基于IBMS的樞紐船閘安防管理系統(tǒng)研究

覃露

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443500）

1 船閘安防管理概述

樞紐船閘是我國長江、西江、京杭運(yùn)河等各大水運(yùn)干線的重要通航建筑物，在內(nèi)河航運(yùn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮極為重要的作用。目前，大多數(shù)船閘都和重要水利樞紐配套建設(shè)，并與水利樞紐安防一起統(tǒng)一管理。在當(dāng)前新形勢下，水利樞紐、船閘等關(guān)鍵設(shè)施的主體安全和生產(chǎn)安全管理責(zé)任越來越重，而目前多數(shù)船閘安防管理發(fā)展比較落后，主要依靠出入口設(shè)崗、定時(shí)定點(diǎn)巡檢、事后追查等方式進(jìn)行管理，以人為主、覆蓋面窄、時(shí)效性差，對(duì)船閘安防區(qū)域人員入侵、攀爬、聚集、車輛失控、消防火災(zāi)等動(dòng)態(tài)事件無法及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)、預(yù)警和處置，亟需一種更加系統(tǒng)、覆蓋面全、可靠、智能化、識(shí)別度高的安防管理系統(tǒng)。而IBMS 即智能化集成系統(tǒng)（intelligent building management system），具備物聯(lián)互通、智能管控、功能定制、深度學(xué)習(xí)等多項(xiàng)新功能，能夠滿足船閘安防管理的個(gè)性化需求，在船閘安防管理方面具備廣闊的發(fā)展前景，已成為類似需求的重要解決方案之一。其將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用延伸至船閘區(qū)域各場景，對(duì)人、車、物數(shù)據(jù)進(jìn)行線上融合與計(jì)算，有利于提升閘區(qū)安全、提升管理效率，降低成本，實(shí)現(xiàn)閘區(qū)“數(shù)據(jù)全融合、狀態(tài)全可視、業(yè)務(wù)全可管、事件全可控”，促進(jìn)閘區(qū)管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2 系統(tǒng)核心算法

本文設(shè)計(jì)的船閘安防管理系統(tǒng)，主要運(yùn)用了視頻智能分析技術(shù)，其核心是圖像智能分析相關(guān)算法。通常，圖像智能分析核心算法的基本流程是收集圖像數(shù)據(jù)，標(biāo)注特征，深度學(xué)習(xí)，訓(xùn)練模型，最后實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，流程如圖1所示：

圖1 算法實(shí)現(xiàn)流程

其中模型訓(xùn)練是一個(gè)深度學(xué)習(xí)的過程，需要反復(fù)循環(huán)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，一般模型的訓(xùn)練過程如圖2所示：

圖2 模型訓(xùn)練過程

在船閘安防管理系統(tǒng)中涉及的主要圖像智能分析算法有如下幾種：

（1）目標(biāo)識(shí)別算法，即在給定的圖片或視頻幀中找出所有目標(biāo)的位置，給出每個(gè)目標(biāo)的類別，通過特征的提取，形成初步的特征向量，并與目標(biāo)庫中的特征進(jìn)行對(duì)比。其一般算法流程如圖3所示：

圖3 目標(biāo)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)流程

（2）目標(biāo)跟蹤算法，即給定一個(gè)視頻圖像序列，找到圖像序列中指定類型的目標(biāo)，將不同幀中的目標(biāo)一一對(duì)應(yīng)，賦予每個(gè)目標(biāo)唯一的跟蹤ID 并給出不同目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于輸入視頻圖像序列，輸出目標(biāo)的跟蹤結(jié)果，包括目標(biāo)包圍框和對(duì)應(yīng)的ID 編號(hào)。目標(biāo)跟蹤算法的現(xiàn)實(shí)流程如圖4所示：

圖4 目標(biāo)跟蹤算法實(shí)現(xiàn)流程

（3）行為分析算法，即對(duì)人的行為進(jìn)行分析，并與目標(biāo)庫對(duì)比，輸出分析結(jié)果，對(duì)相應(yīng)行為進(jìn)行報(bào)警。而行為分析根據(jù)分析對(duì)象的細(xì)節(jié)程度不同，又可分為打架、聚集等群體行為，區(qū)域入侵、離崗等個(gè)體行為和抽煙、玩手機(jī)等肢體行為。行為分析功能雖然繁多，但在視頻分析技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上主要有兩大類：基于軌跡定位和速度分析的個(gè)體軌跡行為分析方法、基于個(gè)體手部分析和肢體關(guān)節(jié)點(diǎn)檢測的肢體部件行為分析方法。其具體實(shí)現(xiàn)流程與前兩個(gè)算法基本一致。

3 船閘安防管理系統(tǒng)功能及架構(gòu)

基于IBMS 的船閘安防管理系統(tǒng)集成了視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)等子系統(tǒng)，形成一個(gè)綜合性的安防管理平臺(tái)。該平臺(tái)無縫實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的信息共享，任一點(diǎn)的故障或異常報(bào)告可形成視點(diǎn)聯(lián)動(dòng)，并且可預(yù)先進(jìn)行預(yù)案排演應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。平臺(tái)的信息具備“大數(shù)據(jù)”特征，可通過各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行信息采集、統(tǒng)計(jì)和分析，為安全分析和管理決策提供數(shù)據(jù)支撐。

平臺(tái)根據(jù)管理需求，分為區(qū)域場所控制管理和人員動(dòng)態(tài)管理兩大功能模塊，結(jié)合人員身份識(shí)別、安防門禁、區(qū)域人員追蹤及統(tǒng)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)行為識(shí)別等各子系統(tǒng)功能，形成綜合性的系統(tǒng)安防管理能力。功能模塊圖如下所示：

圖5 船閘安防管理平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

3.1 視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用全數(shù)字分級(jí)分區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，劃分為集控中心、現(xiàn)地機(jī)房兩層級(jí)。由設(shè)置在集控中心的大屏顯示系統(tǒng)、各類功能服務(wù)器、視頻監(jiān)控設(shè)備、設(shè)置在各區(qū)域的各類攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、控制記錄與顯示裝置、電源等配套設(shè)備組成。視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為控制級(jí)和現(xiàn)地級(jí)，主要由控制級(jí)設(shè)備、現(xiàn)地級(jí)設(shè)備、前端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下功能：監(jiān)視船閘監(jiān)視區(qū)及主要出入口等部位的視頻信息，并可運(yùn)用客流統(tǒng)計(jì)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)劃定區(qū)域出入口人員的判別統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)顯示劃定區(qū)域內(nèi)人員數(shù)量，有助于船閘在施工、緊急狀態(tài)等情況下了解該區(qū)域的人員分布情況；具備視頻入侵報(bào)警功能和圖像復(fù)核功能；可與入侵報(bào)警系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)和公共廣播系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在系統(tǒng)收到聯(lián)動(dòng)信號(hào)后，控制攝像機(jī)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的預(yù)置位置進(jìn)行事件存儲(chǔ)，并顯示相應(yīng)圖像進(jìn)行跟蹤監(jiān)視。

3.2 入侵報(bào)警系統(tǒng)

入侵報(bào)警系統(tǒng)由防區(qū)型光纖振動(dòng)入侵探測系統(tǒng)配合監(jiān)控系統(tǒng)的周界攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)。入侵報(bào)警系統(tǒng)的前端設(shè)備包括：探測器（震動(dòng)光纖或雷達(dá)）和緊急報(bào)警裝置、傳輸設(shè)備、處理/控制/管理設(shè)備、顯示/記錄設(shè)備。系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，以防區(qū)型入侵探測系統(tǒng)為核心，配套安防系統(tǒng)信息化管理平臺(tái)。前端設(shè)備通過傳輸層連接到應(yīng)用層設(shè)備，應(yīng)用層設(shè)備對(duì)傳感層設(shè)備的信息進(jìn)行處理，并根據(jù)處理結(jié)果和權(quán)限執(zhí)行后續(xù)管理流程。

系統(tǒng)設(shè)置了船閘物理圍墻和靠近周界，防止翻越、破壞、偷盜，甚至恐怖襲擊等安全問題，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對(duì)船閘閘室兩側(cè)、導(dǎo)航墻等位置劃分防區(qū)、布置探測器。入侵報(bào)警系統(tǒng)對(duì)船閘設(shè)有報(bào)警探測器的部位實(shí)行24 小時(shí)全天候監(jiān)控，使安防人員能及時(shí)準(zhǔn)確地了解報(bào)警的情況，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警并聯(lián)動(dòng)視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)警情自動(dòng)記錄以便事后查詢，并提示安防人員協(xié)同處理突發(fā)事件。

3.3 出入口控制系統(tǒng)

出入口控制系統(tǒng)分為車輛出入口控制系統(tǒng)和人員出入口控制系統(tǒng)，其中人員出入口控制系統(tǒng)包括人行道閘控制系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)，車輛出入口應(yīng)設(shè)置電動(dòng)道閘或電動(dòng)伸縮柵欄等設(shè)施；人員出入口宜設(shè)置人行閘機(jī)或門禁等設(shè)施。車輛出入口控制系統(tǒng)和人員出入口控制系統(tǒng)的后臺(tái)設(shè)備是統(tǒng)一管理的。

3.3.1 車輛出入口管理系統(tǒng)

車輛出入口管理系統(tǒng)通過前端抓拍攝像機(jī)采集識(shí)別獲取車輛信息，利用網(wǎng)絡(luò)將車輛信息數(shù)據(jù)發(fā)送至后端管理中心，利用車輛識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)車牌號(hào)、車標(biāo)、車型、車身顏色等相關(guān)數(shù)據(jù)比對(duì)，確保車輛的進(jìn)出有據(jù)可查、車輛進(jìn)出可控，并可確保停車位的合理利用，以加強(qiáng)出入口的高效和安全管理。系統(tǒng)具備對(duì)臨時(shí)車輛進(jìn)行權(quán)限放行和對(duì)固定用戶進(jìn)行認(rèn)證管理的功能，整套系統(tǒng)包括高清出入口抓拍攝像機(jī)、道閘、車輛檢測器、地感線圈、LED 顯示屏、余位顯示屏、移動(dòng)管理終端、出入口管理終端、管理平臺(tái)、管理電腦等組件。系統(tǒng)采用TCP/IP的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在保障數(shù)據(jù)傳輸速度和安全性的基礎(chǔ)上，極大地方便了設(shè)備安裝布線。

3.3.2 人員出入口控制系統(tǒng)

人員出入口控制系統(tǒng)包括人行道閘控制系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)，主要運(yùn)用人臉識(shí)別系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。人臉識(shí)別系統(tǒng)，采用人臉檢測算法、人臉跟蹤算法、人臉抓拍算法、人臉質(zhì)量評(píng)分算法及人臉識(shí)別算法，結(jié)合配套的前端人臉抓拍攝像機(jī)、前端人臉一體化閘機(jī)、人證比對(duì)核驗(yàn)終端、后端人臉比對(duì)服務(wù)器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)人臉抓拍建模、實(shí)時(shí)人臉比對(duì)、靜態(tài)人臉圖片檢索、人臉布控和軌跡還原等功能。

人臉識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)識(shí)別方式可分為前端人臉識(shí)別方式和后端人臉識(shí)別方式兩種。前端人臉識(shí)別方式主要由人證核驗(yàn)桌面式終端設(shè)備、人臉一體化閘機(jī)設(shè)備和人臉識(shí)別相機(jī)組成，其內(nèi)置人臉?biāo)惴?，可讀取身份證芯片人臉照片實(shí)現(xiàn)1:1 人證比對(duì)或1:N/n;N 人像比對(duì)；后端識(shí)別主要由人臉服務(wù)器兩種后端形態(tài)產(chǎn)品及配套前端人臉抓拍相機(jī)、可視對(duì)講門口機(jī)等人臉采集設(shè)備組成。

系統(tǒng)通過管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備管理、識(shí)別場景規(guī)則設(shè)置、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、人臉授權(quán)、業(yè)務(wù)展現(xiàn)和管理，并結(jié)合客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的預(yù)覽檢索、各種報(bào)警信息的查看等操作，同時(shí)人臉識(shí)別系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人臉考勤、人臉巡更、訪客管理等功能。

3.4 公共廣播系統(tǒng)

公共廣播系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)傳輸（光纖網(wǎng)絡(luò)）的廣播系統(tǒng)，應(yīng)急公共廣播系統(tǒng)滿足船閘的背景音樂播放、信息廣播、廣播通知、緊急廣播等使用需求。公共廣播系統(tǒng)的總服務(wù)器設(shè)備設(shè)于管控中心，包括總主控設(shè)備、音源設(shè)備、解碼器、功放、消防緊急聯(lián)動(dòng)設(shè)備、廣播呼叫設(shè)備等，在船閘閘面、機(jī)房等設(shè)廣播號(hào)角，采用分布式架構(gòu)，將不同業(yè)務(wù)需求區(qū)域的廣播系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分和設(shè)置，既能夠做到互不干擾，也能夠在應(yīng)急情況下進(jìn)行統(tǒng)一管理。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于IBMS 的船閘安防管理系統(tǒng)，采用了圖像智能分析、振動(dòng)探測器分析等技術(shù)，通過深度學(xué)習(xí)，終端處理，發(fā)布命令等方式，集成視頻監(jiān)控、出入口控制、周界警示、廣播尋呼等多種功能，是一個(gè)一體集成化的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)有助于提升船閘以及水利樞紐的安防管理科學(xué)化和智能化，提高管理水平，更好地服務(wù)于內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)。后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)更加完善的系統(tǒng)或方式方法來助力船閘安防管理。