耙吸挖泥船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張戟，李夏，錢杰寐

（中港疏浚有限公司，上海 200120）

0 引言

由于自航耙吸挖泥船的施工特性，船舶分布在國內(nèi)外沿海區(qū)域施工，在安全生產(chǎn)監(jiān)控管理方面存在著監(jiān)控盲區(qū)、無法遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看、歷史查看和智能報(bào)警等方面問題。另外在有船機(jī)設(shè)備發(fā)生故障和施工生產(chǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，岸基管理人員需要第一時(shí)間知曉船舶內(nèi)外環(huán)境情況，以根據(jù)實(shí)際情況做出應(yīng)對(duì)措施，這就需要一套耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 船舶移動(dòng)通信技術(shù)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，大型耙吸船可以通過安裝衛(wèi)星寬帶通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)通信，該通信系統(tǒng)比3G/4G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋范圍更廣，船舶在遠(yuǎn)海施工或者調(diào)遣途中仍然可以與岸基通信。目前采用的船載衛(wèi)星通信鏈路保障帶寬為100 kb/s[1]，基本能滿足船舶疏浚監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸要求，但要實(shí)現(xiàn)多路視音頻信號(hào)傳輸需解決低帶寬高丟包率條件下的圖像傳輸效率問題，對(duì)此，耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要整合優(yōu)化現(xiàn)有通信和視頻壓縮傳輸技術(shù)。

1.1 船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)

耙吸挖泥船有兩種常用的海上信息傳輸方式：海事衛(wèi)星和岸基移動(dòng)通信。海事衛(wèi)星具有全球覆蓋、室外天線體積較小、建設(shè)成本較低并且可以傳輸較大數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，但是海事衛(wèi)星的資費(fèi)很高，而且由于其傳輸數(shù)據(jù)速率限制在50 kb/s以內(nèi)，難以滿足高清視頻的傳輸，而3G/4G岸基移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不足以覆蓋遠(yuǎn)海。所以建議使用VSAT站和IPSTAR衛(wèi)星通信服務(wù)，上下行帶寬可以達(dá)到100 kb/s左右，且成本較低，覆蓋范圍廣。

在廣闊的海洋上，尤其在公海和海外海域，衛(wèi)星通信成為唯一的高速率信息傳輸途徑。自航耙吸挖泥船在遠(yuǎn)海作業(yè)時(shí)，需要將船舶自身的信息回傳給管理中心，并在關(guān)鍵工程的節(jié)點(diǎn)和重要、緊急時(shí)刻將船舶上的視頻信號(hào)以高清的信號(hào)形式回傳到指揮中心，這對(duì)船舶的通信帶寬有了更高的要求。目前，自航耙吸船舶使用的船舶衛(wèi)星通信系統(tǒng)很好的解決了船舶“信息孤島”問題，為船舶信息化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1.2 船舶VPN網(wǎng)絡(luò)

船舶VPN（Virtual Private Network）網(wǎng)絡(luò)，即“虛擬專用網(wǎng)絡(luò)”，是整個(gè)船舶移動(dòng)通信系統(tǒng)搭載的重要應(yīng)用，同時(shí)也是完成視頻流點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)谋貍錀l件，簡(jiǎn)單地可以把它理解成是虛擬出來的內(nèi)部專線。通過這項(xiàng)技術(shù)可以在Internet上使用特殊的加密的通訊協(xié)議連接位于網(wǎng)絡(luò)上不同地理位置的船舶子網(wǎng)建立一條專有的企業(yè)虛擬廣域網(wǎng)。

船舶VPN主要使用的是基于IPSec方式，這與任何網(wǎng)絡(luò)連接都被接受的一般方式不同，IPsec VPN接收端到端的連接，該通信運(yùn)行在協(xié)議棧的IP層[2]。對(duì)于具有較多相對(duì)固定分支機(jī)構(gòu)的企業(yè)，可以使用專業(yè)的VPN網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為分支子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)鏈接到總部網(wǎng)關(guān)設(shè)備，這樣隧道鏈路穩(wěn)定性更有保障。

2 船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)

目前主要采用通過海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、4G（TD-LTE/FDD-LTE）無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)以及船舶衛(wèi)星通信鏈路來實(shí)現(xiàn)船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸。由于前兩種方式對(duì)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)要求較高，成本也相對(duì)較高，因此大多耙吸挖泥船使用第三種方式的船舶視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

2.1 系統(tǒng)主要架構(gòu)和功能

基于船載衛(wèi)星通信技術(shù)的耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括：船舶本地視頻采集和存儲(chǔ)、高效的視頻壓縮、衛(wèi)星鏈路傳輸、岸端匯集和解壓顯示。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的架構(gòu)圖如圖1所示，前端攝像頭采取雙碼流設(shè)置，船舶本地存儲(chǔ)高清視頻，低碼流視頻圖像經(jīng)過壓縮處理再遠(yuǎn)程傳輸。

圖1 耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Safety video monitoring system for trailing suction hopper dredger

因?yàn)槭褂么靶l(wèi)星通信系統(tǒng)作為無線傳輸載體，就需要整合優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)來消除傳輸速率低、時(shí)延大和高丟包率帶來的圖像失幀和通信阻塞[4]問題。系統(tǒng)通過斷點(diǎn)續(xù)傳、自適應(yīng)擁塞控制和更高的圖像壓縮比等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在碼流速率只有30 kb/s時(shí)也能清楚流暢地把船舶4CIF（704×576）分辨率監(jiān)控畫面?zhèn)鬏數(shù)桨渡媳O(jiān)控中心，供岸端實(shí)時(shí)觀看和指揮，并且船上能夠存儲(chǔ)和觀看高清畫面。

系統(tǒng)除了日常的視頻監(jiān)控功能還有關(guān)鍵作業(yè)區(qū)域的智能圖像識(shí)別及抓拍功能，可用來加強(qiáng)對(duì)違反船舶安全施工行為的監(jiān)管力度。

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

因?yàn)榇靶l(wèi)星寬帶鏈路有傳輸速率低、時(shí)延大及丟包率高等特性，系統(tǒng)的視頻壓縮技術(shù)尤為關(guān)鍵。耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的視頻壓縮技術(shù)采用的是H.265視頻編碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5]，在保留原來某些技術(shù)的同時(shí)對(duì)一些相關(guān)技術(shù)加以改進(jìn)，改善碼流速率、編碼質(zhì)量、延時(shí)和算法復(fù)雜度之間的關(guān)系，從而達(dá)到最優(yōu)化的實(shí)施效果。要通過提高視頻傳輸?shù)膲嚎s效率、擼棒性和錯(cuò)誤恢復(fù)能力來減少實(shí)時(shí)畫面的時(shí)延，還需要減少信道獲取時(shí)長(zhǎng)、圖像接入時(shí)延和觸發(fā)控制時(shí)間等傳輸障礙。

除了有效提升視頻編解碼效率，系統(tǒng)還在網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性方面也做了很大優(yōu)化，采用的自適應(yīng)擁塞串口判斷算法可以在不同的網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行傳輸控制[6]。系統(tǒng)的視頻監(jiān)控服務(wù)器是專門針對(duì)船端和岸端視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸訂制的服務(wù)器，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有高效率的視音頻編碼技術(shù)，超高壓縮存儲(chǔ)和傳輸，并能夠通過低碼流衛(wèi)星信道和岸上訂制的編解碼服務(wù)器通信，供岸端指揮中心遠(yuǎn)程預(yù)覽和回放。采用硬件編解碼效率高，傳輸效果好。

綜合比較，耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)采取的技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）同等質(zhì)量的視頻，帶寬節(jié)省40%～60%。

2）能實(shí)現(xiàn)以30 kb/s傳輸速率傳輸4CIF（704×576）圖像。

3）網(wǎng)絡(luò)丟包率50%時(shí)，保證提箱穩(wěn)定傳輸，穩(wěn)定性提高1倍。

4）支持標(biāo)清、高清、4K等各種分辨率，視頻輸入制式最齊全。

2.3 系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)

相比較一般的視頻傳輸技術(shù)，耙吸船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）傳輸方案的優(yōu)化。針對(duì)衛(wèi)星鏈路的帶寬小、穩(wěn)定性差、高時(shí)延等特點(diǎn)，優(yōu)化傳輸機(jī)制，能夠保障視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和后臺(tái)觀看視頻的用戶體驗(yàn)。

2）編解碼的優(yōu)化。采用H.265超高最新壓縮編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)靈活的視頻碼流切換策略，保障超低碼流速率下的視頻質(zhì)量，與傳統(tǒng)的海事衛(wèi)星通信相比，大大節(jié)約了帶寬成本和資費(fèi)成本。

3）配置的便捷性。整套系統(tǒng)采用IP連接，各網(wǎng)元均可以靈活設(shè)置IP地址，配置方便，操作簡(jiǎn)單。

4）前后端服務(wù)器可支持大容量的并發(fā)的客戶端接入。

3 船舶安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)部署情況

自航耙吸挖泥船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控點(diǎn)部署主要分為兩類，一般艏樓型船舶的單船監(jiān)控點(diǎn)有25個(gè)，艉樓型船舶單船監(jiān)控點(diǎn)有17個(gè)，監(jiān)控范圍主要包括船體周邊、甲板、駕駛室、機(jī)艙和泵艙。其中艏樓型船舶監(jiān)控點(diǎn)分布情況如圖2所示。

圖2 艏樓型船舶監(jiān)控點(diǎn)分布圖Fig.2 The distribution map of the forecastle ship monitoring point

系統(tǒng)安裝好后經(jīng)過測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)船端所有視頻信號(hào)的采集、顯示及存儲(chǔ)，船上可以隨時(shí)查看高清監(jiān)控和回放錄像文件。岸上指揮中心可以通過電腦客戶端查看監(jiān)控和回放錄像文件，岸端服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)公司遠(yuǎn)程用戶密碼訪問，實(shí)時(shí)監(jiān)控[7]。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過視頻壓縮算法進(jìn)行優(yōu)化處理，能夠確保在100 kb/s帶寬鏈路上傳輸多路的視頻畫面，效果如圖3所示，單船鏈路可以同時(shí)遠(yuǎn)程查看3路監(jiān)控圖像。

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面效果Fig.3 Remote monitor screen effect

此外，系統(tǒng)還具備歷史回放功能，因?yàn)榇皵?shù)量多，視頻容量很大，若將視頻傳至岸基總部服務(wù)器保存既消耗帶寬資源又要增加岸基服務(wù)器存儲(chǔ)空間，所以采取遠(yuǎn)程調(diào)取船舶本地視頻存儲(chǔ)資源的方式查閱。

3.2 移動(dòng)管控能力

安全視頻監(jiān)控平臺(tái)還支持遠(yuǎn)程操縱攝像頭和語音對(duì)講功能，公司、項(xiàng)目部和船舶管理人員都可以通過平臺(tái)查看船舶實(shí)時(shí)和歷史監(jiān)控信息，另外用戶還可以遠(yuǎn)程調(diào)控?cái)z像頭到需要查看的視野范圍，移動(dòng)用戶可以使用手機(jī)安裝客戶端查看監(jiān)控信息，結(jié)合語音對(duì)講功能，達(dá)到24 h全方位的監(jiān)控和緊急情況遠(yuǎn)程交互的管控目標(biāo)。

4 結(jié)語

自航耙吸挖泥船安全視頻監(jiān)控系統(tǒng)在低速率、時(shí)延大和高丟包率的衛(wèi)星通信鏈路上實(shí)現(xiàn)了視音頻信息穩(wěn)定清晰傳輸，而且系統(tǒng)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)使用加密信道傳輸，確保了信息安全。用戶使用岸端遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠控制船上監(jiān)控?cái)z像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮和作業(yè)管理，并通過設(shè)置在安全防護(hù)重點(diǎn)區(qū)域的自動(dòng)報(bào)警和智能抓拍裝置極大提升了船舶安全生產(chǎn)管理智能化水平，達(dá)到了進(jìn)一步提高船舶生產(chǎn)效率的目的。