基于多傳感器的沿海智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭謙斌,孫 偉

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

工程與應(yīng)用

基于多傳感器的沿海智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭謙斌,孫 偉

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

提出了基于多傳感器的沿海智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,該方法基于多傳感器數(shù)據(jù)融合、協(xié)同探測、網(wǎng)格化管理以及卡口流量統(tǒng)計(jì)等技術(shù),解決了沿海邊防監(jiān)測點(diǎn)中存在的單傳感器探測盲區(qū)、探測目標(biāo)無法可視化識別以及缺少統(tǒng)一船舶監(jiān)控態(tài)勢平臺等問題。該方法通過在邊防部隊(duì)的應(yīng)用實(shí)踐,有效地提高了沿海監(jiān)測點(diǎn)的探測能力和管控效率,避免了漏管失控。

多傳感器數(shù)據(jù)融合；協(xié)同探測；網(wǎng)格化管理；流量統(tǒng)計(jì)

0 引 言

目前在國家沿海邊防監(jiān)測點(diǎn)中部署的傳感器缺乏有效組網(wǎng)，而單傳感器存在探測盲區(qū)，例如:只有一定噸位以上的船舶才會要求安裝AIS，對一些小船及嫌疑船舶需要雷達(dá)進(jìn)行監(jiān)控，而岸基雷達(dá)在對沿岸海面目標(biāo)的探測存在著盲區(qū)，需要光電傳感器的可視化識別。監(jiān)測點(diǎn)缺少集成多傳感器信息的可視化的船舶監(jiān)控態(tài)勢顯示平臺，無法對近岸海情進(jìn)行集中管控、取證以及統(tǒng)計(jì)分析。

通過設(shè)計(jì)沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)，對部署在邊防監(jiān)測點(diǎn)的光學(xué)紅外復(fù)合傳感器、雷達(dá)、AIS、GPS以及北斗等多傳感器進(jìn)行有效地組網(wǎng)集成，建立可視化智能管控態(tài)勢顯示平臺，設(shè)定海上邏輯監(jiān)控卡口，實(shí)現(xiàn)對通過海上卡口的海面目標(biāo)的實(shí)時視頻采集取證、流量統(tǒng)計(jì)分析以及海情記錄回放，從而有效阻止海上販毒、走私、偷渡等違法犯罪行為的發(fā)生，維護(hù)國家的安全與穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)組成

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)由光電傳感子系統(tǒng)、多傳感器情報處理子系統(tǒng)和智能管控軟件子系統(tǒng)組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

光電傳感設(shè)備通過智能化紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)對海域目標(biāo)進(jìn)行可視化監(jiān)視、跟蹤和識別，提供實(shí)時監(jiān)控圖像。尤其采用紅外熱像儀可以在黑暗和復(fù)雜天氣條件下，透過塵、霧和煙等障礙影響，對海岸邊境目標(biāo)進(jìn)行可視化監(jiān)視、跟蹤和識別，進(jìn)一步提高發(fā)現(xiàn)概率和識別能力。

圖1 沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)組成圖

多傳感器處理設(shè)備通過接入監(jiān)測點(diǎn)的多傳感器（如:雷達(dá)、光電、AIS、GPS、北斗等），全天候不間斷對所轄海域的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)海面異常目標(biāo)。

智能管控軟件實(shí)現(xiàn)多傳感器情報的匯集分發(fā)與融合[1-2]，提供基于海圖態(tài)勢顯示的良好工作界面對情報進(jìn)行顯示，完成對各類傳感器的指揮控制和協(xié)同探測[1]，同時實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)統(tǒng)計(jì)分析。

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)通過監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)及指揮專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的信息互聯(lián)互通，系統(tǒng)上報目標(biāo)綜合信息到支隊(duì)與總隊(duì)指揮中心，具體應(yīng)用關(guān)系如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)接口圖

2 軟件總體設(shè)計(jì)

沿?？梢暬悄芄芸剀浖?shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)匯集分發(fā)與處理、綜合態(tài)勢顯示、協(xié)同探測、卡口智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄與回放以及數(shù)據(jù)管理功能。從系統(tǒng)性能效率（特別是大容量船舶目標(biāo)的更新顯示效率）和系統(tǒng)可拓展性出發(fā)，軟件采用客戶端/服務(wù)器模式構(gòu)建。如圖3所示，軟件體系架構(gòu)分為三層:數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)層接入各類傳感器數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源支撐，數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)可分為三類:第一類為各類監(jiān)控數(shù)據(jù)（雷達(dá)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、AIS數(shù)據(jù)以及GPS/北斗數(shù)據(jù)）；第二類為地理數(shù)據(jù)（海圖數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)以及部署信息等）；第三類為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（傳感器信息、組織信息、人員信息、告警信息、網(wǎng)格信息等）。

圖3 軟體體系架構(gòu)圖

服務(wù)層對應(yīng)用層提供運(yùn)行支撐服務(wù)，由運(yùn)行在后臺為應(yīng)用層提供業(yè)務(wù)支撐的軟件構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)匯集與分發(fā)、多傳感器數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫、地理信息服務(wù)、文電服務(wù)等。

應(yīng)用層提供了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)體，主要包括綜合態(tài)勢顯示、協(xié)同探測、卡口智能監(jiān)控、網(wǎng)格化管理及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等。

系統(tǒng)軟件的工作流程如圖4所示。

系統(tǒng)軟件工作流主要包括多傳感器信息處理流程和智能管控流程。

2.1 多傳感器信息處理流程

光電傳感器上傳視頻信息，進(jìn)行圖像識別與顯示。雷達(dá)、AIS、GPS/北斗等單傳感器的數(shù)據(jù)匯集到多傳感器數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行異類傳感器數(shù)據(jù)融合，形成綜合海情。綜合態(tài)勢處理軟件對單傳感器和綜合海情進(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)記錄與回放軟件對單傳感器和綜合海情進(jìn)行記錄與回放，以便于事后的調(diào)閱分析和取證。

2.2 智能管控流程

卡口智能監(jiān)控向光電傳感器發(fā)送控制命令和取證命令，實(shí)現(xiàn)對光電傳感器的控制和目標(biāo)跟蹤取證，同時實(shí)現(xiàn)對通過海上卡口目標(biāo)的流量統(tǒng)計(jì)分析。

協(xié)同探測以綜合海情為依托，實(shí)現(xiàn)異類傳感器的聯(lián)動跟蹤與自動接力探測。

圖4 系統(tǒng)軟件工作流程圖

網(wǎng)格化管理實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化海上邏輯管轄區(qū)，并結(jié)合綜合海情對網(wǎng)格轄區(qū)內(nèi)的船舶進(jìn)行監(jiān)控管理。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)主要包括如下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 多傳感器數(shù)據(jù)接入、處理與顯示

數(shù)據(jù)匯集分發(fā)軟件接收來自雷達(dá)、AIS、GPS以及北斗的目標(biāo)信息，經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換后發(fā)送給多傳感器數(shù)據(jù)處理軟件。多傳感器數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、系統(tǒng)誤差修正以及數(shù)據(jù)融合匹配，形成統(tǒng)一綜合海情，由綜合態(tài)勢處理軟件進(jìn)行可視化處理，生成海面統(tǒng)一態(tài)勢圖。流程如圖5所示。

其中多傳感器數(shù)據(jù)處理旨在消除異類傳感器信息之間存在的冗余和矛盾，利用信息互補(bǔ)，提高系統(tǒng)可靠性和分辨力，擴(kuò)展空間觀測范圍，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信任度[3-4]。

本系統(tǒng)的多傳感器數(shù)據(jù)處理主要采用“基準(zhǔn)航跡關(guān)聯(lián)法”[5]，即從某一目標(biāo)的所有傳感器航跡中選擇一條作為基準(zhǔn)航跡，以目標(biāo)的第一條信息和航跡作為基準(zhǔn)航跡，后續(xù)的信息中航跡與基準(zhǔn)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷。在跟蹤機(jī)動目標(biāo)方面，對目標(biāo)進(jìn)行估計(jì)的同時，對濾波增益進(jìn)行修正，剔除假航跡，將單傳感器航跡與系統(tǒng)航跡相關(guān)融合。

圖5 多傳感器數(shù)據(jù)接入、處理與顯示流程

3.2 協(xié)同探測

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)集成的多種傳感器的應(yīng)用環(huán)境、作用距離、目標(biāo)識別能力均不同，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對目標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警、中程跟蹤與近程分類與識別能力，需要多種傳感器對目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同探測[6]。

本系統(tǒng)的協(xié)同探測主要實(shí)現(xiàn)異類傳感器的自動接力探測。首先由雷達(dá)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行搜索，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，把目標(biāo)方位信息提供給光電傳感器，當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入光電傳感器探測區(qū)域后，由紅外熱像儀/可見光攝像頭對目標(biāo)進(jìn)行識別、跟蹤和告警。流程如圖6所示。

圖6 協(xié)同探測流程

雷達(dá)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行搜索，當(dāng)監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)入警戒區(qū)域時，綜合態(tài)勢處理軟件依據(jù)告警條件對目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時告警，定位告警目標(biāo)及目標(biāo)方位，目標(biāo)閃爍，同時顯示告警目標(biāo)信息列表。通過自動或人工方式鎖定指定目標(biāo)，系統(tǒng)自動提取該目標(biāo)位置信息并觸發(fā)紅外熱像儀/可見光攝像頭的伺服云臺轉(zhuǎn)向，鎖定目標(biāo)方位，獲取監(jiān)控目標(biāo)的圖像并開窗顯示視頻，方便用戶進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)節(jié)分析、識別和判斷目標(biāo)。接著光電傳感器進(jìn)入隨動模式，紅外熱像儀/可見光攝像頭的伺服云臺隨著目標(biāo)的移動進(jìn)行實(shí)時轉(zhuǎn)向跟蹤。功能運(yùn)行界面如圖7所示。

圖7 協(xié)同探測界面

3.3 卡口智能監(jiān)控

對單位時間內(nèi)通過海上卡口或劃定特殊區(qū)域范圍的船舶數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照不同屬性特征，如上行船舶、下行船舶、合作船舶、非合作船舶等屬性實(shí)施統(tǒng)計(jì)分析，篩選船舶異常行為信息。流量分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果以報表、餅圖、柱狀圖等多種表現(xiàn)形式展現(xiàn)，輔助用戶決策。

卡口智能監(jiān)控同時可對光電傳感器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制以及對重點(diǎn)監(jiān)控目標(biāo)的實(shí)時取證，以便事后調(diào)閱及分析。功能運(yùn)行界面如圖8所示。

3.4 網(wǎng)格化管理

系統(tǒng)以一定的單位面積為基本單位，將轄區(qū)劃分成若干個網(wǎng)格狀單元，由監(jiān)督員對所分管的網(wǎng)格責(zé)任區(qū)實(shí)施全時段監(jiān)控，明確各級地域責(zé)任人為所在轄區(qū)管理責(zé)任人，從而對管理空間實(shí)現(xiàn)分層、分級、全轄區(qū)管理，同時對網(wǎng)格交界和邊緣地段實(shí)現(xiàn)互相交托和簽收回執(zhí)功能，防止出現(xiàn)“真空地段”。

在對網(wǎng)格的監(jiān)控上可用不同顏色區(qū)分不同網(wǎng)格的監(jiān)控等級，如紅色代表網(wǎng)格內(nèi)發(fā)生告警事件，需要緊急處理，綠色代表網(wǎng)格內(nèi)無案件發(fā)生。

4 結(jié) 語

沿?？梢暬悄芄芸叵到y(tǒng)中采用的紅外探測、多傳感器數(shù)據(jù)融合和協(xié)同探測技術(shù)，使得系統(tǒng)從雷達(dá)發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)嫌疑目標(biāo)到態(tài)勢海圖定位，再到可見光紅外協(xié)同聯(lián)動跟蹤取證，操作簡單而響應(yīng)迅速，實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)，另外卡口流量監(jiān)控和網(wǎng)格化管理等功能也十分貼近部隊(duì)的管控應(yīng)用。

系統(tǒng)已在某邊防總隊(duì)、支隊(duì)和監(jiān)測點(diǎn)運(yùn)行一年時間，服務(wù)于邊防部隊(duì)的海上緝毒緝私、賽事安保和日常執(zhí)法執(zhí)勤工作，有效減輕用警密度，降低巡邏強(qiáng)度，避免因觀測條件有限導(dǎo)致漏管失控，確保海域控制區(qū)全天候、全方位、全時段立體警戒管控，有力推動了執(zhí)勤警力內(nèi)涵式增長和行政費(fèi)用實(shí)質(zhì)性降低。

圖8 卡口智能監(jiān)控界面

[1]何友，王國宏.多傳感器信息融合及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2000.

[2]DAVID L.HALL，JAMES LLINAS.Handbook of Multisensor Data Fusion[M].CRC Press LLC，2001.

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郭謙斌(1978—),男,湖南人,高級工程師,主要研究方向?yàn)轭A(yù)警指揮信息系統(tǒng)；

E-mail：sansi2000@sina.com

孫 偉(1977—),男,南京人,博士,高級工程師,主要研究方向?yàn)槎鄠鞲衅餍畔⑷诤稀?/p>

Design and Im p lementation on Coastal Intelligent Control System Based on M ulti-sensors

GUO Qian-bin，SUNWei
（Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039，China）

This paper proposes the methods of design and implementation on coastal intelligent control system based on multi-sensors.Thismethod is based on the technologies，such asmulti-sensor data fusion，coordinated detection，grid administration，and spot traffic statistics etc.It has solved the problems of single-sensor detection blind area，being unable to visually identify the detection targets and lack of unified situation platform tomonitor the vessels in the coastal bordermonitoring point.After practical application in the border unit，thismethod effectively improved the detection ability and control efficiency，and avoided the omission and out of control in coastalmonitoring point.

Multi-sensor data fusion；Coordinated detection；Grid administration；Traffic statistics

TN953；TN919.5

A

1673-5692（2015）02-190-05

10.3969/j.issn.1673-5692.2015.02.014

2015-02-09

2015-03-06