張大偉

（91054 部隊(duì)，北京102442）

1 概述

近年，我國(guó)與東南亞地區(qū)的越南、菲律賓、馬來西亞、文萊等國(guó)圍繞島嶼、領(lǐng)海、大陸架和專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的主權(quán)劃分而引起的國(guó)家間的主權(quán)爭(zhēng)端越來越激烈，沿海區(qū)域豐富的資源和領(lǐng)土主權(quán)受到威脅。為維護(hù)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土完整，我國(guó)在沿海地區(qū)建設(shè)執(zhí)勤碼頭、監(jiān)控站，監(jiān)控中心和部分輔助設(shè)施，但是某些國(guó)家針對(duì)我國(guó)海上設(shè)施抵近偵測(cè)和破壞等非法活動(dòng)卻越來越頻繁，給我國(guó)沿海地區(qū)安全帶來極大挑戰(zhàn)。因此，沿海地區(qū)立體安全防護(hù)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，具有非常巨大的潛在價(jià)值和效益。

2 沿海地區(qū)安全技術(shù)防范系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雖然目前部分沿海區(qū)域構(gòu)建了安全技術(shù)防范系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了技防、物防，但各自獨(dú)立、互不兼容，無法達(dá)到資源共享的效果。此外，此類安全技術(shù)防范系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化程度不高，影響了整體效能的發(fā)揮和科學(xué)化管理能力的形成。針對(duì)目前沿海地區(qū)安全技術(shù)防范系統(tǒng)中存在問題，本文結(jié)合人工智能技術(shù)相關(guān)成果，探索研究新型智能安防手段在沿海安全防護(hù)中的應(yīng)用，為后續(xù)沿海地區(qū)安防系統(tǒng)構(gòu)建升級(jí)提供參考。

沿海區(qū)域安全技術(shù)防范系統(tǒng)總體架構(gòu)：

沿海區(qū)域安全技術(shù)防范系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖所示。

圖1 沿海區(qū)域安全技術(shù)防范系統(tǒng)總體架構(gòu)

沿海區(qū)域安全技術(shù)防范系統(tǒng)總體架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)采集傳輸層、多態(tài)數(shù)據(jù)資源服務(wù)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)層，其中數(shù)據(jù)采集傳輸層是通過攝像頭、探測(cè)聲吶、機(jī)器魚、無人機(jī)等載體或傳感器獲取目標(biāo)區(qū)域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中；多態(tài)數(shù)據(jù)資源服務(wù)層對(duì)接收到的安防數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)與算法支撐；業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)層主要包括重點(diǎn)區(qū)域安防、水下安防與空中安防，形成沿海地區(qū)立體安全防護(hù)系統(tǒng)。

3 人工智能技術(shù)在沿海區(qū)域安防系統(tǒng)中的應(yīng)用

人工智能是研究使計(jì)算機(jī)來模擬人的某些思維過程和智能行為(如學(xué)習(xí)、推理、思考、規(guī)劃等)的學(xué)科，主要包括計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能的原理，制造類似于人腦智能的計(jì)算機(jī)，使計(jì)算機(jī)能實(shí)現(xiàn)更高層次的應(yīng)用。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，將在沿海區(qū)域安防體系中發(fā)揮越來越大的作用，下面圍繞沿海區(qū)域安防介紹幾點(diǎn)智能技術(shù)的應(yīng)用。

3.1 智能視覺監(jiān)控

安防系統(tǒng)每天產(chǎn)生的海量圖像和視頻信息造成的信息冗余問題催生了帶有人工智能的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)該技術(shù)對(duì)圖像視頻進(jìn)行自動(dòng)分析、識(shí)別、跟蹤、理解和描述的特點(diǎn)，帶有人工智能的計(jì)算機(jī)視覺在安防監(jiān)控系統(tǒng)中演變?yōu)榻陙順I(yè)內(nèi)普遍看好的視頻智能分析應(yīng)用。視頻智能分析是一種基于目標(biāo)行為的智能監(jiān)控技術(shù)。在不需要人為干預(yù)的情況下，利用計(jì)算機(jī)視覺和視頻監(jiān)控分析方法對(duì)攝像機(jī)拍錄的圖像序列進(jìn)行自動(dòng)分析，包括目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)分割提取、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)跟蹤，以及對(duì)監(jiān)視場(chǎng)景中目標(biāo)行為的理解與描述，得出對(duì)圖像內(nèi)容含義的理解以及對(duì)客觀場(chǎng)景的解釋，從而指導(dǎo)和規(guī)劃行動(dòng)。智能視覺監(jiān)控系統(tǒng)還可以通過計(jì)算機(jī)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)場(chǎng)景中發(fā)生的異常事件進(jìn)行示警，提醒安保人員注意并確認(rèn)示警信息以做出相應(yīng)的反應(yīng)。

3.2 沿海區(qū)域機(jī)場(chǎng)FOD 檢測(cè)技術(shù)

沿海區(qū)域機(jī)場(chǎng)安全是一條不可逾越的紅線，跑道外來物一直是影響飛行安全重要因素。FOD（Foreign Object Debris），即可能損傷航空器的某種外來的物質(zhì)、碎屑或物體，如金屬零件、碎石塊、道面材料、飛行物品、冰碴、紙屑等。為減少機(jī)場(chǎng)跑道外來物對(duì)航班起降的影響，機(jī)場(chǎng)要求若干小時(shí)定期對(duì)跑道進(jìn)行檢查。

圖2 典型機(jī)場(chǎng)跑道外來物

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球民用航空業(yè)每年因FOD 造成的直接損失超過40 億美元，同時(shí)還會(huì)造成航班延誤、中斷起飛、關(guān)閉跑道等間接損失，其間接損失至少為直接損失的4 倍；中國(guó)民航每年都發(fā)生5000 起以上的FOD 損傷飛機(jī)事件，約占航空事故征候總數(shù)1/3。

目前，我國(guó)機(jī)場(chǎng)都采用人工巡查的工作方式查找外來物。在巡查時(shí)需要關(guān)閉跑道，工作人員駕駛車輛，以相對(duì)低的速度前行，用肉眼查找可能掉落在跑道上的外來物。國(guó)外FOD 探測(cè)系統(tǒng)主要有英國(guó)QinetiQ 公司的Tarsier（眼鏡猴）Foreign Object Debris radar detection system——眼鏡猴系統(tǒng)、以色列的Xsight公司開發(fā)的FODetect 系統(tǒng)、新加坡開發(fā)iFerret 智能視頻探測(cè)系統(tǒng)、美國(guó)Trex Enterprises 公司開發(fā)的FOD Finder 系統(tǒng)等。

圖3 機(jī)場(chǎng)跑道FOD 示意圖

3.3 主動(dòng)聲吶監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)

主動(dòng)聲吶分系統(tǒng)主要由濕端和干端兩大部分組成，具體包括主動(dòng)探測(cè)聲吶濕端、水密電纜和聲吶軟件三個(gè)單元。其中，聲吶濕端布放在水下，通過光電復(fù)合纜連接機(jī)房干端服務(wù)器；聲吶軟件安裝在機(jī)房干端服務(wù)器上，包含聲吶信號(hào)處理軟件和數(shù)據(jù)融合處理軟件。聲納濕端獲取的聲吶數(shù)據(jù)經(jīng)過接駁設(shè)備進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，通過光電復(fù)合纜傳輸?shù)礁啥朔?wù)器上。主動(dòng)聲吶監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)邏輯連接如圖4 所示。

圖4 主動(dòng)聲吶數(shù)字平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

3.4 被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

被動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要采用海底固定式水聽器陣列的聲吶探測(cè)技術(shù)，完成對(duì)水下蛙人、AUV、UUV 和潛航器等目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤和全天候預(yù)警。主要由聲探測(cè)單元、信號(hào)預(yù)處理單元、聲信號(hào)處理單元三部分組成。其中水聽器陣列主要有光纖水聽器陣?yán)|、壓電水聽器陣?yán)|和電磁觀測(cè)陣?yán)|三種。光纖水聽器（陣列）布設(shè)于我重要港口、航道、特定海域，可實(shí)現(xiàn)平時(shí)水下目標(biāo)情報(bào)監(jiān)測(cè)搜集、水下目標(biāo)實(shí)時(shí)定位跟蹤等。該系統(tǒng)包括水下傳感子系統(tǒng)、信號(hào)預(yù)處理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)子系統(tǒng)。

圖5 光纖水聽器、陣?yán)|樣段及施工前加鎧

海底壓電水聽器陣列長(zhǎng)期布放在重要港口、航道附近海底，記錄艦船的水下輻射噪聲，可實(shí)現(xiàn)基地、港口的水下目標(biāo)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)預(yù)警探測(cè)、定位與跟蹤；在民用方面，壓電水聽器陣?yán)|可用于海底地震活動(dòng)的預(yù)報(bào)、海洋生物噪聲監(jiān)測(cè)及海洋生物行為特征的觀察等。

電磁觀測(cè)陣?yán)|由若干電磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)電磁探測(cè)節(jié)點(diǎn)包括電場(chǎng)傳感器，三軸磁場(chǎng)傳感器及信號(hào)調(diào)理采集電路等。

3.5 水下阻攔網(wǎng)系統(tǒng)

水下阻攔網(wǎng)系統(tǒng)是采用特種新型纖維經(jīng)特殊編織制成的高強(qiáng)度繩網(wǎng)，其網(wǎng)繩經(jīng)新型三維編織工藝及后整理技術(shù)制備成網(wǎng)，整合了網(wǎng)體編織技術(shù)、信號(hào)斷點(diǎn)監(jiān)測(cè)定位報(bào)警技術(shù)、表面納米涂敷技術(shù)等多領(lǐng)域的高新技術(shù)。是針對(duì)目前重要海域、港口、航道、海上作業(yè)平臺(tái)等水下防護(hù)能力薄弱的現(xiàn)狀而建立的一套集攔截、報(bào)警、定位為一體的阻攔系統(tǒng)，主要是在防御目標(biāo)外圍形成一道全封閉物理柵欄，阻止不明來襲物體靠近防護(hù)目標(biāo)進(jìn)行抵近偵察、破壞，并通過內(nèi)嵌斷點(diǎn)信號(hào)監(jiān)測(cè)導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)對(duì)不明目標(biāo)的報(bào)警、定位，并有效遲滯入侵目標(biāo)來襲物體前進(jìn)速度，為應(yīng)急處突人員爭(zhēng)取時(shí)間。水下阻攔網(wǎng)系統(tǒng)由阻攔網(wǎng)體子系統(tǒng)、啟閉子系統(tǒng)、監(jiān)控指揮子系統(tǒng)、存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)4個(gè)部分組成。

阻攔網(wǎng)體子系統(tǒng)是將“電子虛擬化防御”變成簡(jiǎn)單、可靠、封閉的物理防御，主要是在防御目標(biāo)外圍形成一道全封閉物理柵欄，從而阻止不明來襲物體靠近防護(hù)目標(biāo)進(jìn)行抵近偵察、破壞。

啟閉子系統(tǒng)主要是在卷?yè)P(yáng)機(jī)上加裝液位傳感器等信息化、自動(dòng)化裝置來控制阻攔網(wǎng)上升和下降，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化啟閉，確保艦船正常通航。

監(jiān)控指揮子系統(tǒng)具有監(jiān)控、跟蹤和預(yù)警功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)體單元水下的位置和運(yùn)行狀態(tài)，具有全方位覆蓋、全天候監(jiān)視、快速反應(yīng)和多元聯(lián)合感知能力，能夠有效防御不明目標(biāo)的潛入。

存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、處理和輸出，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)的查詢、偏離修正、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效性審核等，完成歷史數(shù)據(jù)的維護(hù)、分析，并可以自動(dòng)生成水下防御情況統(tǒng)計(jì)表（包括有效防御次數(shù)、誤報(bào)次數(shù)、漏報(bào)次數(shù)等），以便分析水下防御情況，為后期制定防御策略提供遵循。

3.6 水下仿生機(jī)器魚巡航

隨著科技的深入發(fā)展和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用需求的拉動(dòng)，仿生機(jī)器學(xué)（Biomimetics）研究越來越受到關(guān)注。通過研究、學(xué)習(xí)、模仿的仿生學(xué)方法來復(fù)制和再造生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能、工作原理及控制機(jī)制等，已成為機(jī)器人學(xué)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。

仿生機(jī)器魚，作為一種典型的水下移動(dòng)機(jī)器人，應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛。在海洋監(jiān)測(cè)方面，仿生機(jī)器魚作為水下移動(dòng)平臺(tái)，能夠搭載各種水質(zhì)傳感器，監(jiān)測(cè)包括葉綠素、含氧量、pH 值、電導(dǎo)率等參數(shù)在內(nèi)的各種水質(zhì)參數(shù)。在沿海地區(qū)防御應(yīng)用方面，仿生機(jī)器魚有望通過搭載一些高精尖傳感器，利用其機(jī)動(dòng)、靈活、隱蔽性的特點(diǎn)，完成水下巡航任務(wù)，有效防止蛙人偷襲。此外，圍繞沿海地區(qū)布設(shè)多個(gè)仿生機(jī)器魚，可形成外圍的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，即可實(shí)時(shí)報(bào)警。

圖6 仿生機(jī)器魚

4 結(jié)論

我國(guó)沿海區(qū)域面積廣闊，沿海偏遠(yuǎn)地區(qū)陸地面積小而零散，區(qū)域國(guó)際局勢(shì)緊張，安防系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境惡劣。因此，可以將更多的智能技術(shù)引入安防系統(tǒng)中，從空中、陸地和水下形成立體的安防體系，切實(shí)提高安防智能化水平，為沿海地區(qū)建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定基礎(chǔ)。