水閘禁區(qū)船只闖入監(jiān)測(cè)方案探討

王 翔

（上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海 200080）

0 引言

隨著上海地區(qū)水閘運(yùn)行與管理逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、信息化發(fā)展，“少人值守、無人值守”正在逐步取代傳統(tǒng)的全人工化操作。在這一進(jìn)程里，考慮到實(shí)施水閘遠(yuǎn)程操作條件下，在閘門啟閉的運(yùn)行過程中，如果恰逢有船只闖入內(nèi)外河禁區(qū)，而現(xiàn)場(chǎng)無人及時(shí)觀測(cè)到，那將是非常危險(xiǎn)的。為充分保障安全，除加強(qiáng)管理外，還可以考慮對(duì)禁區(qū)附近的通行船只采取自動(dòng)監(jiān)測(cè)，架構(gòu)集探測(cè)、視頻監(jiān)視、控制、圖像顯示、記錄和回放等功能于一體的安防系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控[1]。通過運(yùn)作，達(dá)到在閘門啟閉過程中，對(duì)可能闖入禁區(qū)這一立體區(qū)域內(nèi)的船只進(jìn)行預(yù)識(shí)別，確定入侵行為及啟動(dòng)高警提示的目的，甚至在必要時(shí)緊急停機(jī)，以便在保護(hù)水閘設(shè)施設(shè)備的同時(shí)，保證船只的安全。

1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備分析

1.1 常見的戶外監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)

1.1.1 紅外對(duì)射偵測(cè)技術(shù)

紅外探測(cè)報(bào)警按工作方式可分為主動(dòng)紅外入侵和被動(dòng)紅外探測(cè) 2 種方式[2]。主動(dòng)紅外入侵探測(cè)一般成對(duì)使用發(fā)射機(jī)和接收機(jī)各 1 個(gè)。由發(fā)射機(jī)通過事先調(diào)置的程序?qū)ν獍l(fā)出 1 束或多束肉眼無法看到的紅外輻射光束，當(dāng)物體闖入既定區(qū)域時(shí)，將阻斷發(fā)射的光束，接收機(jī)感應(yīng)到被遮光束的百分比數(shù)值超過事先設(shè)定的臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)出警報(bào)。被動(dòng)紅外探測(cè)一般利用移動(dòng)物體自身輻射的紅外線，通過熱釋電紅外探測(cè)元件實(shí)施監(jiān)測(cè)。在實(shí)踐中，運(yùn)用紅外對(duì)射可以監(jiān)測(cè)到船只通過警戒線，但這一技術(shù)受水閘環(huán)境的干擾較大，安裝位置的要求也較高。

1.1.2 微波對(duì)射偵測(cè)技術(shù)

微波對(duì)射偵測(cè)主要使用微波對(duì)射探測(cè)器實(shí)施監(jiān)測(cè)，使用方式類似于紅外對(duì)射，構(gòu)成中有發(fā)射器和接收器各 1 個(gè)。由發(fā)射器發(fā)射的微波能量束直接或經(jīng)過環(huán)境如地面、墻面等間接到達(dá)接收器。當(dāng)有物體闖入時(shí)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)能量將產(chǎn)生波動(dòng)和變化，隨即信號(hào)處理器對(duì)接受器的感應(yīng)進(jìn)行分析，給出預(yù)警或報(bào)警信號(hào)。

1.1.3 振動(dòng)感應(yīng)偵測(cè)技術(shù)

目前多運(yùn)用震動(dòng)電纜或光纖實(shí)施監(jiān)測(cè)。震動(dòng)電纜多采用具有壓電效應(yīng)的同軸電纜，闖入者的外界動(dòng)作可以引發(fā)同軸電纜的內(nèi)部感應(yīng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成設(shè)置的電信號(hào)，通過分析處理后發(fā)出警報(bào)。震動(dòng)光纖探測(cè)體主要由光纖處理器及收、發(fā)回路感應(yīng)光纖等構(gòu)成，由闖入者的外界震動(dòng)引起光纖的物理變形，通過光導(dǎo)、電等信號(hào)的改變，由處理單元分析后實(shí)施報(bào)警。

1.1.4 移動(dòng)分析偵測(cè)技術(shù)

移動(dòng)分析偵測(cè)是在指定區(qū)域內(nèi)，對(duì)識(shí)別的圖像，通過視頻幀的截取、計(jì)算，做出變化的比較，偵測(cè)到運(yùn)動(dòng)物體的存在，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和目標(biāo)檢測(cè)。在實(shí)踐中，可以監(jiān)測(cè)到船只通過警戒線，但受天氣狀況變化的影響較大，同時(shí)，需增加遠(yuǎn)紅外燈以解決夜晚圖像的問題。

1.1.5 激光干預(yù)偵測(cè)技術(shù)

激光雷達(dá)作為光電信息的探測(cè)、監(jiān)測(cè)和采集技術(shù)的手段之一，是人們?cè)诩す庹丈浜徒邮盏目沼蚍秶鷥?nèi)探測(cè)目標(biāo)的重要手段[3]。多普勒雷達(dá)從傳統(tǒng)微波雷達(dá)向光學(xué)領(lǐng)域拓展，充分利用激光高度的相干性、單色性和方向性，并結(jié)合運(yùn)用多普勒原理，由激光器發(fā)射相應(yīng)激光束，再由接受元件將闖入物反射回來的信號(hào)送到處理系統(tǒng)，分析頻移信息，做出預(yù)警判斷，進(jìn)而給出報(bào)警信號(hào)。

1.2 探測(cè)設(shè)備技術(shù)選型

水閘的特殊地理環(huán)境和工作特點(diǎn)，要求檢測(cè)到船只闖入的探測(cè)設(shè)備必須安全性、穩(wěn)定性、實(shí)用性都較強(qiáng)，以便較為精準(zhǔn)地測(cè)量入侵船只的位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到測(cè)定、識(shí)別、分辨和跟蹤的目的，從而作出最優(yōu)的趨勢(shì)判斷。在初步圈定適合的偵測(cè)技術(shù)范圍后，還應(yīng)綜合考慮以下幾方面的參數(shù)，為選型決策提供進(jìn)一步的參考：

1）識(shí)別率。要求對(duì)禁區(qū)內(nèi)船只闖入和滯留的識(shí)別程度盡可能高。

2）誤報(bào)率。對(duì)于天氣變化（日照、溫度、風(fēng)雨等）、人工光源（車燈、路燈、景觀燈等）、各類陰影等影響因素帶來的誤報(bào)程度要盡可能低。

3）虛警率。對(duì)于飛鳥和小動(dòng)物的闖入行為等觸動(dòng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警要盡可能判別出來。

4）定位精度。由于闖入中的船只具備較快的移動(dòng)速度，且一些水閘附近有遮擋區(qū)域，船只較易在幾秒內(nèi)進(jìn)入遮擋處，從而瞞過值班人員的眼睛，造成誤報(bào)。所以，米級(jí)精度在某些環(huán)境中是必須的。

幾種戶外報(bào)警技術(shù)對(duì)比結(jié)果如表 1 所示。

經(jīng)過比較，激光雷達(dá)偵測(cè)設(shè)備可以作為水閘禁區(qū)船只闖入自動(dòng)探測(cè)設(shè)備中較優(yōu)的選擇。

表1 幾種戶外報(bào)警技術(shù)對(duì)比結(jié)果

1.3 攝像設(shè)備技術(shù)選型

攝像機(jī)是拾取圖像信號(hào)的設(shè)備，一般通過拍攝物體的方式，將獲得的光學(xué)圖像信號(hào)，通過攝像器件轉(zhuǎn)變，再經(jīng)過電路處理和調(diào)整，形成可以記錄存儲(chǔ)或顯示的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，進(jìn)而通過傳輸設(shè)備送到終端以供觀看[4]。

考慮到水閘的具體環(huán)境，若安裝常規(guī)的攝像機(jī)，不但照度變化會(huì)很大，而且水位的漲落起伏及經(jīng)常出現(xiàn)的漂浮物使得背景的變化波動(dòng)也較大，這些都不利于常規(guī)攝像機(jī)進(jìn)行記錄。為了清晰準(zhǔn)確地觀察到水閘禁區(qū)內(nèi)的狀況，最大限度地避免船只闖入事故的發(fā)生，熱紅外攝像機(jī)可以作為水閘禁區(qū)船只闖入自動(dòng)攝像設(shè)備中較優(yōu)的選擇。這樣，在白天和漆黑夜晚，借助紅外燈，甚至不用紅外燈，都可獲得良好的目標(biāo)紅外或熱輻射圖像[5]。

2 監(jiān)測(cè)安防系統(tǒng)架構(gòu)要點(diǎn)

2.1 前端設(shè)備

前端設(shè)備是整個(gè)系統(tǒng)一切信息的總來源，主要是獲取視頻與音頻信息，對(duì)非法侵入行為進(jìn)行探測(cè)與報(bào)警[6]。在實(shí)踐中，依靠前端設(shè)備可以獲取闖入船只的各類入侵偵測(cè)和音視頻信息。前端設(shè)備主要構(gòu)成如圖 1 所示。

其中的關(guān)鍵設(shè)備是探測(cè)和攝像設(shè)備。

圖1 前段設(shè)備主要構(gòu)成

2.1.1 探測(cè)設(shè)備

以探測(cè)設(shè)備中的 110° 激光雷達(dá)（可靠識(shí)別扇面105°）為例，主要設(shè)備包含用來獲得目標(biāo)觀察船只距離的激光測(cè)距儀、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)和光學(xué)反射裝置等。此外，可選配內(nèi)置黑白攝像機(jī)、PTZ 攝像機(jī)和紅色激光瞄準(zhǔn)束等。

當(dāng)馬達(dá)啟動(dòng)后，光學(xué)反射裝置旋轉(zhuǎn)，反射的激光束會(huì)沿著 1 個(gè)扇面移動(dòng)，經(jīng)接收窗口捕獲，創(chuàng)建 1 個(gè)檢測(cè)平面，即識(shí)別區(qū)。110° 激光雷達(dá)平均 0.2″ 會(huì)對(duì)識(shí)別區(qū)內(nèi)的任意點(diǎn)掃描 1 次，一旦有船只進(jìn)入預(yù)設(shè)禁區(qū)，激光雷達(dá)會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)算船只的距離、大小、方位，在確認(rèn)為可疑目標(biāo)后，立刻通過智能儀表 RS-485 將偵測(cè)信息發(fā)送回監(jiān)控中心，并激活相應(yīng)角度的黑白攝像機(jī)切換或遙控 PTZ 攝像機(jī)進(jìn)行自主跟蹤。

110° 激光雷達(dá)的安裝方式是可以選擇的。水平安裝時(shí)，根據(jù)安裝高度的不同，構(gòu)成 1 個(gè)掃描扇區(qū)或掃描環(huán)帶（110°×120 m 半徑），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入侵目標(biāo)；垂直安裝時(shí)，構(gòu)成一道嚴(yán)密的激光幕墻，即虛擬警戒墻（110°×120 m 半徑）。

2.1.2 攝像設(shè)備

以攝像設(shè)備中的 S260 型紅外熱像儀為例，在10～100 m 范圍內(nèi)的來往船只和人員入侵都能夠監(jiān)測(cè)到，只要物體進(jìn)入畫面，系統(tǒng)就能進(jìn)行識(shí)別。在水閘遭遇惡劣天氣狀況時(shí)，也能較好地適應(yīng)這一環(huán)境，及時(shí)輔助激光雷達(dá)，形成識(shí)別目標(biāo)圖像，有利于快速發(fā)現(xiàn)安全隱患，避免意外入侵，滿足實(shí)時(shí)在線監(jiān)控的需求。在本監(jiān)測(cè)中，要加配護(hù)罩和云臺(tái)，通過控制，使云臺(tái)帶動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，可以使攝像機(jī)覆蓋的角度和面積變得更大，從而多方位記錄船只闖入內(nèi)外河禁區(qū)的圖像。

2.2 傳輸設(shè)備

傳輸設(shè)備肩負(fù)著信息和信號(hào)傳遞的功能，通過它，前端設(shè)備采集的圖像和聲音等數(shù)據(jù)可以傳遞到控制和終端設(shè)備進(jìn)行運(yùn)作，同樣，控制端采取的控制信號(hào)等也可以傳遞到前端，從而完成雙向數(shù)據(jù)的流通與操作。

本監(jiān)測(cè)方案中信息主要有從前端探測(cè)器、攝像機(jī)等傳向控制中心的視頻及音頻信號(hào)，以及從控制中心傳向前端設(shè)備等受控設(shè)備的控制信號(hào)。對(duì)于架構(gòu)了防闖入監(jiān)測(cè)安防系統(tǒng)的水閘而言，系統(tǒng)的整個(gè)控制信號(hào)，是從入侵探測(cè)器開始，傳向控制中心的報(bào)警主機(jī)，再通過報(bào)警信號(hào)接口箱傳向視頻監(jiān)控的主機(jī)。視頻監(jiān)控主機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制攝像等設(shè)備的動(dòng)作，由此將圖像和音頻等傳輸回控制中心，從而完成報(bào)警與視頻監(jiān)控的全過程。

信號(hào)的運(yùn)行通信一般有有線和無線傳輸 2 種方式。在水閘環(huán)境實(shí)踐中，傳輸距離相對(duì)較遠(yuǎn)，可考慮在 RS-485 串行總線標(biāo)準(zhǔn)下，采用雙絞線平衡傳輸?shù)挠芯€傳輸方式，這樣的方式完全能夠達(dá)到較好的傳輸目的，傳輸信號(hào)在千米以外也有能力進(jìn)行自我恢復(fù)。此外，如果所在水閘已經(jīng)布有光纖線纜，可以加以利用。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、不受電磁波干擾、重量輕、保密性好等優(yōu)點(diǎn)[7]，可以達(dá)到較高質(zhì)量的傳輸效果。而無線傳輸?shù)姆绞?，往往?huì)因信號(hào)所通過的空氣和其他介質(zhì)的變化不定及不同波長(zhǎng)信號(hào)的傳輸特性的變化，使得傳輸效果無法預(yù)期。當(dāng)水閘遭遇惡劣天氣時(shí)，會(huì)較大程度地影響到船只闖入的監(jiān)測(cè)報(bào)警效果。

2.3 控制設(shè)備

控制設(shè)備一般由主、功能、輔助設(shè)備控制器，以及音/視頻信號(hào)處理、控制鍵盤等設(shè)備組成。

為保障船只闖入的水閘禁區(qū)安全距離最大化，總控制臺(tái)應(yīng)布設(shè)校正與補(bǔ)償區(qū)域，可以彌補(bǔ)傳輸過程中幅頻、相頻特性的損失，達(dá)到傳輸指標(biāo)的既定要求。同時(shí)，為得到最佳的觀察效果，達(dá)到最優(yōu)的安全防范目的，總控制臺(tái)應(yīng)布設(shè)多畫面分割功能區(qū)域，使 1 臺(tái)監(jiān)視器上可以實(shí)現(xiàn) 4，9，16 個(gè)監(jiān)控畫面同步顯示功能，并借助終端設(shè)備進(jìn)行多角度的記錄與備案。此外，也要考慮控制設(shè)備與報(bào)警管理等軟件的融洽性，以便在系統(tǒng)遇到故障重啟時(shí)或軟件非正常退出后，控制系統(tǒng)仍有修復(fù)和正常運(yùn)行的能力。

2.4 終端設(shè)備

終端設(shè)備是系統(tǒng)架構(gòu)中前端信息的存儲(chǔ)、記憶、顯示與處理的輸出設(shè)備，應(yīng)與前端設(shè)備合理搭配。

在本文實(shí)踐中，監(jiān)視器作為終端設(shè)備之一，是最基本和必不可少的，通過它能夠最直觀地反映出水閘禁區(qū)實(shí)時(shí)情況和船只闖入狀況。此外，告警的揚(yáng)聲器和警示燈、硬盤錄像機(jī)應(yīng)該作為該系統(tǒng)架構(gòu)中的標(biāo)配。前者可以作為輔助手段進(jìn)一步增強(qiáng)水閘禁區(qū)監(jiān)控執(zhí)勤的效率，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和應(yīng)急反應(yīng)機(jī)構(gòu)及相關(guān)人員的警覺度，及時(shí)意識(shí)到船只闖入事件的發(fā)生；后者可以將水閘禁區(qū)周圍環(huán)境、船只闖入前后過程、相關(guān)事件的發(fā)生處理等諸多要素全程跟蹤并記錄下來，作為現(xiàn)場(chǎng)回放和事后查證的重要手段。在終端設(shè)備中，監(jiān)聽揚(yáng)聲器、視像機(jī)、電話自動(dòng)撥號(hào)機(jī)、打印機(jī)等，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選配。

通過以上系統(tǒng)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)以下安防功能：

1）報(bào)警管理功能。通過在監(jiān)控點(diǎn)設(shè)置的激光雷達(dá)、探頭等探測(cè)設(shè)備，完成水閘禁區(qū)警戒線附近的布防。一旦有船只靠近或闖入，偵測(cè)信號(hào)將及時(shí)傳輸至監(jiān)控中心，同時(shí)，以聲、光方式通知監(jiān)測(cè)或值班人員，使他們能迅速做出反應(yīng)。

2）雙向語音對(duì)講功能。監(jiān)控中心與監(jiān)控點(diǎn)之間能夠在船只闖入禁區(qū)事件突發(fā)時(shí)，以語音對(duì)講方式，及時(shí)做出雙向溝通，實(shí)施應(yīng)急指揮。

3）圖像監(jiān)控功能。通過終端顯示器件，監(jiān)控或值班人員可同步觀察所有攝像機(jī)記錄的現(xiàn)場(chǎng)圖像。

4）云臺(tái)/鏡頭控制功能。通過控制系統(tǒng)，可以授權(quán)人工操作，改變前端云臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向，調(diào)整攝像機(jī)鏡頭的焦距、景深，以便符合不同的觀察需求。

5）圖像存儲(chǔ)與備份功能。通過配設(shè)的硬盤錄像機(jī)等終端設(shè)備，水閘禁區(qū)全天候 24 h 監(jiān)測(cè)的資料可以進(jìn)行存儲(chǔ)，船只闖入禁區(qū)的全過程能夠一覽無遺，并可以形成各種格式的圖像、音頻輸出，完成有關(guān)資料的備份。

6）圖像回放功能。授權(quán)人員可以現(xiàn)場(chǎng)或事后隨時(shí)進(jìn)行圖像的回放，以便進(jìn)一步深入細(xì)致地分析船只闖入事件。

3 結(jié)語

水閘禁區(qū)船只闖入監(jiān)測(cè)安防系統(tǒng)是以視頻監(jiān)控與報(bào)警聯(lián)動(dòng)為代表的安防科技在水閘管理平臺(tái)中的集中體現(xiàn)。系統(tǒng)的成功架構(gòu)，可以兼具事故發(fā)生前事件的預(yù)警與事故發(fā)生后事件的處理 2 種層面上的應(yīng)用，這必將在今后逐漸成為水閘安全運(yùn)行與維護(hù)體系的重要組成。同時(shí)，無論從技術(shù)的選用、設(shè)備的選型或其它相關(guān)方面來看，系統(tǒng)架構(gòu)中具有不斷改變和升級(jí)特點(diǎn)的是安防手段的多樣化、綜合化與智能化，必須將這些變化的因素緊密結(jié)合水閘安全管理工作的實(shí)際，結(jié)合水閘區(qū)域環(huán)境地理的實(shí)際，結(jié)合水閘設(shè)施設(shè)備狀況的實(shí)際，優(yōu)化選擇，合理配置，使水閘禁區(qū)船只闖入監(jiān)測(cè)安防系統(tǒng)的架構(gòu)日趨成熟，不斷完善。

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