耙吸挖泥船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

張戟，李夏，錢杰寐

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

0 引言

由于自航耙吸挖泥船的施工特性，船舶分布在國內(nèi)外沿海區(qū)域施工，在安全生產(chǎn)監(jiān)控管理方面存在著監(jiān)控盲區(qū)、無法遠(yuǎn)程實時查看、歷史查看和智能報警等方面問題。另外在有船機設(shè)備發(fā)生故障和施工生產(chǎn)出現(xiàn)問題時，岸基管理人員需要第一時間知曉船舶內(nèi)外環(huán)境情況，以根據(jù)實際情況做出應(yīng)對措施，這就需要一套耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 船舶移動通信技術(shù)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，大型耙吸船可以通過安裝衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)來實現(xiàn)遠(yuǎn)程移動通信，該通信系統(tǒng)比3G/4G網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋范圍更廣，船舶在遠(yuǎn)海施工或者調(diào)遣途中仍然可以與岸基通信。目前采用的船載衛(wèi)星通信鏈路保障帶寬為100 kb/s[1]，基本能滿足船舶疏浚監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸要求，但要實現(xiàn)多路視音頻信號傳輸需解決低帶寬高丟包率條件下的圖像傳輸效率問題，對此，耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)需要整合優(yōu)化現(xiàn)有通信和視頻壓縮傳輸技術(shù)。

1.1 船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

耙吸挖泥船有兩種常用的海上信息傳輸方式：海事衛(wèi)星和岸基移動通信。海事衛(wèi)星具有全球覆蓋、室外天線體積較小、建設(shè)成本較低并且可以傳輸較大數(shù)據(jù)速率的特點，但是海事衛(wèi)星的資費很高，而且由于其傳輸數(shù)據(jù)速率限制在50 kb/s以內(nèi)，難以滿足高清視頻的傳輸，而3G/4G岸基移動通信網(wǎng)絡(luò)不足以覆蓋遠(yuǎn)海。所以建議使用VSAT站和IPSTAR衛(wèi)星通信服務(wù)，上下行帶寬可以達(dá)到100 kb/s左右，且成本較低，覆蓋范圍廣。

在廣闊的海洋上，尤其在公海和海外海域，衛(wèi)星通信成為唯一的高速率信息傳輸途徑。自航耙吸挖泥船在遠(yuǎn)海作業(yè)時，需要將船舶自身的信息回傳給管理中心，并在關(guān)鍵工程的節(jié)點和重要、緊急時刻將船舶上的視頻信號以高清的信號形式回傳到指揮中心，這對船舶的通信帶寬有了更高的要求。目前，自航耙吸船舶使用的船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)很好的解決了船舶“信息孤島”問題，為船舶信息化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.2 船舶VPN網(wǎng)絡(luò)

船舶VPN（Virtual Private Network）網(wǎng)絡(luò)，即“虛擬專用網(wǎng)絡(luò)”，是整個船舶移動通信系統(tǒng)搭載的重要應(yīng)用，同時也是完成視頻流點到點傳輸?shù)谋貍錀l件，簡單地可以把它理解成是虛擬出來的內(nèi)部專線。通過這項技術(shù)可以在Internet上使用特殊的加密的通訊協(xié)議連接位于網(wǎng)絡(luò)上不同地理位置的船舶子網(wǎng)建立一條專有的企業(yè)虛擬廣域網(wǎng)。

船舶VPN主要使用的是基于IPSec方式，這與任何網(wǎng)絡(luò)連接都被接受的一般方式不同，IPsec VPN接收端到端的連接，該通信運行在協(xié)議棧的IP層[2]。對于具有較多相對固定分支機構(gòu)的企業(yè)，可以使用專業(yè)的VPN網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為分支子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)鏈接到總部網(wǎng)關(guān)設(shè)備，這樣隧道鏈路穩(wěn)定性更有保障。

2 船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)

目前主要采用通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、4G（TD-LTE/FDD-LTE）無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及船舶衛(wèi)星通信鏈路來實現(xiàn)船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸。由于前兩種方式對設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)要求較高，成本也相對較高，因此大多耙吸挖泥船使用第三種方式的船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

2.1 系統(tǒng)主要架構(gòu)和功能

基于船載衛(wèi)星通信技術(shù)的耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：船舶本地視頻采集和存儲、高效的視頻壓縮、衛(wèi)星鏈路傳輸、岸端匯集和解壓顯示。整個系統(tǒng)實現(xiàn)的架構(gòu)圖如圖1所示，前端攝像頭采取雙碼流設(shè)置，船舶本地存儲高清視頻，低碼流視頻圖像經(jīng)過壓縮處理再遠(yuǎn)程傳輸。

圖1 耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Safety video monitoring system for trailing suction hopper dredger

因為使用船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為無線傳輸載體，就需要整合優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)來消除傳輸速率低、時延大和高丟包率帶來的圖像失幀和通信阻塞[4]問題。系統(tǒng)通過斷點續(xù)傳、自適應(yīng)擁塞控制和更高的圖像壓縮比等技術(shù)來實現(xiàn)在碼流速率只有30 kb/s時也能清楚流暢地把船舶4CIF（704×576）分辨率監(jiān)控畫面?zhèn)鬏數(shù)桨渡媳O(jiān)控中心，供岸端實時觀看和指揮，并且船上能夠存儲和觀看高清畫面。

系統(tǒng)除了日常的視頻監(jiān)控功能還有關(guān)鍵作業(yè)區(qū)域的智能圖像識別及抓拍功能，可用來加強對違反船舶安全施工行為的監(jiān)管力度。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

因為船舶衛(wèi)星寬帶鏈路有傳輸速率低、時延大及丟包率高等特性，系統(tǒng)的視頻壓縮技術(shù)尤為關(guān)鍵。耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻壓縮技術(shù)采用的是H.265視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，在保留原來某些技術(shù)的同時對一些相關(guān)技術(shù)加以改進(jìn)，改善碼流速率、編碼質(zhì)量、延時和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，從而達(dá)到最優(yōu)化的實施效果。要通過提高視頻傳輸?shù)膲嚎s效率、擼棒性和錯誤恢復(fù)能力來減少實時畫面的時延，還需要減少信道獲取時長、圖像接入時延和觸發(fā)控制時間等傳輸障礙。

除了有效提升視頻編解碼效率，系統(tǒng)還在網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性方面也做了很大優(yōu)化，采用的自適應(yīng)擁塞串口判斷算法可以在不同的網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行傳輸控制[6]。系統(tǒng)的視頻監(jiān)控服務(wù)器是專門針對船端和岸端視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)存儲和傳輸訂制的服務(wù)器，穩(wěn)定性強，具有高效率的視音頻編碼技術(shù)，超高壓縮存儲和傳輸，并能夠通過低碼流衛(wèi)星信道和岸上訂制的編解碼服務(wù)器通信，供岸端指揮中心遠(yuǎn)程預(yù)覽和回放。采用硬件編解碼效率高，傳輸效果好。

綜合比較，耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)采取的技術(shù)具有以下優(yōu)點：

1）同等質(zhì)量的視頻，帶寬節(jié)省40%～60%。

2）能實現(xiàn)以30 kb/s傳輸速率傳輸4CIF（704×576）圖像。

3）網(wǎng)絡(luò)丟包率50%時，保證提箱穩(wěn)定傳輸，穩(wěn)定性提高1倍。

4）支持標(biāo)清、高清、4K等各種分辨率，視頻輸入制式最齊全。

2.3 系統(tǒng)主要優(yōu)勢

相比較一般的視頻傳輸技術(shù)，耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

1）傳輸方案的優(yōu)化。針對衛(wèi)星鏈路的帶寬小、穩(wěn)定性差、高時延等特點，優(yōu)化傳輸機制，能夠保障視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和后臺觀看視頻的用戶體驗。

2）編解碼的優(yōu)化。采用H.265超高最新壓縮編碼技術(shù)，實現(xiàn)靈活的視頻碼流切換策略，保障超低碼流速率下的視頻質(zhì)量，與傳統(tǒng)的海事衛(wèi)星通信相比，大大節(jié)約了帶寬成本和資費成本。

3）配置的便捷性。整套系統(tǒng)采用IP連接，各網(wǎng)元均可以靈活設(shè)置IP地址，配置方便，操作簡單。

4）前后端服務(wù)器可支持大容量的并發(fā)的客戶端接入。

3 船舶安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)部署情況

自航耙吸挖泥船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控點部署主要分為兩類，一般艏樓型船舶的單船監(jiān)控點有25個，艉樓型船舶單船監(jiān)控點有17個，監(jiān)控范圍主要包括船體周邊、甲板、駕駛室、機艙和泵艙。其中艏樓型船舶監(jiān)控點分布情況如圖2所示。

圖2 艏樓型船舶監(jiān)控點分布圖Fig.2 The distribution map of the forecastle ship monitoring point

系統(tǒng)安裝好后經(jīng)過測試，能夠?qū)崿F(xiàn)船端所有視頻信號的采集、顯示及存儲，船上可以隨時查看高清監(jiān)控和回放錄像文件。岸上指揮中心可以通過電腦客戶端查看監(jiān)控和回放錄像文件，岸端服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)公司遠(yuǎn)程用戶密碼訪問，實時監(jiān)控[7]。對采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過視頻壓縮算法進(jìn)行優(yōu)化處理，能夠確保在100 kb/s帶寬鏈路上傳輸多路的視頻畫面，效果如圖3所示，單船鏈路可以同時遠(yuǎn)程查看3路監(jiān)控圖像。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面效果Fig.3 Remote monitor screen effect

此外，系統(tǒng)還具備歷史回放功能，因為船舶數(shù)量多，視頻容量很大，若將視頻傳至岸基總部服務(wù)器保存既消耗帶寬資源又要增加岸基服務(wù)器存儲空間，所以采取遠(yuǎn)程調(diào)取船舶本地視頻存儲資源的方式查閱。

3.2 移動管控能力

安全視頻監(jiān)控平臺還支持遠(yuǎn)程操縱攝像頭和語音對講功能，公司、項目部和船舶管理人員都可以通過平臺查看船舶實時和歷史監(jiān)控信息，另外用戶還可以遠(yuǎn)程調(diào)控攝像頭到需要查看的視野范圍，移動用戶可以使用手機安裝客戶端查看監(jiān)控信息，結(jié)合語音對講功能，達(dá)到24 h全方位的監(jiān)控和緊急情況遠(yuǎn)程交互的管控目標(biāo)。

4 結(jié)語

自航耙吸挖泥船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)在低速率、時延大和高丟包率的衛(wèi)星通信鏈路上實現(xiàn)了視音頻信息穩(wěn)定清晰傳輸，而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)使用加密信道傳輸，確保了信息安全。用戶使用岸端遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制船上監(jiān)控攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮和作業(yè)管理，并通過設(shè)置在安全防護(hù)重點區(qū)域的自動報警和智能抓拍裝置極大提升了船舶安全生產(chǎn)管理智能化水平，達(dá)到了進(jìn)一步提高船舶生產(chǎn)效率的目的。