渡口水域安全监管技术研究
文捷+耿雄飞
摘 要：随着内河水运发展，渡口水域安全监管问题日益凸显，本项目通过对现有船舶安全监管技术进行比较分析，利用远红外视频监控技术和AIS落水人员示位标、渡口船舶指挥调度一体机等技术和设备，实现了针对特定水域高精度、主动探测的船舶动态监管系统，该系统远近结合、动静匹配，能够全面保障渡口水域的水上交通安全。
关键词：渡口监管；目标识别；远红外；落水人员示位标
中图分类号：U696 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2016）10-0040-02
1 引言
近几年来，内河水运发展情况良好，水运在综合运输体系中的地位和作用逐步增强，港口吞吐量持续增长。随着水路运输的发展，安全监管问题也成为了需要重点解决的问题。2012年8月16日凌晨1点40分，马和轮渡104号在由马鞍山开往和县途中，整船瞬间从江面沉入汹涌的长江中，导致21人落水，由于天黑搜救困难，仅9人被救，12人失踪。以长江为例，仅2011年长江全线共开展救助行动200起，涉及遇险人员3534人，引起了广泛的社会关注。
目前我国针对渡口水域水上安全监管能力仍然非常薄弱，特别是对于部分公益性渡口渡船的安全投入缺口较大，部分地区对渡口设施保护不足，渡口基础设施损毁现象严重。部分渡运从业人员安全意识淡薄，沿淮地区汽车渡口安全隐患突出。
2 安全监管技术现状及存在的问题
目前，世界主要海洋强国，已形成完善的落水人员海空立体搜救应急保障体系，其海上搜救具有高时效性和准确性，主要体现在三个方面：一是先进的落水人员搜救定位终端，二是可靠的落水目标追踪系统，三是便捷的调度指挥系统。
相对于海上安全管理来说，渡口水域安全监管制度落后，渡口安全管理受制于客观条件，很难实现信息化救生衣的全面配布的规范穿着，有效搜救时间较短，因此迅速锁定落水人员位置、快速调度周边船只是亟需解决的问题。
未来的渡口搜救应急系统应该包括如下要素：首先可以快速地指出遇险目标的位置，以提高搜救的时效性和准确性，极大地挽救人员生命和财产安全。同时，由于人工智能技术的发展，搜救应急系统将更加智能化，可以计算最合适的搜救范围，自我确定合适的搜救决策措施等。
针对以上目标，通过对主要船舶动态监管手段（表1）进行对比分析发现，基于北斗的船舶动态监控系统的监控范围较大，且不需要岸基基站的通信传输支持；VTS系统和视频监控系统则属于主动式信息获取，不需要船舶配合；视频监控系统的建设难度最小，AIS系统已经建设完成，只需要对数据进行有效利用便可以实现区域监管。
综合分析渡口水域的实际情况，船舶动态监管系统应当同时具备主动探测和远程监管的能力。单纯依靠某一项技术无法实现全面的监管，因此，项目组通过分析比选，对现有技术进行集成，提出了一套能够有效实现特定水域高精度、主动探测的船舶动态监管系统，该系统远近结合、动静匹配、先进实用，能够全面保障渡口水域的水上交通安全。
3 渡口安全监管技术研究
本项目通过对现有船舶监管技术进行综合分析，旨在打造一套有效实现特定水域高精度、主动探测的船舶动态监管系统，通过采用远红外视频监控技术及AIS技术，来对渡口水域进行综合监管。研究主要包括两部分，第一部分是基于远红外热成像的落水人员检测系统，第二部分是基于AIS的渡口船舶指挥平台。
3.1 落水人员检测系统
现代水上航运的繁荣，对内河航运过程中人员落水搜救提出了更高要求。落水人员的搜救是一个技术性很强的系统工程，落水人员的搜救系统主要由落水人员的视觉定位系统组成，通过定位能在接到求救信号后第一时间定位到落水人员尽可能准确的位置，缩小搜救范围。
根据以上需求，系统既要能够在数字图像中识别人体目标，又要识别、监测落水人员的具体位置和速度等情况，同时还要能够对区域中多个人员目标进行跟踪和统计。
针对上述要求，首先系统基于数字图像，进行人员目标的特征提取，系统采用目前能够描述边沿和局部形状信息的最好特征提取方法之一的HOG特征，以及采用简单而有效的纹理描述符LBP，该方法具有很高的区分度，而且对于光照强度也不敏感。通过将上述两者结合起来从而共同完成人体目标的特征提取，最后利用积分直方图来计算加速HOG-SLBP特征提取。在分类器方面，采用弱分类器级联成强分类器的方法，每个特征向量可以使用快速差值核支持向量得到一个弱分类器，然后通过具有区分度的弱分类器来级联成为强分类器。
通过人员目标识别技术可以准确识别图像中的人员目标信息，然后系统将对监视水域进行远红外小角度掠射式扫描成像，通过快速透视变换和自适应图像拼接，还原出水域平面的正投影图像；利用扫描成像方式扩展有效工作区域，提高横向分辨率，同时采用双远红外摄像机交叉成像方式细分单像素分辨面域，可大大提高图像远端的径向分辨率；利用远红外数字图像亚像素定位的快速算法，可实现目标的自动识别、定位、跟踪与测量。
系统采用了远红外热成像技术，远红外热像摄像机可接收到船体自身热辐射的能量，因此可在全黑的环境下工作。所选择的工作波段应覆盖“大气窗口”，具有很强的穿透能力，各种恶劣天气对其工作基本上没有影响，且其能够在夜间、雾天及雨雪等恶劣气候中正常工作，当发现人员落水时，及时用强烈的音响、灯光等信号向落水人员和管理者报警。
系统主要由远红外摄像机2台组成，对渡口水域进行监视，并与中控电脑连接。同时数据实时通过无线模块发射到指定位置，可以随时调用数据查看，总体效果如图1所示。
3.2 搜救船舶指挥平台
针对于渡口区域，在拥有了基于远红外热成像的落水人员检测系统，能够在第一时间监控落水人员状况，但是一旦脱离了视频监控范围，远红外的作用效果将很难发挥出来。针对水上搜救实时性和可靠性要求高的特点，本项目研究开发了搜救船舶指挥平台。
整体搜救指挥系统由渡口船舶调度指挥一体机、渡口船舶调度指挥软件和AIS落水人员示位标构成。当人员落水时，AIS落水人员示位标立即发出AIS报文，实时定位遇险位置；渡口船舶调度指挥一体机接收AIS落水人员示位标的预警信息，制定搜救计划、调派搜救力量、监控搜救任务的执行。
3.2.1 渡口船舶调度指挥一体机
渡口船舶调度指挥一体机，是针对水上搜救实时性和可靠性要求高的特点，通过集成AIS接收机、便携式鞭状天线、锂电池、计算机主板、CPU、内存、硬盘、显示器等硬件设备；渡口船舶调度指挥一体机不需要网络支持，能够随时开展船舶调度指挥。
3.2.2 渡口船舶调度指挥软件
渡口船舶调度指挥软件包括船舶动态显示、渡线区域监控、渡船历史轨迹回放、渡口统计分析等应用软件模块；这些软件模块可以在离线版的GIS平台上进行应用。
3.2.3 AIS落水人员示位标
AIS落水人员示位标一种基于通用船舶自动识别系统，适用于落水者随身携带和可以连续使用72小时的AIS定位显示终端。当佩有该救生设备的人员落水后，遇水开关可自动触发设备发出求救信息，自漂浮结构可保证该设备始终保持垂直漂浮状态。
4 总结
本课题针对渡口水域安全监管与搜救问题开展研究工作，通过利用基于远红外热成像的落水人员监控系统采用了远红外热成像技术，能够在夜间、雾天及雨雪等恶劣气候中能够快速识别数字图像中的的人体目标，并确定其具体的空间位置。通过船舶调度指挥一体机、渡口船舶调度指挥软件和AIS落水人员示位标，实现了基于GIS的渡口船舶调度指挥平台。两套系统能够形成有效的互补，远红外视频监控技术能够在人员第一时间感知到落水人员位置，并发出报警信息；船舶调度指挥平台，能够在落水水域，根据AIS落水人员示位标所标注的位置，开展搜救工作。通过以上研究工作，针对渡口安全监管问题，提出了一套可行的技术方案，在后续工作中可以深化研究，从而有效促进渡口水域的安全监管。
项目支持：国家科技支撑计划课题“基于自动识别（AIS）技术的个人海上搜救系统的研制”（2014BAK12B06）
