救具有高時效性和準確性，主要體現在三個方面：一是先進的落水人員搜救定位終端，二是可靠的落水目標追蹤系統，三是便捷的調度指揮系統。

相對于海上安全管理來說，渡口水域安全監管制度落后，渡口安全管理受制于客觀條件，很難實現信息化救生衣的全面配布的規范穿著，有效搜救時間較短，因此迅速鎖定落水人員位置、快速調度周邊船只是亟需解決的問題。

未來的渡口搜救應急系統應該包括如下要素：首先可以快速地指出遇險目標的位置，以提高搜救的時效性和準確性，極大地挽救人員生命和財產安全。同時，由于人工智能技術的發展，搜救應急系統將更加智能化，可以計算最合適的搜救范圍，自我確定合適的搜救決策措施等。

針對以上目標，通過對主要船舶動態監管手段（表1）進行對比分析發現，基于北斗的船舶動態監控系統的監控范圍較大，且不需要岸基基站的通信傳輸支持；VTS系統和視頻監控系統則屬于主動式信息獲取，不需要船舶配合；視頻監控系統的建設難度最小，AIS系統已經建設完成，只需要對數據進行有效利用便可以實現區域監管。

綜合分析渡口水域的實際情況，船舶動態監管系統應當同時具備主動探測和遠程監管的能力。單純依靠某一項技術無法實現全面的監管，因此，項目組通過分析比選，對現有技術進行集成，提出了一套能夠有效實現特定水域高精度、主動探測的船舶動態監管系統，該系統遠近結合、動靜匹配、先進實用，能夠全面保障渡口水域的水上交通安全。

3 渡口安全監管技術研究

本項目通過對現有船舶監管技術進行綜合分析，旨在打造一套有效實現特定水域高精度、主動探測的船舶動態監管系統，通過采用遠紅外視頻監控技術及AIS技術，來對渡口水域進行綜合監管。研究主要包括兩部分，第一部分是基于遠紅外熱成像的落水人員檢測系統，第二部分是基于AIS的渡口船舶指揮平臺。

3.1 落水人員檢測系統

現代水上航運的繁榮，對內河航運過程中人員落水搜救提出了更高要求。落水人員的搜救是一個技術性很強的系統工程，落水人員的搜救系統主要由落水人員的視覺定位系統組成，通過定位能在接到求救信號后第一時間定位到落水人員盡可能準確的位置，縮小搜救范圍。

根據以上需求，系統既要能夠在數字圖像中識別人體目標，又要識別、監測落水人員的具體位置和速度等情況，同時還要能夠對區域中多個人員目標進行跟蹤和統計。

針對上述要求，首先系統基于數字圖像，進行人員目標的特征提取，系統采用目前能夠描述邊沿和局部形狀信息的最好特征提取方法之一的HOG特征，以及采用簡單而有效的紋理描述符LBP，該方法具有很高的區分度，而且對于光照強度也不敏感。通過將上述兩者結合起來從而共同完成人體目標的特征提取，最后利用積分直方圖來計算加速HOG-SLBP特征提取。在分類器方面，采用弱分類器級聯成強分類器的方法，每個特征向量可以使用快速差值核支持向量得到一個弱分類器，然后通過具有區分度的弱分類器來級聯成為強分類器。

通過人員目標識別技術可以準確識別圖像中的人員目標信息，然后系統將對監視水域進行遠紅外小角度掠射式掃描成像，通過快速透視變換和自適應圖像拼接，還原出水域平面的正投影圖像；利用掃描成像方式擴展有效工作區域，提高橫向分辨率，同時采用雙遠紅外攝像機交叉成像方式細分單像素分辨面域，可大大提高圖像遠端的徑向分辨率；利用遠紅外數字圖像亞像素定位的快速算法，可實現目標的自動識別、定位、跟蹤與測量。

系統采用了遠紅外熱成像技術，遠紅外熱像攝像機可接收到船體自身熱輻射的能量，因此可在全黑的環境下工作。所選擇的工作波段應覆蓋“大氣窗口”，具有很強的穿透能力，各種惡劣天氣對其工作基本上沒有影響，且其能夠在夜間、霧天及雨雪等惡劣氣候中正常工作，當發現人員落水時，及時用強烈的音響、燈光等信號向落水人員和管理者報警。

系統主要由遠紅外攝像機2臺組成，對渡口水域進行監視，并與中控電腦連接。同時數據實時通過無線模塊發射到指定位置，可以隨時調用數據查看，總體效果如圖1所示。

3.2 搜救船舶指揮平臺

針對于渡口區域，在擁有了基于遠紅外熱成像的落水人員檢測系統，能夠在第一時間監控落水人員狀況，但是一旦脫離了視頻監控范圍，遠紅外的作用效果將很難發揮出來。針對水上搜救實時性和可靠性要求高的特點，本項目研究開發了搜救船舶指揮平臺。

整體搜救指揮系統由渡口船舶調度指揮一體機、渡口船舶調度指揮軟件和AIS落水人員示位標構成。當人員落水時，AIS落水人員示位標立即發出AIS報文，實時定位遇險位置；渡口船舶調度指揮一體機接收AIS落水人員示位標的預警信息，制定搜救計劃、調派搜救力量、監控搜救任務的執行。

3.2.1 渡口船舶調度指揮一體機

渡口船舶調度指揮一體機，是針對水上搜救實時性和可靠性要求高的特點，通過集成AIS接收機、便攜式鞭狀天線、鋰電池、計算機主板、CPU、內存、硬盤、顯示器等硬件設備；渡口船舶調度指揮一體機不需要網絡支持，能夠隨時開展船舶調度指揮。

3.2.2 渡口船舶調度指揮軟件

渡口船舶調度指揮軟件包括船舶動態顯示、渡線區域監控、渡船歷史軌跡回放、渡口統計分析等應用軟件模塊；這些軟件模塊可以在離線版的GIS平臺上進行應用。

3.2.3 AIS落水人員示位標

AIS落水人員示位標一種基于通用船舶自動識別系統，適用于落水者隨身攜帶和可以連續使用72小時的AIS定位顯示終端。當佩有該救生設備的人員落水后，遇水開關可自動觸發設備發出求救信息，自漂浮結構可保證該設備始終保持垂直漂浮狀態。

4 總結

本課題針對渡口水域安全監管與搜救問題開展研究工作，通過利用基于遠紅外熱成像的落水人員監控系統采用了遠紅外熱成像技術，能夠在夜間、霧天及雨雪等惡劣氣候中能夠快速識別數字圖像中的的人體目標，并確定其具體的空間位置。通過船舶調度指揮一體機、渡口船舶調度指揮軟件和AIS落水人員示位標，實現了基于GIS的渡口船舶調度指揮平臺。兩套系統能夠形成有效的互補，遠紅外視頻監控技術能夠在人員第一時間感知到落水人員位置，并發出報警信息；船舶調度指揮平臺，能夠在落水水域，根據AIS落水人員示位標所標注的位置，開展搜救工作。通過以上研究工作，針對渡口安全監管問題，提出了一套可行的技術方案，在后續工作中可以深化研究，從而有效促進渡口水域的安全監管。

項目支持：國家科技支撐計劃課題“基于自動識別（AIS）技術的個人海上搜救系統的研制”（2014BAK12B06）