智能監(jiān)控技術(shù)在運(yùn)河船舶過(guò)閘中的應(yīng)用范文
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摘要：隨著京杭運(yùn)河蘇北段通行能力的提高以及船舶大型化趨勢(shì)，船閘通行的高效管理成為提高通行效率、保障通行安全的主要抓手。為實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶過(guò)閘行為的智能監(jiān)控，文章基于船舶過(guò)閘可能會(huì)發(fā)生的安全事故類型，對(duì)智能監(jiān)控的需求和方案、重點(diǎn)監(jiān)控的對(duì)象、智能監(jiān)控的流程、關(guān)鍵性技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)的功能等方面進(jìn)行分析和研究，為船舶智能過(guò)閘監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：智能監(jiān)控技術(shù)；蘇北運(yùn)河；船舶過(guò)閘
京杭運(yùn)河蘇北段北起徐州藺家壩，南至揚(yáng)州六圩口，全長(zhǎng)404.5km，是魯、蘇、浙3省的南北水運(yùn)大動(dòng)脈，北煤南運(yùn)的主干道，是京杭運(yùn)河全線運(yùn)輸最繁忙的航段，也是江蘇“兩縱四橫”干線航道網(wǎng)的重要組成部分。京杭運(yùn)河徐揚(yáng)段擔(dān)負(fù)著沿線地區(qū)大宗物資中轉(zhuǎn)集散及北煤南運(yùn)的戰(zhàn)略任務(wù)，在長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中地位十分突出，是一條名副其實(shí)的“黃金水道”［1］。隨著京杭運(yùn)河蘇北段航道等級(jí)的進(jìn)一步提高，航道通行能力不斷得到提升，船舶大型化的需求在不斷攀升，蘇北運(yùn)河航閘所承載的船舶通過(guò)壓力也隨之增大，船閘實(shí)際年通過(guò)量已大大超過(guò)最初的設(shè)計(jì)通航能力。目前，改、新建的船舶噸位大幅提升，船舶主尺度也不斷增大，這些大型化船舶已對(duì)蘇北運(yùn)河航閘設(shè)施以及自身安全構(gòu)成一定威脅。
1船舶過(guò)閘安全事故類型分析
（1）閘門碰撞。對(duì)于閘室來(lái)說(shuō)，閘門是最容易發(fā)生碰撞，也是最怕發(fā)生碰撞的部位。閘門碰撞可能直接導(dǎo)致船閘停航。
（2）閘臺(tái)吊船。閘室上閘首部位下有閘臺(tái)，如果船舶擱淺在閘臺(tái)上，閘室泄水時(shí)會(huì)導(dǎo)致船舶傾覆。
（3）閘首漩渦。在閘室漲、泄水的過(guò)程中，閘首鎮(zhèn)靜段至閘門部位會(huì)形成漩渦。如果船舶比較小，形成的漩渦使船舶打轉(zhuǎn)進(jìn)而引發(fā)安全事故。目前，隨著船舶大型化，此類事故發(fā)生的概率已經(jīng)非常低。
（4）船舶吊纜。由于過(guò)閘時(shí)，船舶未帶活纜繩，導(dǎo)致閘室漲、泄水的過(guò)程中發(fā)生船舶吊纜。
（5）船舶夾檔。由于兩條船舶之間未留有足夠的安全距離，導(dǎo)致船舶在閘室漲、泄水的過(guò)程中不能隨水位升、降而上下浮動(dòng)，形成傾覆。
對(duì)于以上常見(jiàn)的5類船舶過(guò)閘時(shí)在閘室里的安全事故，船舶吊纜和船舶夾檔主要需要船閘上、下游閘首值班人員進(jìn)行判斷，尚沒(méi)有成熟可行的技術(shù)方案。閘門碰撞、閘臺(tái)吊船、閘首漩渦3種事故類型主要集中于閘首鎮(zhèn)靜段至閘門區(qū)域。因此，通過(guò)對(duì)閘首區(qū)域的智能監(jiān)控分析和研究可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這3類事故的預(yù)警。
2智能監(jiān)控系統(tǒng)的需求和方案
在船閘現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)的支持下，實(shí)現(xiàn)對(duì)船閘內(nèi)、待閘區(qū)航段的關(guān)鍵設(shè)施的警戒保護(hù)和監(jiān)控，對(duì)過(guò)閘船舶的進(jìn)、出閘行為進(jìn)行警戒和預(yù)警，并提供視頻取證［2］。（1）船舶動(dòng)態(tài)行為的監(jiān)測(cè)船舶動(dòng)態(tài)行為的監(jiān)測(cè)主要用于確定船舶速度、距閘室的距離等，以便于預(yù)測(cè)船舶行為。在船舶有可能會(huì)對(duì)船閘產(chǎn)生影響的時(shí)候提前進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)警。（2）船舶異常行為的預(yù)警對(duì)于船舶異常行為可以提前發(fā)出預(yù)警，提醒管理人員或閘口調(diào)度人員進(jìn)行處理。（3）船舶異常行為的取證。異常發(fā)生時(shí)，可以利用視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)拍攝異常行為并將圖像和視頻保存下來(lái)，為調(diào)查取證提供視頻證據(jù)。針對(duì)以上對(duì)系統(tǒng)的需求分析，擬采取以下方案：（1）在垂直于閘室警戒線的上方安裝監(jiān)控?cái)z像機(jī)，建立對(duì)船閘的動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控。（2）系統(tǒng)通過(guò)視頻圖像分析等技術(shù)對(duì)進(jìn)、出閘船舶行為以及警戒線區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，智能判斷可能與船閘設(shè)施發(fā)生碰撞的情況，提前發(fā)出預(yù)警，通知監(jiān)控中心工作人員和閘首值班人員及時(shí)制止相關(guān)船舶，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用監(jiān)控?cái)z像機(jī)進(jìn)行拍攝取證。（3）異常行為由系統(tǒng)調(diào)用監(jiān)控?cái)z像機(jī)自動(dòng)進(jìn)行抓取，管理人員可進(jìn)行回放查看和分析管理。
3智能監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用
3.1重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象的選取
對(duì)于船閘來(lái)說(shuō)，需要重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控的是船閘閘門。因?yàn)殚l門內(nèi)、外的水位存在一定的落差，閘門如果被船舶碰撞將會(huì)導(dǎo)致船閘進(jìn)、出水出現(xiàn)問(wèn)題，從而影響船閘的正常使用。同時(shí)，船閘閘門又是最容易被船舶碰撞的設(shè)施，因此，是船閘的重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。系統(tǒng)將使用圖像識(shí)別的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要求圖像能達(dá)到一定的質(zhì)量。通過(guò)圖像識(shí)別，可以劃定警戒線，在船閘閘門關(guān)閉時(shí)，如果船舶碰警戒線，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。通過(guò)視頻監(jiān)控畫面，系統(tǒng)可以對(duì)該監(jiān)控畫面內(nèi)的船舶行駛速度和船舶軌跡等行為進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)船舶行為的分析，系統(tǒng)可以對(duì)船舶的危險(xiǎn)行為進(jìn)行提前預(yù)警。在船舶進(jìn)入閘室時(shí)可以計(jì)算出船舶的船速，船速超出設(shè)定的最大值，系統(tǒng)觸發(fā)警報(bào)，提醒操作人員立即采取措施進(jìn)行處理，防止因船速過(guò)快導(dǎo)致船舶碰撞閘門等設(shè)備設(shè)施的情況發(fā)生。
3.2智能監(jiān)控的流程
船舶過(guò)閘智能監(jiān)控系統(tǒng)流程如下：（1）系統(tǒng)通過(guò)相關(guān)感知設(shè)備，監(jiān)控動(dòng)態(tài)的船舶信息，如船舶速度、軌跡、船舶距船閘的距離等。（2）根據(jù)船舶的行為，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出船舶距船閘的距離，判斷船舶按照當(dāng)前速度繼續(xù)行駛時(shí)，是否會(huì)出現(xiàn)碰撞船閘閘門或其他設(shè)備設(shè)施等異常情況。（3）系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，自動(dòng)發(fā)出異常信息預(yù)警，提醒管理人員及時(shí)對(duì)相關(guān)異常情況進(jìn)行處理。如果系統(tǒng)未檢測(cè)到任何異常情況，則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)控，收集數(shù)據(jù)。（4）系統(tǒng)檢測(cè)出異常情況后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用帶有云臺(tái)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)，對(duì)發(fā)生異常情況的區(qū)域?qū)崟r(shí)進(jìn)行畫面監(jiān)控。（5）對(duì)于異常情況下的監(jiān)控畫面狀態(tài)，由系統(tǒng)自動(dòng)抓取，并對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。（6）管理人員可以通過(guò)系統(tǒng)對(duì)已保存的異常情況區(qū)域的視頻進(jìn)行查看和取證。
3.3關(guān)鍵技術(shù)研究
由于船舶進(jìn)閘和出閘時(shí)，速度并非勻速，因此如何獲取船舶的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)狀況非常重要。對(duì)于船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，一般來(lái)說(shuō)，有以下3種方案［3］：（1）通過(guò)船舶GPS位置信息，監(jiān)測(cè)船舶的動(dòng)態(tài)位置信息。該方法是直接利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。但是由于GPS數(shù)據(jù)自身的誤差限制，船舶GPS數(shù)據(jù)能否滿足船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)要求，還需要進(jìn)一步確認(rèn)。（2）加裝速度和距離監(jiān)測(cè)設(shè)備。速度和距離監(jiān)控在陸上交通中已經(jīng)應(yīng)用得非常成熟，包括公路上的超速監(jiān)測(cè)、防撞監(jiān)測(cè)等。速度和距離的監(jiān)控手段一般包括通過(guò)紅外、激光等硬件監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、通過(guò)視頻監(jiān)控分析等軟件輔助設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于航運(yùn)自身的特點(diǎn)，陸上的監(jiān)測(cè)設(shè)備能否直接應(yīng)用到過(guò)閘船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行確認(rèn)。（3）通過(guò)視頻識(shí)別的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)獲取視頻圖像，并使用圖像識(shí)別的手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是一種可選的方式。但是由于船舶進(jìn)、出閘非勻速運(yùn)動(dòng)，所以實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，在識(shí)別區(qū)域，通過(guò)分類器的分類數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)識(shí)別是否存在船舶。對(duì)于船舶過(guò)閘智能監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是本系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，該技術(shù)的解決，決定了船舶過(guò)閘智能監(jiān)控的具體技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)。下面研究通過(guò)設(shè)定標(biāo)識(shí)線、警戒線（測(cè)速線）、預(yù)警線（測(cè)速輔助線）3條線來(lái)設(shè)定監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)。其中，標(biāo)識(shí)線用于區(qū)分監(jiān)測(cè)狀態(tài)，警戒線（測(cè)速線）作為測(cè)速觸發(fā)線，預(yù)警線（測(cè)速輔助線）作為測(cè)速結(jié)算線。3條觸發(fā)線的位置可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。首先，監(jiān)測(cè)狀態(tài)的區(qū)分。由于閘次可能是上行閘次，也可能是下行閘次，且不斷地切換，相應(yīng)的監(jiān)測(cè)狀態(tài)也需要不斷切換。系統(tǒng)利用通信實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)的切換，當(dāng)某閘次的上游或下游的監(jiān)測(cè)狀態(tài)已經(jīng)確定為測(cè)速監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，發(fā)送消息到另一個(gè)監(jiān)測(cè)程序，使之重置為越界監(jiān)測(cè)狀態(tài)。其次，確認(rèn)監(jiān)測(cè)狀態(tài)處于測(cè)速狀態(tài)。上游監(jiān)測(cè)程序?qū)τ诒O(jiān)測(cè)區(qū)域，若在標(biāo)識(shí)線左側(cè)最先檢測(cè)出船舶時(shí)，即將上游監(jiān)測(cè)狀態(tài)設(shè)置為測(cè)速狀態(tài)，通過(guò)消息設(shè)定下游為越界監(jiān)測(cè)狀態(tài)；下游監(jiān)測(cè)程序?qū)τ诒O(jiān)測(cè)區(qū)域，若在標(biāo)識(shí)線右側(cè)最先檢測(cè)出船舶時(shí)，即將下游監(jiān)測(cè)狀態(tài)設(shè)置為測(cè)速狀態(tài)，通過(guò)消息設(shè)定上游為越界監(jiān)測(cè)狀態(tài)。再次，測(cè)速實(shí)現(xiàn)的原理，當(dāng)閘室處于測(cè)速狀態(tài)時(shí)，船舶經(jīng)過(guò)測(cè)速線時(shí)記錄船舶經(jīng)過(guò)該線的時(shí)間記為T1，通過(guò)一些算法，將非船舶數(shù)據(jù)過(guò)濾掉，當(dāng)船舶經(jīng)過(guò)測(cè)速輔助線時(shí)，記錄時(shí)間T2，通過(guò)已設(shè)定的兩線距離S，以及T1、T2之間的時(shí)間差（T2-T1）來(lái)計(jì)算速度V=S/（T2-T1）。如果V大于所設(shè)的最大速度，觸發(fā)報(bào)警并進(jìn)行行為抓取。
3.4系統(tǒng)功能
根據(jù)系統(tǒng)方案、主要流程和關(guān)鍵性技術(shù)研究，船舶智能過(guò)閘監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要包括以下功能：（1）船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊獲取過(guò)閘船舶的行駛速度、距離等數(shù)據(jù)；根據(jù)船舶速度、距離的關(guān)系等分析船舶的行為，并進(jìn)行船舶行為的預(yù)測(cè)。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，調(diào)用并顯示過(guò)閘船舶當(dāng)前的動(dòng)態(tài)信息。（2）異常狀況預(yù)警當(dāng)通過(guò)船舶動(dòng)態(tài)監(jiān)控模塊檢測(cè)到船舶可能發(fā)生異常狀況時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)異常預(yù)警，提醒管理人員注意相關(guān)異常信息。預(yù)警信息包括異常發(fā)生的地點(diǎn)、類型、發(fā)生地的實(shí)況視頻等。（3）越界警報(bào)和抓取當(dāng)閘室處于越界監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，船舶超過(guò)預(yù)警線就會(huì)觸發(fā)報(bào)警。船舶超過(guò)警戒線時(shí)，觸發(fā)報(bào)警并進(jìn)行行為抓取。當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)行為抓取之后，將船速、上下游信息、警報(bào)類型、觸發(fā)線位置打在抓取的視頻上，留作視頻證據(jù)。（4）異常視頻錄制在異常狀況發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)異常情況發(fā)生地的視頻進(jìn)行錄制，并自動(dòng)進(jìn)行異常視頻的保存。同時(shí)，根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)流媒體服務(wù)器的相關(guān)設(shè)置，將異常視頻加入到流媒體服務(wù)器的相應(yīng)點(diǎn)播點(diǎn)。（5）異常視頻播放對(duì)于異常視頻，需要自動(dòng)保存，并且能夠自動(dòng)播放。異常視頻的播放需要流媒體服務(wù)器的支持，包括流媒體服務(wù)器的相關(guān)設(shè)置和管理、監(jiān)控點(diǎn)的添加、維護(hù)等。有權(quán)限的管理人員可以通過(guò)流媒體服務(wù)器查看相關(guān)的異常視頻。
4結(jié)語(yǔ)
文章通過(guò)信息化技術(shù)手段，對(duì)蘇北運(yùn)河船舶過(guò)閘行為的智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、異常情況預(yù)警與取證，可以有效減少船閘關(guān)鍵設(shè)施受損壞，預(yù)防船閘安全事故發(fā)生，確保蘇北運(yùn)河船閘的安全與暢通。
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作者：陳剛 單位：京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處
