航道視頻監(jiān)控與船舶AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在航道行政執(zhí)法中的應(yīng)用

■楊建樂

(湄洲灣港口管理局,泉州 362001)

航道視頻監(jiān)控與船舶AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在航道行政執(zhí)法中的應(yīng)用

■楊建樂

(湄洲灣港口管理局,泉州 362001)

介紹了港口航道視頻監(jiān)控與船舶AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合在航道執(zhí)法中的應(yīng)用，通過AIS數(shù)據(jù)對(duì)航道上港作船舶異常行為分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)港作船舶異常行為的報(bào)警及跟蹤，調(diào)用多個(gè)視頻攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控取證，使得港口航道執(zhí)法更為高效。

航道 視頻 AIS數(shù)據(jù) 執(zhí)法

近7年來,湄洲灣港口每年的港航建設(shè)投資量都在30億元到40元億間，有大量的工程船舶在港作業(yè)，港作船舶違法事件時(shí)有發(fā)生，特別是拋泥船非法拋泥成為一個(gè)監(jiān)管的難點(diǎn)。筆者在福建省湄洲灣港口管理局“船舶動(dòng)態(tài)與航道監(jiān)控信息系統(tǒng)”建設(shè)中，運(yùn)用視頻監(jiān)控技術(shù)與船舶AIS（Automatic Identification System船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)）為航道監(jiān)管執(zhí)法提供信息化手段，取得較好的效果。本文就實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)與船舶AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合、港作船舶異常行為分析和自動(dòng)報(bào)警跟蹤等主要技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 相關(guān)研究

船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）是新型的助航安全信息系統(tǒng)，世界各地廣泛開展了AIS數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究，我國(guó)對(duì)AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在視頻監(jiān)控方面的應(yīng)用也進(jìn)行了許多深入的研究。例如：周劍敏和王捷的“基于AIS數(shù)據(jù)的智能船舶動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[1]”提出了從船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中獲取AIS船舶的動(dòng)態(tài)位置信息，設(shè)計(jì)自動(dòng)監(jiān)控決策控制模塊，然后建立待監(jiān)控船舶的被監(jiān)控優(yōu)先因子算法，利用智能攝像球機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)海上航行的船舶進(jìn)行自動(dòng)化智能視頻跟蹤監(jiān)控；嚴(yán)忠貞的“內(nèi)河在航船舶動(dòng)態(tài)跟蹤和航跡融合方法研究[2]”提出了基于內(nèi)河視頻監(jiān)控的在航船舶目標(biāo)識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了視頻、AIS、雷達(dá)數(shù)據(jù)的船舶運(yùn)動(dòng)軌跡融合；馮愛國(guó)的“導(dǎo)航雷達(dá)或AIS引導(dǎo)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[3]”提出了一種利用導(dǎo)航雷達(dá)自動(dòng)跟蹤參數(shù)或AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)引導(dǎo)的智能視頻監(jiān)控方法。該方法采用了船用雷達(dá)數(shù)據(jù)或AIS數(shù)據(jù)包，來控制視頻監(jiān)控云臺(tái)，同時(shí)研究了云臺(tái)姿態(tài)參考系統(tǒng)(AHRS)的方位及仰角數(shù)據(jù)回傳、越界報(bào)警等。這些研究都是福建省湄洲灣港口管理局 “船舶動(dòng)態(tài)與航道監(jiān)控信息系統(tǒng)”建設(shè)和撰寫本文的重要參考。

2 主要應(yīng)用技術(shù)

要對(duì)拋泥船等港作船舶在航道及其附近區(qū)域的行為進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程監(jiān)管，需要解決幾個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。

(1)在數(shù)百甚至上千平方公里的海域范圍內(nèi)快速、準(zhǔn)確地將目標(biāo)船舶從眾多的船舶中識(shí)別出來。

(2)用遠(yuǎn)程攝像機(jī)快速、準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)船舶，對(duì)其進(jìn)行行為觀察，必要時(shí)進(jìn)行取證。

(3)能夠在眾多的港作船舶中識(shí)別出行為異常的船舶作為重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象。

(4)必要時(shí)能夠調(diào)用多個(gè)遠(yuǎn)程攝像機(jī)自動(dòng)、穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)船舶并持續(xù)取證。

2.1 AIS技術(shù)

在事先知悉目標(biāo)船舶的船名或者M(jìn)MSI碼的情況下，應(yīng)用目前技術(shù)已經(jīng)十分成熟的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)在電子海圖上識(shí)別目標(biāo)船舶已經(jīng)是很容易的事，這里無需贅述。

2.2 攝像機(jī)指向提示

在電子海圖上識(shí)別出目標(biāo)船舶之后，想要人工操作遠(yuǎn)程操作攝像機(jī)觀察目標(biāo)船舶仍然不是易事。由于海上缺乏參照物，攝像機(jī)拍攝的畫面往往是無差別的海面，操作者很難通過判讀畫面決定攝像機(jī)的轉(zhuǎn)向、俯仰角、焦距等操作技術(shù)參數(shù)以達(dá)到快速準(zhǔn)確捕獲目標(biāo)的目的。

測(cè)定攝像機(jī)的大地坐標(biāo)，在電子海圖上進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以此點(diǎn)為原點(diǎn)，以攝像機(jī)的主光軸為線，在電子海圖上畫出攝像機(jī)的指向的指示線。攝像機(jī)云臺(tái)安裝時(shí)的初始指向角度為正北，而系統(tǒng)控制攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小步進(jìn)角度為0.3度，當(dāng)系統(tǒng)控制云臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它的角度變化將實(shí)時(shí)傳回系統(tǒng)，那么通過攝像機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的變化進(jìn)行計(jì)算得出指示線將隨著攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，用以指示攝像機(jī)的實(shí)際指向，操作者可借助電子海圖界面上代表攝像機(jī)指向的指示線和目標(biāo)船舶的相對(duì)位置關(guān)系來決策攝像機(jī)的轉(zhuǎn)向、俯仰角、焦距等操作技術(shù)參數(shù)。

2.3 船舶異常行為分析

港作船舶異常行為分析是航道監(jiān)管及行政執(zhí)法的重要手段，對(duì)于發(fā)現(xiàn)船舶違法行為、提高航道執(zhí)法工作效率具有重要意義。目前，所有港作船舶都安裝了AIS系統(tǒng)，為船舶異常行為分析提供了技術(shù)條件。

圖1 攝像機(jī)指示線及視頻監(jiān)控畫面

港作船舶一般都有特定的正常行為規(guī)律，如果船舶打破常規(guī)，出現(xiàn)異常行為，往往違法的可能性很大，應(yīng)該作為重點(diǎn)的監(jiān)管對(duì)象。以拋泥船為例，往往有如下異常行為：

(1)AIS數(shù)據(jù)中斷；

(2)離開裝載點(diǎn)后偏離歷史航行路線；

(3)離開裝載點(diǎn)后未到達(dá)指定拋泥區(qū)域即返回；

(4)全航程時(shí)間明顯變短 （可能在航行過程中拋泥，減少吃水，提高航速，節(jié)省燃油）。

利用現(xiàn)有研究成果“基于AIS數(shù)據(jù)的船舶異常行為檢測(cè)方法[4]”，對(duì)船舶行為進(jìn)行分析對(duì)比，包括航跡分割、正常行為建模和異常行為檢測(cè)等技術(shù)環(huán)節(jié)，識(shí)別出行為異常的拋泥船，作為重點(diǎn)的監(jiān)管對(duì)象。

2.4 船舶自動(dòng)跟蹤監(jiān)控

通過AIS數(shù)據(jù)對(duì)船舶進(jìn)行異常行為分析，一旦發(fā)現(xiàn)船舶有異常行為，系統(tǒng)通過AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算及預(yù)判得到船舶的位置，驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程攝像機(jī)捕獲監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常船舶跟蹤監(jiān)控。

船舶自動(dòng)跟蹤監(jiān)控需要通過實(shí)時(shí)訪問船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中的AIS船位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)船舶的位置信息（AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)）和視頻監(jiān)控云臺(tái)設(shè)備的初始位置信息進(jìn)行計(jì)算得到視頻監(jiān)控云臺(tái)的水平和垂直最佳角度，并控制云臺(tái)在初始參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的變化調(diào)整以達(dá)到船舶目標(biāo)的捕獲與自動(dòng)跟蹤，計(jì)算過程如下：

圖2 云臺(tái)和目標(biāo)位置關(guān)系圖

水平方向是云臺(tái)地面位置D點(diǎn)與目標(biāo)海面位置C點(diǎn)它們的經(jīng)緯度連線cd與正北的夾角；垂直角度為云臺(tái)最高位置A點(diǎn)和目標(biāo)最高位置B點(diǎn)的連線為ab，A點(diǎn)D點(diǎn)的連線ad為云臺(tái)高度，ab與ad的夾角即為云臺(tái)與目標(biāo)的垂直夾角。

其中CD兩點(diǎn)已知經(jīng)緯度分別為 (lonc,latc)和(lond,latd)，cd與正北的夾角(bearing)的計(jì)算公式為：

distance_North=R×(lat1-lat0)

distance_East=R×cos(lat0)×(lon1-lon0)

bearing=mod(atan2(distance_East,distance_North),2×pi)

通過余弦定理可求得垂直角度A，計(jì)算公式如下：

通過以上計(jì)算視頻監(jiān)控云臺(tái)通過水平方向和垂直角度的調(diào)整即可保持對(duì)運(yùn)動(dòng)船舶的動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)控。

2.5 智能化聯(lián)動(dòng)

由于港口航道場(chǎng)景較為開闊，航道長(zhǎng)度較長(zhǎng)且遠(yuǎn)離海岸，對(duì)于同一港作船舶的跟蹤監(jiān)控可能需要多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)聯(lián)動(dòng)協(xié)作才能完成。視頻的聯(lián)動(dòng)控制需要對(duì)AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，得出船舶實(shí)時(shí)位置信息，然后系統(tǒng)通過分析對(duì)比船舶與監(jiān)控點(diǎn)的位置關(guān)系進(jìn)行智能匹配，通過視頻聯(lián)動(dòng)控制服務(wù)器向離船舶最近的視頻監(jiān)控點(diǎn)下發(fā)指令對(duì)船舶進(jìn)行跟蹤監(jiān)控。如果有監(jiān)控設(shè)備發(fā)生故障，沒有監(jiān)控畫面回傳，那么系統(tǒng)將故障設(shè)備排除在外，重新匹配視頻監(jiān)控點(diǎn)對(duì)船舶進(jìn)行監(jiān)控。

如圖4所示，當(dāng)船舶在不同的航段時(shí)，系統(tǒng)通過分析船舶AIS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)獲取船舶實(shí)時(shí)位置，再和已知的視頻監(jiān)控點(diǎn)位置信息做分析匹配，選取距離船舶最近的監(jiān)控點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，當(dāng)船舶進(jìn)入下一航段時(shí)自動(dòng)切換至下一視頻監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的全航段覆蓋監(jiān)控。

3 應(yīng)用案例

福建省湄洲灣港口管理局港口信息化支持保障系統(tǒng)（一期）項(xiàng)目將上述主要技術(shù)應(yīng)用到船舶動(dòng)態(tài)與航道監(jiān)控信息系統(tǒng)建設(shè)中，主要硬件由5套高倍光學(xué)變焦攝像機(jī)（32X）、3臺(tái)AIS基站接收機(jī)、以及視頻與AIS數(shù)據(jù)融合服務(wù)器等構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)灣內(nèi)主航道全覆蓋，如圖5。

圖3 拋泥船舶監(jiān)控示意圖

圖4 視頻聯(lián)動(dòng)監(jiān)控示意圖

圖5 湄洲灣主航道監(jiān)控覆蓋圖

圖6 海圖上攝像機(jī)與船舶位置

圖7 拋泥船跟蹤監(jiān)控畫面

軟件主要由AIS數(shù)據(jù)接收處理模塊、監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)庫、智能決策模塊、視頻攝像機(jī)管理模塊組成。智能監(jiān)控模塊通過結(jié)合電子海圖、船舶AIS數(shù)據(jù)，計(jì)算及預(yù)判得到船舶的位置，來驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)程攝像機(jī)獲取監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)主航道上船舶跟蹤監(jiān)控。

為舉例說明本文所述應(yīng)用，截取了2017年8月13日上午某拋泥船在航道上跟蹤監(jiān)控情況：

系統(tǒng)在2017年8月13日識(shí)別到MMSI碼為413907174的船舶觸發(fā)異常行為監(jiān)控啟動(dòng)條件。按系統(tǒng)預(yù)設(shè)，所有拋泥船舶正常情況下應(yīng)從裝泥點(diǎn)向湄洲灣出口方向航行，到湄洲灣外指定海域拋泥，而該船的航向是從裝泥點(diǎn)向北偏東方向，即向?yàn)硟?nèi)方向航行，因此被系統(tǒng)判定為異常行為，啟動(dòng)自動(dòng)攝像跟蹤并報(bào)警。經(jīng)執(zhí)法人員查證，該船原指定的拋泥區(qū)為湄洲灣外某海域，因莆頭作業(yè)區(qū)某水運(yùn)工程建設(shè)項(xiàng)目需要泥砂填方，經(jīng)福建省湄洲灣港口管理局批準(zhǔn)，該船被許可運(yùn)送疏浚泥砂前往填方，但有關(guān)方面未通知系統(tǒng)管理人員改變?cè)摯漠惓Ｐ袨橛|發(fā)條件，改變?cè)O(shè)定條件后，系統(tǒng)即解除了對(duì)該船舶的異常行為監(jiān)控，改為正常輪流監(jiān)控。

4 結(jié)語

湄洲灣港口管理局的船舶動(dòng)態(tài)與航道監(jiān)控信息系統(tǒng)自2014年投入使用以來，已經(jīng)協(xié)助執(zhí)法部門查處違法拋泥等10多起違法案件，對(duì)違法行為形成威懾，減少違法行為的發(fā)生；可以有效地替代執(zhí)法船海上巡查，降低執(zhí)法船舶出動(dòng)率，節(jié)約成本，提高執(zhí)法效率。應(yīng)用實(shí)踐表明，綜合運(yùn)用遠(yuǎn)程視頻、AIS船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、智能分析判別、自動(dòng)跟蹤等多種技術(shù)可以為航道執(zhí)法部門提供有效的信息化監(jiān)控手段。實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)也還存在著一些不足，在自動(dòng)跟蹤模式下，很難對(duì)目標(biāo)船舶實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定跟蹤，出現(xiàn)“跟丟”現(xiàn)象。系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定的攝像機(jī)水平角度、俯仰角度和焦距等參數(shù)也很難完全匹配，有時(shí)造成監(jiān)控場(chǎng)景不完整、畫面不清晰等問題。多數(shù)情況下仍需要監(jiān)控人員做人工調(diào)整才能獲得比較滿意的監(jiān)控效果，進(jìn)一步改進(jìn)的空間仍然很大。

[1]周劍敏，王捷.基于AIS數(shù)據(jù)的智能船舶動(dòng)態(tài)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.

[2]嚴(yán)忠貞.內(nèi)河在航船舶動(dòng)態(tài)跟蹤和航跡融合方法研究[D].武漢理工大學(xué)，2013.

[3]馮愛國(guó)，薛叢華，吳煒.導(dǎo)航雷達(dá)或AIS引導(dǎo)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù)，2016.

[4]張樹波,唐強(qiáng)榮.基于AIS數(shù)據(jù)的船舶異常行為檢測(cè)方法[J].Artificial Intelligence/s&/srobotics Research,2015.