◎ 陳澤波 交通運(yùn)輸部南海航海保障中心廣州航標(biāo)處海區(qū)導(dǎo)航中心

1.目的

航標(biāo)一般都配置有警告燈、AIS避碰設(shè)備等，可對(duì)過往船只發(fā)布航行警告，并記錄船只信息，保障船舶航行及航標(biāo)安全。但是，在海上和江面經(jīng)常發(fā)生過往船只與航標(biāo)的刮蹭，甚至將航標(biāo)撞毀或撞沉，嚴(yán)重威脅航標(biāo)的生存安全?，F(xiàn)有的技術(shù)手段，如AIS、雷達(dá)反射器等被動(dòng)安全防護(hù)手段已不能滿足實(shí)際使用要求，為此我們結(jié)合安防領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗(yàn)引入航標(biāo)碰撞視頻監(jiān)控系統(tǒng)，擬對(duì)航標(biāo)的安全進(jìn)行監(jiān)控管理。

航標(biāo)碰撞視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一套基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通訊技術(shù)的集成系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)下位機(jī)通過攝像頭獲取照片數(shù)據(jù)流，系統(tǒng)將該數(shù)據(jù)流通過CDMA或衛(wèi)星模塊傳輸至岸基監(jiān)控上位機(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)集成專用軟件，可對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行接收和解析，從而在岸基監(jiān)控端顯示下位機(jī)所拍攝的真實(shí)視頻和圖像。

2.總體設(shè)計(jì)方案

航標(biāo)碰撞視頻監(jiān)控系統(tǒng)主功能是通過在航標(biāo)上安裝視頻圖像采集及其配套設(shè)備，對(duì)航標(biāo)周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻采集，在威脅發(fā)生前后對(duì)迫害者進(jìn)行應(yīng)急圖像采集，利用CDMA、北斗或其他通信方案將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘?wù)器，并借助AIS系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和分析，完成入侵目標(biāo)的監(jiān)控和管理。

航標(biāo)碰撞視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如下圖所示。系統(tǒng)在硬件設(shè)備上主要分為上位機(jī)系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)為數(shù)據(jù)接收和岸基監(jiān)控系統(tǒng)，下位機(jī)系統(tǒng)包括監(jiān)控?cái)z像頭、雷達(dá)、重力感應(yīng)器、加速度感應(yīng)器及其他電力系統(tǒng)設(shè)備和通信系統(tǒng)設(shè)備。

從功能上講，航標(biāo)碰撞視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)、應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、電控子系統(tǒng)和岸基輔助子系統(tǒng)5個(gè)部分組成。其中，應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)涉及到與攝像頭的聯(lián)動(dòng)操作，因而在實(shí)現(xiàn)層面上存在一定困難；其他4個(gè)子系統(tǒng)自成體系，亦能完成目標(biāo)入侵的圖像采集功能。

3.前期功能實(shí)現(xiàn)

項(xiàng)目的核心功能是實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)和應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)。實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)將攝像頭以固定時(shí)間間隔（可設(shè)定）進(jìn)行拍攝，將照片數(shù)據(jù)發(fā)回至岸基接收端，通過接收軟件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)船只舷號(hào)等信息的捕捉采集。應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)直接在航標(biāo)終端完成目標(biāo)自動(dòng)捕捉識(shí)別功能，待確認(rèn)目標(biāo)船只后將照片信息發(fā)送至岸基接收端。兩個(gè)核心功能既互為補(bǔ)充，也可獨(dú)立完成目標(biāo)入侵圖像采集功能。綜合考慮航標(biāo)的承載能力及所有探測(cè)設(shè)備的尺寸、功率、穩(wěn)定性等因素，在實(shí)際系統(tǒng)安裝和布設(shè)實(shí)踐中權(quán)衡兩個(gè)核心子系統(tǒng)的性能配置。

在具體實(shí)現(xiàn)上，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施時(shí)間和實(shí)現(xiàn)難易程度，功能實(shí)現(xiàn)方案劃分為2種。第一種是除應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)外的其他4個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)圖像的采集功能；第二種是在第一種方案的基礎(chǔ)上添加應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)急時(shí)刻船只信息的自動(dòng)捕捉采集。綜合來講，第一種方案實(shí)現(xiàn)較為容易，實(shí)施時(shí)間短，故先實(shí)現(xiàn)第一種方案。如果后期時(shí)間允許，嘗試完成第二種方案。

3.1 實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)

圖4 太陽能電池板安裝示意圖

實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)主要包括攝像頭和攝像頭支架。子系統(tǒng)采用4個(gè)外部攝像頭（或2個(gè)170°廣角攝像頭），用以采集外部不同方位的照片；用于安裝攝像頭的支架定做4個(gè)，根據(jù)主設(shè)備的實(shí)際安裝位置和安裝方式，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，保證攝像頭對(duì)設(shè)備360°方向拍攝，同時(shí)保證密封效果。

根據(jù)項(xiàng)目需求，本子系統(tǒng)擬采用帶主動(dòng)紅外照明的大視場(chǎng)CCD攝像系統(tǒng)進(jìn)行圖像拼接，通過多路圖像采集、畸變校正、柱面投影、圖像配準(zhǔn)、圖像融合，并將算法移植到DSP硬件處理器上形成360°的全景環(huán)視圖像。該系統(tǒng)是一款能夠獲取浮標(biāo)周邊海域全景視覺信息的處理平臺(tái)，可獲取周圍360°的圖像信息，并自動(dòng)進(jìn)行圖像間的精確配準(zhǔn)、融合，形成無縫的全景圖，拼接后的全景圖像最大程度地與原始圖像接近，圖像失真小。

4個(gè)攝像頭的布設(shè)方案如圖2所示。

CCD攝像機(jī)拍攝場(chǎng)景，將四路視頻信號(hào)通過接口電路板同步傳輸?shù)綀D像處理平臺(tái)的視頻輸入端口，圖像處理平臺(tái)將模擬圖像信號(hào)逐幀轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像，然后由平臺(tái)上的核心處理器件依據(jù)圖像處理程序?qū)崿F(xiàn)圖像拼接。最后將處理后得到的360°全景圖像重新編碼后輸出，可根據(jù)用戶需求傳輸?shù)桨痘o助子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成原理如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的主要功能是將實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)和應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)傳輸給岸基輔助子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)綜合考慮航標(biāo)所在位置的信號(hào)能力及多種通信手段的數(shù)據(jù)傳輸能力，首選CDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，若CDMA信號(hào)偏弱則考慮使用北斗衛(wèi)星通信。在電力供應(yīng)充足的情況下，考慮CDMA和北斗雙鏈路備份傳輸。該子系統(tǒng)自行定制通訊天線，在保證信號(hào)強(qiáng)度足夠的前提下，進(jìn)行密封處理，保證天線在海上抗腐蝕、不進(jìn)水。

3.3 電控子系統(tǒng)

電控子系統(tǒng)基于ARM主控制器，設(shè)計(jì)下位機(jī)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)集成控制器最小系統(tǒng)、電源穩(wěn)壓模塊及串口模塊等。系統(tǒng)至少含6路串口，其中4路串口分別連接外部4個(gè)攝像頭（或2個(gè)170°廣角攝像頭），用以采集外部不同方位的照片；1路串口連接定制的通訊數(shù)據(jù)模塊，用以將拍攝到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行發(fā)送。電源采用外部電池供電方案，要求電壓≥7V，瞬時(shí)電流≥1.5A。

系統(tǒng)擬在航標(biāo)兩側(cè)對(duì)稱安裝兩塊1200＊540＊30mm的12V光伏發(fā)電電板，每塊電板功率達(dá)100W，足夠支撐航標(biāo)所有承載設(shè)備的用電需求。電板表面采用超白鋼化玻璃，配備多晶電池片和鋁合金邊框，接線盒為IP65防水材質(zhì)，能夠承受海上較惡劣的工作條件。電池板安裝效果如圖4所示。

3.4 岸基輔助子系統(tǒng)

岸基輔助子系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。其中，硬件部分包括數(shù)據(jù)接收設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)器、顯示器等；軟件部分設(shè)計(jì)一套專用于本系統(tǒng)的軟件，主要功能包括數(shù)據(jù)處理和顯示。本子系統(tǒng)直接接入互聯(lián)網(wǎng)，對(duì)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收，只要保證網(wǎng)絡(luò)不中斷，數(shù)據(jù)就可以實(shí)時(shí)接收。同時(shí)可將接收的照片數(shù)據(jù)流進(jìn)行解析，獲得照片的信息并顯示在顯示屏上。此外，可根據(jù)用戶的實(shí)際需求，對(duì)軟件進(jìn)行界面優(yōu)化，如添加單位名稱和LOGO、增加登錄信息等。

岸基輔助子系統(tǒng)將結(jié)合AIS系統(tǒng)，在航標(biāo)遭受入侵破壞時(shí)，通過數(shù)據(jù)接口即時(shí)從AIS系統(tǒng)中提取在破壞時(shí)刻途經(jīng)該航標(biāo)附近海域的所有船舶信息，配合本系統(tǒng)采集的視頻和圖像信息，輔助完成入侵目標(biāo)的識(shí)別和證據(jù)取證。

4.后期功能實(shí)現(xiàn)

在項(xiàng)目時(shí)間和進(jìn)度允許的情況下，本系統(tǒng)擬在上述功能的基礎(chǔ)上添加應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)。

應(yīng)急圖像采集子系統(tǒng)主要包括攝像頭、雷達(dá)、重力感應(yīng)器、加速度感應(yīng)器及其控制設(shè)備。該子系統(tǒng)中的攝像頭為實(shí)時(shí)視頻采集子系統(tǒng)中的攝像頭；雷達(dá)安裝在航標(biāo)標(biāo)體外側(cè)邊緣，數(shù)量為4個(gè)，在標(biāo)體周圍均勻分布，用來探測(cè)標(biāo)體周圍物體距離；重力感應(yīng)器安裝在航標(biāo)標(biāo)體邊緣，感受標(biāo)體的晃動(dòng)與起伏變化；加速度感應(yīng)器安裝在標(biāo)體適當(dāng)位置，用來測(cè)量標(biāo)體在水平方向位移的速度變化?？刂圃O(shè)備的功能是為雷達(dá)等感應(yīng)器在觀測(cè)數(shù)值超出一定閾值時(shí)對(duì)攝像頭發(fā)出拍攝請(qǐng)求，用以獲取應(yīng)急圖像。