基于光電技術的船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)設計

高德建

（中國人民解放軍第四八零八工廠軍械修理廠 山東省青島市 266022）

近年來，水上運輸行業(yè)得到了快速發(fā)展，內河、近海和遠海航線較以往更加繁忙，在此背景下，如何保證船舶航行安全就顯得尤為重要。目前，船舶航行安全多依托雷達、電臺等實現(xiàn)，除技術上的明顯缺陷外，功能的單一性等導致船舶航行安全問題普遍存在，因此，基于光電技術的安全監(jiān)視系統(tǒng)為船舶航行安全提供了新的解決方案，除系統(tǒng)功能相對完善外，該系統(tǒng)還能夠實現(xiàn)與導航雷達、電臺等設備的融合，構建更加可靠、高效的船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)。

1 船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)概述

早期船舶航行安全需要通過人眼觀察或近距離聽聲辯位來實現(xiàn)，隨著電子信息技術的發(fā)展，導航雷達、電臺、視頻監(jiān)視器等在船舶航行安全中得到了較為廣泛的應用（如圖1所示），然而，在航線日益繁忙的情況下，復雜空間電磁環(huán)境帶來的干擾等對船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了顯著影響，進而威脅船舶航行安全。

圖1：船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)框架圖

雷達系統(tǒng)是通過對周圍發(fā)射不同頻率的電磁波信號，通過對目標反射電磁波進行處理后，可以得出目標的實際方位、距離，并在終端設備上進行顯示。與船舶航行安全監(jiān)視功能相關的雷達系統(tǒng)構成主要包括導航雷達、氣象雷達和聲納，其中，導航雷達除了能夠依托GPS、羅經等導航設備實現(xiàn)航速、航向、經緯度等數(shù)據(jù)的測量外，還可通過軟件計算與目標之間的會遇時間等。氣象雷達主要用于錨泊過程中船舶動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，提高導航系統(tǒng)在順風向上的走錨靈敏度。聲納是船舶航行過程中監(jiān)測水下碰撞風險的重要設備，通過聲波反射原理，可以實時繪制航向路線的水下地形圖，保證船舶航行安全。

通信系統(tǒng)為不同船舶建立了信息交互的渠道，其中，短波通信系統(tǒng)、超短波通信系統(tǒng)能夠在不同距離上進行可靠信息傳輸，而救生通信系統(tǒng)不僅能夠在發(fā)生緊急情況時用于向一定范圍內的通信平臺發(fā)射無線信號，同時還可以作為航行安全示位標使用，以提示其他船舶注意航行安全。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要是通過高清攝像機、微光夜視系統(tǒng)實現(xiàn)船舶航行過程中內、外視頻信號的統(tǒng)一管理，減輕航行過程中觀察員的壓力。而小目標監(jiān)視系統(tǒng)則是利用超高清視頻監(jiān)視單元與導航雷達進行聯(lián)動，實現(xiàn)包括雷達、視頻跟蹤等在內的復合安全監(jiān)視功能。

以上三個系統(tǒng)的技術特征具有明顯差異，通過高低搭配的組合形式，能夠滿足船舶航行安全監(jiān)控的相關要求。在現(xiàn)代信息技術不斷發(fā)展的過程中，以及船舶自動化水平的不斷提升，以光電技術為代表的航行安全監(jiān)視系統(tǒng)得到了更加廣泛的應用。

2 傳統(tǒng)船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)的缺陷

基于航行安全的重要性，船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)應具備較高的可靠性和穩(wěn)定性，并可以滿足多種復雜情況下的航行安全管理需要，然而，傳統(tǒng)船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)卻存在以下幾個方面的缺陷。然而，傳統(tǒng)船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)在技術和系統(tǒng)架構方面已經無法滿足新時期船舶安全航行的基本要求，具體包括以下幾個方面。

2.1 系統(tǒng)抗干擾能力不足

船舶航行安全離不開雷達系統(tǒng)的“視覺”支持，導航雷達、氣象雷達等導航設備與無線通信系統(tǒng)能夠適應各種類型的天氣條件，即便是航行區(qū)域內降水量較大時，可以通過雨雪抑制功能調節(jié)電磁波的波長，使導航雷達終端顯示更加清晰，同時保持較高的通信質量。在船舶運輸行業(yè)快速發(fā)展的過程中，航線更加繁忙，且船舶自動控制系統(tǒng)集成化程度不斷提升，船舶內外空間電磁環(huán)境更加復雜，在此背景下，導航雷達、通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性將明顯降低。

以導航雷達為例，近岸航行過程中同頻干擾現(xiàn)象普遍存在，而同頻干擾現(xiàn)象產生的主要原因在于周圍目標對電磁波的多次反射，而導航雷達無法準確識別一次反射與多次反射信號之間的差異，以至于終端顯示為滿屏效果。如圖2所示，右側為近海錨地區(qū)域，由于錨區(qū)船舶數(shù)量較多，導航雷達偏心顯示右側區(qū)域目標粘連效果較為嚴重，無法區(qū)分目標數(shù)量，僅能大致了解目標集群的區(qū)域范圍。由此可以看出，導航雷達抗干擾能力不足與其技術原理存在密切關系，基于導航雷達的船舶航行安全管理效果將顯著下降，這對船舶航行安全造成了極大的隱患。

圖2：導航雷達近岸終端偏心顯示效果（右側目標粘連）

除導航雷達以外，基于無線通信系統(tǒng)的船舶航行安全管理機制同樣存在問題，復雜電磁空間環(huán)境中的無線通信質量將顯著下降，這在一定程度上影響了船舶航行安全。以船舶進出港普遍適用的甚高頻通信系統(tǒng)為例（Very High Frequency,VHF），由于甚高頻所處的30MHz 到300MHz為開放頻段，且港務繁忙的情況下，船岸通信信噪比顯著降低，無法滿足精準調度的要求，極易造成船舶進出港安全事故。

2.2 視頻監(jiān)視系統(tǒng)可視化功能單一

在過去較長的一段時間里，船舶視頻監(jiān)視系統(tǒng)主要依賴傳統(tǒng)視頻監(jiān)控單元實現(xiàn)對內外環(huán)境的實時畫面?zhèn)鬏?，然而，該監(jiān)視系統(tǒng)在可視化功能方面具有明顯的單一性，尤其是在雨、雪、霧等特殊天氣時的能見度較低，視頻監(jiān)控單元所提供的畫面能見度無法滿足航行安全的要求。盡管，新一代視頻監(jiān)視系統(tǒng)增加了視頻圖像降噪功能，而降噪功能是通過濾除非關聯(lián)信號所采用的一種選擇機制，從實際使用情況來看并不理想，在某些情況下會將遠距離目標濾除，以至于難以及時發(fā)現(xiàn)航線上的危險目標，導致緊急避碰所需時間不足。

以2020年8月上海長江口運油船與砂石料船相撞事件為例，由于事發(fā)時間為凌晨，水面能見度相對較低，且視頻監(jiān)視系統(tǒng)不具備夜視功能，對未采取燈火管制的水面目標無法及時進行預警，最終導致17 人遇險。通過該事件可以看出，視頻監(jiān)視系統(tǒng)作為船舶航行安全的重要輔助系統(tǒng)之一，其不僅需要具備全天候執(zhí)勤的能力，還需要具備多種環(huán)境感知能力，否則，由于過于依賴功能單一的視頻監(jiān)視系統(tǒng)，相關人員的警惕性將顯著下降，發(fā)生航行安全事故的可能性會大大提升。

視頻監(jiān)視系統(tǒng)可視化功能單一的主要原因在于配套系統(tǒng)軟件的功能較為簡單，其主要使擴展了人的可視空間，但系統(tǒng)缺乏對圖像數(shù)據(jù)的自主分析能力。因此，視頻監(jiān)視系統(tǒng)可視化功能在船舶航行安全中的作用有限，無法滿足新時期船舶航行安全的要求。

3 基于光電技術的船舶安全監(jiān)視系統(tǒng)設計方案

隨著現(xiàn)代光電技術的快速發(fā)展，以及人工智能技術、大數(shù)據(jù)技術和圖形圖像識別技術在船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)中的廣泛應用，可實現(xiàn)基于光電技術的船舶安全監(jiān)視系統(tǒng)優(yōu)化，具體設計方案如下。

3.1 系統(tǒng)組成

基于光電技術的船舶安全監(jiān)視系統(tǒng)在智能化、數(shù)字化、集成化方面有著顯著提升，通過融合多平臺數(shù)據(jù)信息，以及發(fā)揮光電監(jiān)視系統(tǒng)在多元目標信息感知方面的優(yōu)勢，為船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)提供更加全面的數(shù)據(jù)和信息支持，其系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3：船舶智慧航行安全監(jiān)視系統(tǒng)組成圖

該船舶智慧航行安全監(jiān)視系統(tǒng)主要包括綜合導航系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、光電監(jiān)視系統(tǒng)，并通過系統(tǒng)總線與智能云控平臺、交換機、云計算單元進行關聯(lián)，為船舶航行安全提供保障。

綜合導航系統(tǒng)在船舶智慧航行安全監(jiān)視系統(tǒng)中的使用可以實現(xiàn)對船舶航行數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)管，以電控羅經、磁羅經和多普勒計程儀的數(shù)據(jù)為支撐，利用通信系統(tǒng)與各類型雷達之間進行通信，從而減少船舶航行事故發(fā)生幾率。同時，在傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)的基礎上，融合了紅外、微光、激光監(jiān)視系統(tǒng)，其功能將更加豐富，創(chuàng)新光電監(jiān)視系統(tǒng)的技術構成，以適應不同環(huán)境下船舶航行安全監(jiān)視的要求。

3.2 系統(tǒng)功能優(yōu)化設計

為解決傳統(tǒng)船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)的不足，基于光電技術的船舶安全監(jiān)視系統(tǒng)設計不僅在系統(tǒng)組成方面進行了優(yōu)化（如圖2所示），同時也豐富了其系統(tǒng)功能。

3.2.1 多元信息融合功能

傳統(tǒng)船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源較為單一，這也是導致早期船舶航行安全事故頻發(fā)的主要原因之一，基于光電技術的船舶智慧航行安全監(jiān)視系統(tǒng)設計能夠實現(xiàn)包括導航信息、雷達信息和光電監(jiān)視信息的融合，從而避免單一數(shù)據(jù)來源可信度低、精度差等問題。

以低速小目標為例，近海區(qū)域漁船作業(yè)現(xiàn)象較為普遍，由于其噸位較小，大型船舶在有風浪的情況下無法通過傳統(tǒng)視頻監(jiān)視系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其蹤跡，船舶智慧航行安全監(jiān)視系統(tǒng)則可以利用導航雷達、VHF 通信單元能夠及時獲取航行區(qū)域內的目標信息，并通過總線將目標信息發(fā)送至智能運控平臺，由運控平臺對目標信息進行二次融合，為光電監(jiān)視系統(tǒng)提供低速小目標的準確方位、距離，并通過動態(tài)調整伺服單元實現(xiàn)光電監(jiān)視系統(tǒng)對目標的穩(wěn)定跟蹤，其原理框圖如圖4。

圖4：低速小目標監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)圖4所示低速小目標監(jiān)視功能的信號變化過程可以看出，多元信息融合功能可以有效減少單一信息來源的目標參數(shù)誤差，并利用負反饋設計，不斷修正光電監(jiān)視系統(tǒng)的精度，減少發(fā)生碰撞的可能。

針對反饋機制的應用依然存在諸多風險，在區(qū)分人為誤差和系統(tǒng)誤差的過程中，誤差將伴隨著反饋機制傳遞至輸出端，由此，則導致誤差積累后的震蕩效應。所以，在多元信息融合過程中，應加強非關聯(lián)平臺之間的無線信號的智能化管理，并實現(xiàn)以數(shù)據(jù)共享為依托的多元信息融合系統(tǒng)，以滿足船舶航行安全的需要。

3.2.2 目標光學特征輔助功能

光電技術在船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)中的應用，進一步擴展了船舶航行監(jiān)視系統(tǒng)的可視空間和時間，針對光電技術的特點，其具備以下三種目標光學特征輔助功能。

（1）紅外光學特征輔助定向。任何物體都具有紅外特征，利用紅外傳成像設備，能夠在紅外特征對比明顯的環(huán)境中將目標區(qū)分出來。由于海洋為低溫環(huán)境，而輪船的整體溫度多高于海洋（尤其是輪船的輪機艙、煙囪等位置溫度較高），利用紅外成像設備可以在一定范圍內準確識別目標船只的方位。

例如，在雨雪、大霧天氣時，能見度相對較低，紅外目標特征對比清晰，有效距離最大可達20km，并能夠通過紅外光譜特征分析準確判定空間目標數(shù)量。然而，這里需要注意的是，紅外光學特征輔助定向無法準確判定目標邊界，因此，無法作為近距離航行安全管理參考，在此情況下，則需要微光夜視光學輔助功能進行彌補。

紅外光學特征的使用對空間環(huán)境有著一定的要求，當航線船舶數(shù)量較多的情況下，受紅外特征疊加的影響，其效果將明顯下降。并且，紅外光學特征定位屬于點定位的一種，無法準確描繪目標輪廓，這也是限制其使用范圍的又一重要原因。所以，船舶紅外光學特征輔助定向主要用于發(fā)現(xiàn)目標，并未安全監(jiān)視系統(tǒng)提供基礎方位和距離信息。

（2）可視光學特征輔助定位。相比較紅外光學特征輔助定向功能來說，微光夜視則是在對可視條件下空間目標識別能力的提升，通過強力物鏡的作用，將微弱的可見光作用在像增強器上，從而使畫面顯示效果更佳，如圖5所示。

圖5：近海渡船夜視輔助監(jiān)視圖

由于微光夜視功能需要目標方位引導，所以，基于微光夜視的可視光學特征輔助定位設計增加了與導航雷達、電控羅經等設備的關聯(lián)接口。通過對導航雷達所提供的目標數(shù)據(jù)進行分析，以及參考電控羅經的航向信息進行零位校正，以便于在更短的時間內完成目標定位和跟蹤。

然而，在實際使用過程中，微光所能夠看到的范圍有限，尤其是對外部空間環(huán)境的照度有著基本要求，為保證船舶航行安全，應當采取復合圖像增強技術，使船舶航行安全得到有效保障。同時，對圖像識別后的信息與綜合導航系統(tǒng)進行融合比對，為船舶航行安全提供參考，并能夠對可疑目標進行警示。

（3）激光測距輔助定位。在確定目標船只方位的基礎上，船舶智慧航行安全監(jiān)視系統(tǒng)將參考智能云控單元的目標方位、距離等參數(shù)進行狀態(tài)修正，并利用激光測距模塊對目標進行精準測距。

以脈沖激光測距輔助定位單元為例，其測距公式如下：

由于t=NT，因此，測距公式還可以表示為：

其中，ε 為特定環(huán)境下的介質常數(shù)。

c 為光在真空中傳播的速度。

t 則為脈沖發(fā)射出去和接收到的時間間隔。

N 為t 時間內激光脈沖器發(fā)射的脈沖數(shù)量。

T為相鄰脈沖發(fā)射的時間間隔。

激光測距輔助定位精度穩(wěn)定性較差，尤其是在目標穩(wěn)定性較差的情況下，校準誤差、漂移誤差等較大，因此，激光測距結果需要通過雷達、甚高頻單元等提供的參數(shù)進行修正。同時，為保證激光測距單元的測量精度，應在允許的范圍內縮短相鄰兩次激光脈沖發(fā)射的時間間隔，即提高脈沖發(fā)射頻次。

激光輔助定位對環(huán)境的要求較高，在可視條件較好的情況下能夠滿足激光測距功能要求，當可視條件不滿足要求的情況下，激光輔助定位系統(tǒng)的精度會顯著降低。同時，為避免激光信號的相互干擾，需要對激光信號進行編碼，編碼機制應參考國際標準，這增加了激光測距輔助定位功能的設計難度。

3.2.3 智能安全識別功能

船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)多依賴導航雷達和船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)，然而，由于其在復雜電磁空間下的穩(wěn)定性和可靠性相對較低，因此，在該船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)設計中，則增加了以光電技術為核心的智能安全識別功能。該功能主要依賴激光測距單元、視頻監(jiān)視單元（紅外、微光夜視）對目標距離、移動方向、移動速度等進行判定，得出最小會遇時間（Time to the Closest Point of Approach,TCPA）將判定結果與導航雷達、船舶自動識別系統(tǒng)的探測結果進行比對，并及時進行危險預警。

除此之外，基于光電技術的船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)還能夠在動態(tài)識別危險源的基礎上，根據(jù)各方航向、航速，以及氣象雷達數(shù)據(jù)計算最佳避碰方案，并通過通信系統(tǒng)向會遇目標發(fā)送避碰方案。在實施規(guī)避動作的同時，光電監(jiān)視系統(tǒng)將動態(tài)跟蹤目標航行狀態(tài)的變化情況，及時調整避碰方案。

4 總結

光電技術在船舶航行安全領域的應用將改變傳統(tǒng)船舶航行安全保障機制，在現(xiàn)有技術條件下，以及針對傳統(tǒng)船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)的技術構成，應突出光電技術的輔助作用，并強化與導航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)等之間的數(shù)據(jù)關聯(lián)，實現(xiàn)高度集成化的船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)。隨著光電技術的發(fā)展，船舶航行安全監(jiān)視系統(tǒng)的技術成熟度將得到顯著提升，從而減少因可視條件差、空間電磁干擾等導致的船舶航行安全事故發(fā)生概率。