黃清龍 黃遠(yuǎn)

(1.第七一五研究所，杭州，310023；2.杭州防雷安全檢測(cè)有限公司，杭州，310023)

我國(guó)有著大量的中小型島嶼，這些大小不一的島嶼是藍(lán)色國(guó)土上一顆顆明珠。其中，邊遠(yuǎn)島既是海洋的組成部分，又是國(guó)家的領(lǐng)土，在維護(hù)我國(guó)主權(quán)和海洋權(quán)益方面具有特殊的意義，在國(guó)家轉(zhuǎn)型為海洋大國(guó)、發(fā)展海權(quán)方面有著其他戰(zhàn)略資源不可替代的戰(zhàn)略作用[1]。隨著世界各國(guó)對(duì)海洋權(quán)益日益重視，對(duì)海洋權(quán)益的爭(zhēng)奪日趨激烈，我國(guó)與鄰國(guó)間也存在著大量對(duì)海洋權(quán)益的爭(zhēng)議。而這些邊遠(yuǎn)島嶼遠(yuǎn)離大陸、位置偏僻、交通不便，一直以來(lái)就缺乏可靠、有效的手段來(lái)對(duì)它們進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)管。如果可以對(duì)小型島礁及周邊海域進(jìn)行實(shí)時(shí)全景視頻監(jiān)控，將有助于保護(hù)我國(guó)的海洋權(quán)益，也有助于保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境、漁民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、海上航線及海上旅游的安全[2]。

基于以上背景，以提高我國(guó)對(duì)邊遠(yuǎn)島礁及周邊水域的管理和監(jiān)控能力為目標(biāo)，探討了一種無(wú)線組網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)水上目標(biāo)實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、也可根據(jù)需求擴(kuò)展其他功能。

1 系統(tǒng)組成及原理

圖1為無(wú)線組網(wǎng)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成圖。系統(tǒng)主要由島礁中心主站、無(wú)線中繼點(diǎn)、無(wú)線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的。整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線中繼點(diǎn)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)都可以設(shè)置全景攝像頭。由于無(wú)線節(jié)點(diǎn)無(wú)法直達(dá)島礁中心主站，需要通過(guò)無(wú)線中繼點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)方可實(shí)現(xiàn)全程數(shù)據(jù)傳輸，且中繼節(jié)點(diǎn)也可根據(jù)要求掛載監(jiān)控?cái)z像頭。而島礁中心主站則負(fù)責(zé)對(duì)所有下屬節(jié)點(diǎn)和中繼點(diǎn)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行接收存儲(chǔ)處理，也可以通過(guò)客戶(hù)端對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示或?qū)v史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行回放。圖2為無(wú)線組網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 無(wú)線組網(wǎng)視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)

圖2 無(wú)線組網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成示意圖

對(duì)于島礁中心主站，應(yīng)設(shè)置于基礎(chǔ)設(shè)施完善的有人值守的島礁。島礁上設(shè)立較高的通信鐵塔基站，以便接收到無(wú)線中繼點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)。一個(gè)鐵塔基站可掛載一定數(shù)量的中心主站設(shè)備，最后匯聚到后臺(tái)進(jìn)行處理。而無(wú)線中繼點(diǎn)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)及視頻監(jiān)控設(shè)備則按照實(shí)際監(jiān)視范圍設(shè)置于海上平臺(tái)。無(wú)線節(jié)點(diǎn)視頻數(shù)據(jù)因距離而不能可靠傳輸?shù)街行闹髡荆瑒t需通過(guò)無(wú)線中繼點(diǎn)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

無(wú)線組網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)學(xué)科集成的工程，包括海洋平臺(tái)技術(shù)、視頻采集技術(shù)、新能源供電技術(shù)和無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。

2.1 平臺(tái)技術(shù)

依據(jù)無(wú)線中繼點(diǎn)和無(wú)線節(jié)點(diǎn)的布設(shè)地點(diǎn)可分為固定式平臺(tái)和浮標(biāo)平臺(tái)兩種。當(dāng)安裝地點(diǎn)為深度不大的礁盤(pán)時(shí)，則可在礁盤(pán)上設(shè)置固定式基樁，圖 3為固定式基樁平臺(tái)示意圖，并在基樁桿上安裝小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組發(fā)電裝置。自上而下，分別在桿上設(shè)置天線、監(jiān)控?cái)z像頭和蓄電池組和控制器等。使用這種平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)可保持無(wú)線通信信號(hào)的穩(wěn)定，同時(shí)攝像頭采集的信號(hào)無(wú)需傾斜補(bǔ)償。

圖3 固定礁盤(pán)平臺(tái)

而當(dāng)無(wú)線中繼點(diǎn)及無(wú)線節(jié)點(diǎn)設(shè)置在深水區(qū)的浮標(biāo)平臺(tái)時(shí)，其優(yōu)勢(shì)是布設(shè)方便，只需將浮標(biāo)布放完畢并通過(guò)錨固定海底；缺點(diǎn)是因?yàn)楦?biāo)平臺(tái)受到浪涌的影響使得無(wú)線通信傳輸受到干擾，圖像角度也不完全正直。而這種缺陷則可通過(guò)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的減搖技術(shù)來(lái)緩解，同時(shí)加大全向天線的發(fā)射功率來(lái)保持傳輸質(zhì)量，圖像也可通過(guò)特定的補(bǔ)償算法來(lái)校正。圖4為浮標(biāo)平臺(tái)示意圖。

圖4 浮標(biāo)平臺(tái)示意圖

2.2 供電技術(shù)

無(wú)線中繼和節(jié)點(diǎn)所使用的浮標(biāo)平臺(tái)都是通過(guò)蓄電池進(jìn)行供電，傳統(tǒng)的方式是人工定期對(duì)蓄電池進(jìn)行更換，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且海上作業(yè)非常不安全、不方便。本文闡述的方案中盡可能利用再生能源，就地取材使用風(fēng)能和太陽(yáng)能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，即使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能電池組件來(lái)為系統(tǒng)提供電力支持。

海洋環(huán)境中，大風(fēng)和海浪使浮標(biāo)平臺(tái)經(jīng)常性的搖晃，因此應(yīng)使用加固的太陽(yáng)能組件和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，主要注意點(diǎn)如下：

● 盡可能使用高轉(zhuǎn)換效率的太陽(yáng)能電池組件提升發(fā)電量。

● 太陽(yáng)能電池組件在低緯度地區(qū)可平鋪安裝，在高緯度地區(qū)則應(yīng)在四個(gè)方向根據(jù)安裝地點(diǎn)緯度計(jì)算傾角安裝，且需采用四組獨(dú)立通道的充電控制。

● 設(shè)置小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時(shí)，條件允許則可同時(shí)設(shè)置水平軸和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，保障系統(tǒng)可靠性。

● 合理計(jì)算系統(tǒng)發(fā)電量配置。

通常海面風(fēng)力和太陽(yáng)能資源互補(bǔ)性較強(qiáng)，發(fā)電量在經(jīng)過(guò)合理配置后，可以滿(mǎn)足負(fù)載使用，考慮極端氣候無(wú)充電情況下，系統(tǒng)蓄電池設(shè)計(jì)容量為滿(mǎn)足三天使用時(shí)間即可。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

對(duì)于視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)當(dāng)中都采用的是無(wú)線微波室外基站技術(shù)傳輸，通?；臼褂妙l率分布在2.4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻段[7]，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和室外無(wú)線覆蓋。頻段的選擇則主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境，5 GHz頻段在海島上使用較為少，選用此頻率設(shè)備。依據(jù)傳輸基站工作特性，對(duì)于20 km以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)傳輸，理論上無(wú)需通過(guò)無(wú)線中繼點(diǎn)的接力傳輸即可完成，即攝像機(jī)所輸出的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，中心主站信號(hào)可直接連接到節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備，將覆蓋范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部回傳。

除了近海島嶼和周邊海域之外，對(duì)于還有大量的遠(yuǎn)海小型島嶼及海域．其距離大陸均超過(guò)20 km[8]，超出了中心基站的覆蓋范圍，則采用高帶寬微波回傳的方式。將這些遠(yuǎn)海節(jié)點(diǎn)的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)回傳至中間區(qū)域的無(wú)線微波中繼接收站進(jìn)行匯總，即微波接力傳輸，再通過(guò)中心主站對(duì)無(wú)線中繼點(diǎn)的覆蓋將數(shù)據(jù)傳輸回主站。圖5為遠(yuǎn)距離覆蓋傳輸接力原理圖。

圖5 遠(yuǎn)距離覆蓋傳輸接力原理圖

3 難點(diǎn)及創(chuàng)新

基于無(wú)線組網(wǎng)的島礁視頻監(jiān)控系統(tǒng)解決了無(wú)縫隙全景視頻監(jiān)控的問(wèn)題，系統(tǒng)創(chuàng)新通過(guò)在固定基礎(chǔ)平臺(tái)和浮標(biāo)平臺(tái)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了島礁及周邊海域無(wú)死角的全方位實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，通過(guò)中繼接力的方式將視頻數(shù)據(jù)回傳到中心基站。而整個(gè)系統(tǒng)還有需要克服的難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為：浮標(biāo)平臺(tái)在風(fēng)浪情況下的穩(wěn)定性和可靠性。該類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)浮標(biāo)減搖設(shè)計(jì)及合理的配置來(lái)解決；而針對(duì)浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在浮標(biāo)平臺(tái)搖擺減緩的情況，可使用全向天線進(jìn)行信號(hào)傳輸，提高天線的水平面距離及加大信號(hào)的發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)；針對(duì)固定式基樁平臺(tái)施工問(wèn)題，依托中船重工下屬研究院所的豐富經(jīng)驗(yàn)可以順利解決。

4 結(jié)論及展望

基于無(wú)線組網(wǎng)的島礁視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使用浮標(biāo)平臺(tái)技術(shù)為依托，創(chuàng)新性的解決了島礁及周邊海域大容量大帶寬的視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，對(duì)維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益、保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境和海洋交通安全等都具有極大的作用，另外該系統(tǒng)也適用于內(nèi)湖內(nèi)河的特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，具有很大的發(fā)展前景。

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