智能船舶船岸一體視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

周毅,何金平,華先亮,李萌,鄭坤

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452;2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

傳統(tǒng)的船舶安全體系管理模式依賴于岸基人員，主要是船長通過郵件進(jìn)行日?qǐng)?bào)和月報(bào)以及應(yīng)急情景下的海事電話匯報(bào)給岸基，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，遠(yuǎn)不能滿足船東岸基管理需求。近年來由于智能船舶概念的興起以及智能船舶技術(shù)的日益發(fā)展，船舶智能化已經(jīng)成為全球航運(yùn)的大勢(shì)所趨[1]，基于當(dāng)前衛(wèi)星通信低帶寬和高成本約束下的實(shí)時(shí)視頻信息采集、傳輸、識(shí)別已成為智能船舶2.0關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，通過設(shè)計(jì)開發(fā)一套以高性能視頻壓縮硬件模塊為核心的視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，將船舶視頻數(shù)據(jù)輕量化回傳，一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，解決岸端遠(yuǎn)程對(duì)船端實(shí)時(shí)監(jiān)管的需求，另一方面，由此獲取的視頻數(shù)據(jù)也可為未來包括圖像識(shí)別等功能的開發(fā)積累了數(shù)據(jù)樣本，為將來應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的全面監(jiān)控與智能化管理做好必要的準(zhǔn)備。

1 需求分析

視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)為船舶岸基營運(yùn)管理提供了遠(yuǎn)程視頻服務(wù)，由船基系統(tǒng)和岸基系統(tǒng)兩部分組成，要求具備以下特征。

1)自定義視頻壓縮率。系統(tǒng)支持默認(rèn)的視頻壓縮率(一般根據(jù)船舶衛(wèi)星帶寬設(shè)定)，支持岸基自定義視頻壓縮率，并將該設(shè)定參數(shù)遠(yuǎn)程發(fā)送至船基視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中。

2)自定義視頻遠(yuǎn)程傳輸。在岸基系統(tǒng)發(fā)送傳輸指令(某個(gè)視頻通道)后，船基系統(tǒng)進(jìn)行該通道下的實(shí)時(shí)視頻流傳輸，且最多支持N個(gè)通道的實(shí)時(shí)傳輸(N根據(jù)衛(wèi)星帶寬確定)。

3)視頻實(shí)時(shí)播放、歷史回放切換。實(shí)時(shí)播放頁面可切換至歷史視頻流播放，支持視頻的快進(jìn)、快退等常規(guī)操作。

4)實(shí)時(shí)視頻流截圖。岸基系統(tǒng)可以將截圖指令(通道號(hào)+時(shí)間)發(fā)送船基系統(tǒng)，船基系統(tǒng)能根據(jù)指令自動(dòng)從原始?xì)v史視頻中截取相應(yīng)的圖片，并發(fā)送至岸基系統(tǒng)進(jìn)行顯示和保存。

5)報(bào)警自動(dòng)回傳。船基視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集船舶報(bào)警信息，各個(gè)報(bào)警點(diǎn)已經(jīng)和船舶攝像頭關(guān)聯(lián)[2]。當(dāng)某個(gè)報(bào)警點(diǎn)被觸發(fā)時(shí)，船基系統(tǒng)能自動(dòng)將該報(bào)警點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的攝像頭信息回傳至岸基系統(tǒng)存儲(chǔ)，并在岸基前端界面推送信息。

6)攝像頭遠(yuǎn)程控制。岸基系統(tǒng)支持對(duì)船端攝像頭的遠(yuǎn)程控制，僅限正在傳輸?shù)囊曨l通道。岸基系統(tǒng)將遙控指令傳輸至船基攝像頭，控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)。

7)權(quán)限管控。岸基系統(tǒng)支持管控不用角色人員的權(quán)限，需分權(quán)限查看船上攝像頭內(nèi)容及遠(yuǎn)程控制重要位置攝像頭。權(quán)限管控功能需與導(dǎo)航平臺(tái)進(jìn)行整合。

8)高可用性冗余架構(gòu)。視頻壓縮及傳輸要求采用高可用性冗余方案，每個(gè)壓縮設(shè)備支持 10 路視頻接入，要求至少預(yù)留 2 路作為備用通路，當(dāng)正在使用中的 8 路有一路故障時(shí)，可以切換到備用通路中繼續(xù)傳輸，不影響系統(tǒng)正常使用。視頻壓縮設(shè)備要求至少預(yù)留一個(gè)作為備用，當(dāng)某個(gè)視頻壓縮設(shè)備發(fā)生故障，或者某個(gè)視頻壓縮設(shè)備備用通路全部被占用，可以切換至備用壓縮設(shè)備中繼續(xù)傳輸，不影響系統(tǒng)正常使用。

2 功能設(shè)計(jì)

1)權(quán)限管理。權(quán)限管理分為用戶權(quán)限管理和設(shè)備權(quán)限管理兩部分。用戶權(quán)限管理主要負(fù)責(zé)對(duì)用戶賬戶進(jìn)行分層級(jí)管理，以實(shí)現(xiàn)不同的用戶賬戶只能查看具有給定權(quán)限設(shè)備的功能，并與現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)接，共享用戶信息；設(shè)備權(quán)限管理主要是指船基服務(wù)器管控本船設(shè)備的功能，如哪些設(shè)備可接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)在衛(wèi)星信道和3G/4G信道切換時(shí)如何控制并發(fā)傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量。

2)視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控主要由傳輸控制、壓縮上傳和接收播放3個(gè)模塊組成。傳輸控制模塊主要負(fù)責(zé)指令收發(fā)，如設(shè)備在線狀態(tài)、云臺(tái)控制指令、視頻播放/停止指令等，是視頻傳輸系統(tǒng)的中樞神經(jīng)；壓縮上傳模塊主要負(fù)責(zé)將高清視頻進(jìn)行壓縮處理并在接到上傳指令后將壓縮后的音視頻數(shù)據(jù)上傳至岸基服務(wù)器；接收播放模塊負(fù)責(zé)展示船基攝像頭回傳的音視頻信息。

3)錄像管理。錄像管理由視頻存儲(chǔ)模塊和回放下載模塊組成[3]。視頻存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)音視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及管理；回放下載模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)錄像的回放展示、控制及下載等功能。

4)告警管理。告警管理主要由告警關(guān)聯(lián)、告警回傳2個(gè)模塊組成。告警關(guān)聯(lián)模塊主要負(fù)責(zé)與現(xiàn)有告警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)告警與云臺(tái)控制智能聯(lián)動(dòng)等功能；告警回傳模塊主要負(fù)責(zé)管理告警回傳模式，將告警信息回傳至岸基服務(wù)器，以及在岸基視頻管控終端展示實(shí)時(shí)告警信息和查詢歷史告警記錄。

系統(tǒng)采用HTML5技術(shù)實(shí)現(xiàn)，滿足移動(dòng)端及PC端統(tǒng)一設(shè)計(jì)的理念，且支持Windows XP系統(tǒng)，界面與現(xiàn)有岸基管理平臺(tái)風(fēng)格保持一致。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)智能船舶視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃，定義該系統(tǒng)與船舶其他智能系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)/業(yè)務(wù)交互模式，系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖見圖1。

圖1 視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

集成平臺(tái)系統(tǒng)采集船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻數(shù)據(jù)以及其他各功能系統(tǒng)的報(bào)警數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)將上述采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送至視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)(船基)，船基部分根據(jù)報(bào)警數(shù)據(jù)及岸基控制指令，判斷是否需要將當(dāng)前視頻數(shù)據(jù)經(jīng)壓縮后傳輸至岸基。岸基部分一方面可以對(duì)船基傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，播放，另一方面可通過發(fā)送相關(guān)控制指令自定義視頻傳輸，如截圖指令、攝像頭控制指令、壓縮率指令等。同時(shí)視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)UI界面需集成在集成平臺(tái)系統(tǒng)導(dǎo)航平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一顯示，統(tǒng)一管理。

3.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前端展示部分采用B/S架構(gòu)，Html5界面；壓縮和傳輸設(shè)備采用C/C++開發(fā)；WEB后端使用PHP開發(fā)，與其他服務(wù)交互使用TCP協(xié)議；船基和岸基管理部分使用C/C++開發(fā)，相互通信使用TCP協(xié)議；流媒體轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)使用Nginx搭建；最后用Nginx搭建負(fù)載均衡服務(wù)器。

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)見圖2。

圖2 視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過衛(wèi)星或移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的3/4G通道將船載音視頻數(shù)據(jù)傳輸至岸基服務(wù)器。岸基視頻管控終端可連接岸基服務(wù)器進(jìn)行視頻監(jiān)控[4]，并可通過岸基服務(wù)器向船基系統(tǒng)發(fā)送控制指令，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控指揮調(diào)度的功能。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖3。

圖3 視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.4 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能船舶視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)由四大子系統(tǒng)組成[5]，具體功能模塊見圖4。

圖4 視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及到的人機(jī)交互界面主要分為業(yè)務(wù)界面和管理界面,支持中英文切換、晝夜模式切換及UTC時(shí)間顯示，包含視頻監(jiān)控、告警管理、錄像管理、統(tǒng)計(jì)信息四大功能。

4 應(yīng)用效果

智能船舶船岸一體視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)在LNG運(yùn)輸船“海洋石油301”上實(shí)現(xiàn)了裝船應(yīng)用和海洋環(huán)境下的船岸一體通信測(cè)試，視頻傳輸?shù)木唧w測(cè)試效果見表1。

表1 智能船舶船岸一體視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)實(shí)船測(cè)試記錄

岸基監(jiān)控效果圖見圖5。

圖5 視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)實(shí)船應(yīng)用效果

實(shí)際效果顯示，船舶在VSAT衛(wèi)通信道(256 kb/s)下，單通道視頻信號(hào)在最大128k碼流傳輸設(shè)置下，仍然能夠流暢傳輸清晰的視頻；在最小傳輸碼流(16 kb/s)工況下，岸基仍然能夠流暢觀看視頻，最大程度保證了岸基的可視化效果。

通過設(shè)計(jì)、應(yīng)用、實(shí)船測(cè)試船岸一體視頻遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，利用硬件對(duì)船基視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，對(duì)傳輸碼流提供無級(jí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了船舶在停泊、進(jìn)出港、航行中不同的通信信道和帶寬下視頻信號(hào)的流暢傳輸。在不增加船東營運(yùn)成本的前提下，能夠滿足大部分船東在岸基對(duì)船隊(duì)船舶的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求，最大程度支持船東的實(shí)時(shí)和精細(xì)化營運(yùn)管理。無論是新造船舶的設(shè)計(jì)建造還是現(xiàn)有船舶的升級(jí)改造，本系統(tǒng)都值得推廣應(yīng)用。