水域安全监控一体化系统解决方案

第11卷第12期中国水运Vol.12No.11

2011年12月ChinaWaterTransportDecember2011

水域安全监控一体化系统解决方案

杨光伟

（北京视酷伟业科技有限公司，北京100101）

摘要：文中阐述了在水域安全监控中综合利用雷达、AIS、CCTV等多种监控手段实现船舶动态监管的必要性，

一体化监控系统解决方案和实际应用案例。

关键词：雷达；AIS；CCTV；GIS；电子海图

中图分类号：TP273.5文献标识码：A文章编号：1006-7973（2011）12-0095-03

目前在海事、航道、电力、石油、港口、渔业、边防、救通安全管理，提高水上现场监管和应急搜救指挥能力，建立以

捞等水运相关行业都会需要对水域中航行的船舶动态进行实视频摄录为信息采集手段，计算机为数据处理终端，依托水运

时监控。例如：在海事行业应用中需要有效监控全国重点水域单位内部信息网络为主要传输通道的数字电视监控系统。

的水上交通现场态势和现场船舶动态，保障水上交通安全；在CCTV系统是一个直观的现场监管手段，可以通过CCTV系

电力行业应用中需要监视海底电缆保护区内船舶的运动状态，统直接了解现场船舶的航行状况和船舶类型等信息。它的优点

避免过往船舶的抛锚、拖锚及渔业等活动导致海底电缆损坏；是可以对现场情况一目了然，缺点是监控距离比较短，而且除

在石油行业应用中需要监视海上油田作业平台附近区域的船了有可能拍摄到船名以外，无法获取准确的船舶动静态信息。

舶运动状态，避免船舶碰撞导致作业平台结构损坏。以上系统相互独立，各自在水运相关行业的船舶监控中

本文分析了当前水运相关行业在船舶监管中所采用的雷发挥着重要作用。但各个系统在独立运行的过程中由于其固

达监控系统、船舶自动识别系统（AIS）和CCTV电视监控有的缺点已经无法满足快速发展的中国水运部门对船舶动态

系统的优缺点，阐述了在水域安全监控中综合利用雷达、AIS、监管越来越高的要求。多种船舶动态监管手段的整合已经提

CCTV等多种监控手段实现船舶动态监管的必要性，介绍了到日程上面来了。例如在海事行业中，VTS系统和AIS系统

水域安全监控一体化系统解决方案及实际应用案例。在近几年的招标过程中已经明确提出要求实现VTS船舶信

一、几种水域安全监控手段及其特点号和AIS船舶信号的自动融合、CCTV与VTS和AIS的联

目前在水运相关行业中为实现船舶动态监控常采用的几动控制实现船舶的自动跟踪；在电力行业中，输电海缆安全

个系统分别为：运行监控系统在最近的招标过程中也已经提出了综合利用雷

雷达监控系统：雷达监控系统是采用雷达技术对船舶的达、AIS、CCTV等多种船舶动态监管手段。

航行状况进行高效、准确地监管，是我国港口船舶管理中主水域安全监控一体化系统整合了雷达监控系统、AIS船

要使用的一种技术手段。雷达监控系统通过雷达扫描主动对舶自动识别系统、CCTV电视监控系统等多系统的综合应用，

雷达所覆盖区域的船舶位置和航行状况进行侦测。它的优点弥补了单一系统的不足，实现了各个系统的优势互补，这样

是可以实现覆盖水域船舶的主动侦测，获取船舶的位置、航就有效保证了对水域内航行船舶全方位、全天候、无盲区、

速和航向信息，且刷新速度快；缺点是无法获取船舶的静态无漏洞的动态监管。

信息，如船名、呼号，且雷达信号存在盲区。二、技术难点

船舶自动识别系统：船舶自动识别系统（Automatic1．雷达目标录取跟踪技术

IdentificationSystem，简称AIS系统）是目前最为常用雷达监控系统是将雷达扫描出的模拟视频信号输出后进

的船舶动态监管手段，由岸基（基站）设施和船载设备共同行数字化，并对数字化后的雷达视频进行点迹提取，进而实现

组成，是一种新型的集网络技术、现代通讯技术、计算机技移动船舶的目标跟踪。由于雷达数据本身是由信号和噪声组

术、电子信息显示技术为一体的数字助航系统和设备。AIS成，两者是矛盾体，理论上不存在将两者完美分离的方法，即

系统通过安装在船上的AIS船台发出船舶的相关位置、航速、如果过度的抑止噪声则可能损失信号、过度的保留信号则会残

航向等动态信息和船名、呼号等船舶静态信息，由岸基AIS留噪声，因此，雷达目标录取跟踪的结果并不是100％准确的。

台站接收船舶的AIS信息，实现对AIS船舶的跟踪。它的优这就需要采用有效的跟踪滤波技术最大限度的提高雷达

点是全国沿海已经全部覆盖了AIS岸台，AIS船舶发出的信目标录取跟踪的准确度。跟踪滤波技术根据雷达测量值实时

息较全，包含了动态信息和静态信息，且不需人工标示，覆估计当前的目标位置、速度等运动参数并推算出下一次观察

盖范围广。缺点是被动接收信号，且只有安装有AIS船台的时目标位置的预测值以检验下一次观测值的合理性，常用的

船舶才能被监控，且受通信网络和是否开机的影响。跟踪滤波器包括α-β滤波器、维纳滤波器和卡尔曼滤波器。其

视频监控系统：视频监控系统（CCTV）是为加强水上交中卡尔曼滤波器中除装有稳定的目标轨迹模型外，还包括测

收稿日期：2011-10-15

作者简介：杨光伟，北京视酷伟业科技有限公司副总经理。

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量误差模型和目标轨迹的随机抖动模型，可以对时变和非时插件式架构是现今非常先进和流行的系统架构模式，特

变的目标动态系统作出最佳路线、最小方差的无偏估计。除别适用于需处理多种类型数据的应用环境。通过这种架构，

目标状态估计外，卡尔曼滤波器还能估计状态估值的误差协可以使接入其他应用系统的信息源变得非常简单，只需要做

方差矩阵，利用状态估值的误差协方差矩阵可以检测目标机数据解析部分即可，数据的处理流程由框架去完成。并且用

动，调整滤波系数，实现对机动目标的自适应滤波。户可以依靠用户界面规划数据处理的流程，而不是以往的修

2．雷达、AIS与CCTV联动技术改大量软件代码。而采用WebService和Socket双轨制的

雷达或AIS系统为我们提供了船舶的相关位置信息和航网络通信方式又可以在更好的利用网络带宽资源的同时尽量

速航向信息，CCTV系统为我们提供了现场视频图像。雷达、回避防火墙问题。

AIS与CCTV联动技术是要能准确控制云台镜头的运动，使三、水域安全监控一体化系统解决方案

云台、摄像机、镜头能根据船舶的经纬度信息和航速、航向水域安全监控一体化系统的主要功能模块构成图如下图

信息始终准确的对准行进中的船舶。在电视监控系统中通常1所示。系统采用先进的插件式架构，具有很强的定制开发

采用的云台为直流、模拟控制云台，要实现其准确定位需要能力，每个功能都是由一个功能插件来实现，便于修改和扩

开发一个智能控制单元，以及相应的联动追踪算法。展，这样就可以通过定制开发新的功能插件满足水运及相关

通过雷达/AIS系统获取被跟踪监控船舶的动态信息（主行业不断发展变化的应用需求。

要为船舶的经纬度坐标位置信息和航速、航向信息），CCTV

监控点系统信息（主要为监控点经纬度坐标的位置信息），通

过雷达/AIS与CCTV联动追踪算法组件，反馈给智能控制

单元，由智能控制单元来驱动云台与镜头准确动作，通过自

动选取的最合适的摄像机实现CCTV对被监控船舶的跟踪监

控。当船舶驶离该摄像机的监控范围时，追踪算法组会根据

船舶的经纬度位置，自动选取下一个最合适的摄像机使其对

目标船舶进行接力跟踪监控。

3．目标数据融合技术图1系统功能模块构成

目标数据融合技术包括多个雷达目标数据的融合和雷达系统主要分为五大功能模块：雷达侦测、GIS、实时监

与AIS目标数据的融合。对于同一个移动目标，当它同时处管、查询统计和数据接入整合。

于多台雷达设备的扫描区域时，来自于不同雷达的跟踪数据雷达侦测功能模块主要实现雷达监控系统的功能，同时

由于扫描时刻的不同对该目标会有不同的录取跟踪结果，即整合了AIS船舶自动识别系统的功能，主要包括雷达目标数

不同的经纬度、航速和航向数据。同理，同一个移动目标来据与AIS系统数据的融合、雷达原始视频数据与电子海图数

自于雷达的跟踪数据和来自于AIS系统的位置数据也会有所据的叠加显示。该模块可以接入标准的岸基雷达设备如丹麦

不同。为了保证系统不会由于数据来源的不同将同一个移动TERMAA/S公司的SCANTER2001系列产品的输出的模

目标错误的识别为多个不同的移动目标，这就需要实现多个拟信号，经数字化后通过数字图像处理技术对雷达视频图像

雷达目标数据的融合和雷达与AIS目标数据的融合。中的移动目标进行录取跟踪，识别出有效的船舶目标，并计

多个雷达的录取跟踪模块所在计算机需要跟GPS时间算出船舶目标的经纬度、航向和航速信息。再通过与AIS系

服务器进行时间同步，在实现时间同步后，每条目标跟踪数统数据的融合技术引入船舶目标的船名、呼号等静态信息，

据都可以打上一个GPS时间戳。来自不同雷达的跟踪数据在所有的船舶动静态信息叠加显示在电子海图之上，即实现了

多次比较经纬度位置与GPS时间戳都比较相近的情况下，就对雷达覆盖水域船舶的主动侦测。同时通过雷达原始视频数

自动进行融合。据与电子海图数据的叠加显示技术还可以及时发现未被系统

对于AIS数据，每条AIS目标数据中都带有GPS时间中识别出的移动目标，及时做出人干预处理。

的秒时间戳（一个0到59的数，代表GPS时间中的秒），只GIS功能模块即为系统的基础地理信息系统平台，采用

要从AIS目标发出信号到系统接收到这个信号之间的延迟不了高速动态目标绘制技术和专业的电子海图/地图渲染技术，

超过1min，我们就可以为这个AIS数据补齐年、月、日、时、专门为电子海图应用和移动目标监控而设计，可以在同时监

分等时间戳信息。补足GPS时间戳信息后，AIS目标与雷达管10000个移动目标的情况下无任何闪烁和延迟。该平台实

目标的融合就和多雷达目标间的融合算法没有什么差别。现了电子海图和电子地图的混合显示和无缝拼接，支持S-57

4．其他信息系统数据的接入整合技术数据格式、S-52显示标准的电子海图数据和shp、tab等公

在信息化的过程中，如果没有很好的开放性，就会形成开格式的电子地图数据；该平台在实现了电子海图/地图可视

信息孤岛。因此系统设计上应遵循开放性原则，具有与其他化显示及缩放、查询等操作功能的同时，还支持强大的地理

信息系统（业务系统、遥测遥控系统等）进行数据交换和数信息要素标绘功能，包括了点、线、面的要素标绘，标绘的

据共享的能力。并且在接入数据后，要对这些数据使用种类显示样式可以采用与S-52显示标准完全相同的符号以保持

繁多的应用功能，如果不采用先进的系统架构，将难免陷入显示效果的一致性，也可采用用户自定义的符号以突出显示。

系统难以扩展或BUG循环的困境。实时监管功能模块主要实现CCTV（下转第98页）

98中国水运第11卷

变化。其中前两种变化可以由声压调制因素产生，第三部分涉仪进行光程匹配，使得在某一时刻阵列中只有一个干涉仪

则构成系统的光相位噪声。与匹配干涉仪串联满足相干条件。典型的相干多路复用结构

一般光纤水听器探头都经过增敏处理。最简单的增敏方如图2所示：

法是将干涉仪的传感臂缠绕在一个声压弹性体上，这样声压

变化时，弹性体随声压受迫振动，传感光纤长度被调制，这

样声压对光纤水听器的调制主要表现为光纤轴向长度的调

制。经过理论分析，这种光纤轴向长度的变化与声压的变化

成正比，于是有：图2水听器阵列相干多路复用结构示意图

Δ≈=kp

2πnlvΔl

s

cl

（4）

其中是比例系数。（4）式说明干涉仪由水声引起的相

k

位差变化与声压变化成正比，该式是干涉型光纤水听器拾取

声信号的理论基础。

2．水听器阵列的相干多路复用技术

由于单个的水声探测器远远不能满足实际的军用与民用

要求，所以人们很早就开始了水听器阵列技术的研究。现在水

听器正向着多节点、大监控范围的方向发展，每个阵列包含上

千个节点，数百km的监控范围，鉴于水中工作条件的恶劣性，

要求探测系统必须高性能、高可靠性，多路复用技术由于其可

复用性理所当然的被用于这种阵列信号的传输之中。

光纤水听器的相干多路复用是通过远端光程匹配技术来

实现的。其特点是阵列中的单元光纤水听器均采用不等臂长

的干涉仪结构，而且各干涉仪的臂长差均不相同，并要求光

源发出光的相干长度小于各干涉仪最小臂长差，使其均不能

满足相干条件；阵列信号的接收端串联一个可变臂长的匹配

干涉仪，臂长的调整范围能涵盖阵列所有干涉仪的臂长差。

通过调整匹配干涉仪的可调臂长度，分别对阵列中的每个干

（上接第96页）电视监控系统的功能。除了支持常规的电系统正是满足这种综合性强、要求高、节奏快的工作模式的

视监控系统功能即人工控制摄像机指向重点区域之外，该模块有效解决方案。

还可以接入雷达侦测模块或数据接入整合模块提供的船舶位

置信息和航速航向信息，通过相关的智能控制单元和联动追踪

算法，准确控制云台镜头的运动，使云台、摄像机、镜头能根

据船舶的经纬度信息、航速和航向始终准确的对准行进中的船

舶。该功能在天津港等多个港口已经得到了实际应用。

查询统计功能模块实现系统自身的数据或接入的外部业

务系统数据的查询和统计，查询统计结果既可在电子海图上

展示，也可以传统的表格、直方图或饼状图方式展示。

数据接入整合功能模块是系统的通信后台，除实现雷达、图2世博会水上交通管控指挥中心

AIS、CCTV、GPS数据的接入、分类、记录和转发外，还该系统的应用提升了险情隐患的发现率，降低了工作人

可实现其它遥测遥感系统或业务系统数据的接入和整合。员的劳动强度，使现场管理更加有的放矢，为上海世博会期

四、水域安全监控一体化系统应用实例间的水上交通安保指挥工作提供了“运行高效、反应及时、

该解决方案已成功应用于2010年上海世博会期间的水服务便捷”的技术保障。

上交通安保指挥工作。如图2所示。上海世博会历时184d，参考文献

在此期间不仅有日常通航的船舶，而且各类交通船、旅游船[1]林长川.雷达与AIS目标位置信息融合方法的研究[J].

也大幅增加，水上交通环境复杂多变。为保障世博会期间的[2]吴建华.现代导航信息系统.

水上交通安全，各级水上指挥中心要准确及时的综合各类信[3]中国海事局.中国海区AIS岸基网络系统信息播发规范

息，高效的组织各种海事力量进行现场监管、救助和应急指[S].

挥。而以电子海图平台为基础，汇集多种动、静态信息，并[4]北京视酷伟业科技有限公司.VTS/AIS与CCTV联动船舶

能根据世博会管控方案进行智能判断的水域安全监控一体化自动跟踪系统.

三、结论及展望

本文对光纤水听器原理极进行了论述，提出了水听器阵

列相干多路复用结构，为下一步工作的开展提供了理论依据。

拖曳式光纤水听器阵列是目前海洋目标识别领域非常先

进的现场监测系统，它除在军事领域之外，在其它领域也有

广泛的用途，将很大程度上解决我国水听器长期依赖进口的

状况，解决我国测试手段单一、设备老化的现状，将极大地

提高对海洋、江河、湖泊进行现场实时监测的能力，提供出

更为翔实的监测资料，提高监测手段的科学性和时效性，对

我国监测领域具有重大意义。

参考文献

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社，2001.

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电子工程，2001（2）：7-11.

[3]殷纯永.激光干涉原理[M].天津：天津大学出版社，1999.

[4]中井贞雄，熊缨译.激光工程原理与应用[M].北京：科学

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[5]刘继芳.现代光学[M].西安：电子科技大学出版社，2004.