船閘運(yùn)行伴隨式系統(tǒng)研究分析

傅饒，趙建

（1.宿遷市港航事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 宿遷 223800 ；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014）

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)轉(zhuǎn)型高質(zhì)量發(fā)展階段，內(nèi)河航道事業(yè)發(fā)展面臨的形勢(shì)發(fā)生了重大變化。為加快現(xiàn)代信息技術(shù)與航運(yùn)要素深度融合，交通運(yùn)輸部等七部委聯(lián)合印發(fā)《智能航運(yùn)發(fā)展指導(dǎo)意見(jiàn)》，江蘇省政府印發(fā)《交通強(qiáng)國(guó)江蘇方案》，為智能航運(yùn)未來(lái)發(fā)展指明方向。近年來(lái)，各地港航管理部門積極探索航道信息化智能化應(yīng)用，開(kāi)辟交通新基建背景下船閘設(shè)施智改數(shù)轉(zhuǎn)升級(jí)新路徑，以少人值守、自主運(yùn)行為特征的未來(lái)船閘初具雛形；區(qū)域性船閘集中控制調(diào)度系統(tǒng)建設(shè)全面展開(kāi)，依托信息化創(chuàng)新引領(lǐng)，以船舶船員為中心，寓管控于服務(wù)之中，精準(zhǔn)破解航道管控難點(diǎn)和便民服務(wù)痛點(diǎn)。

當(dāng)前，視頻攝像機(jī)在船閘運(yùn)行管理中使用普遍，但運(yùn)用較為分散化，信息的分析與處理也是人工進(jìn)行。監(jiān)控的利用并沒(méi)用實(shí)現(xiàn)最大化。隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)進(jìn)步，視頻應(yīng)用目前正從單純?nèi)斯けO(jiān)視向自動(dòng)監(jiān)視、智能分析方向發(fā)展，場(chǎng)景更豐富、功能更多元。為順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)一步夯實(shí)船閘安全運(yùn)行基礎(chǔ)，本文開(kāi)展基于智能攝像機(jī)的船閘運(yùn)行伴隨式系統(tǒng)研究分析，保障助力智慧船閘、智能航運(yùn)建設(shè)發(fā)展，提高船閘運(yùn)行信息化智能化水平。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

船閘作為一種應(yīng)用最廣的水上通航建筑物，有效地改善了航道通航條件，促進(jìn)了水路運(yùn)輸和地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從發(fā)展角度出發(fā)，船閘安全管理是船閘運(yùn)行管理和高質(zhì)量發(fā)展的永恒主題；從本質(zhì)安全角度出發(fā)，夯實(shí)船閘安全管理關(guān)乎民生福祉，是民生之本，發(fā)展之基，更是航道人踐行交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。

近些年來(lái)，隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的不斷發(fā)展，高清視頻產(chǎn)品的迅速普及，高清市場(chǎng)正在逐漸成熟和得到各行各業(yè)的認(rèn)可，江蘇現(xiàn)有52 所船閘已經(jīng)全部接入高清視頻系統(tǒng)。

圖1 船閘的監(jiān)控畫(huà)面

江蘇船閘運(yùn)行調(diào)度普遍使用“開(kāi)上閥-開(kāi)上閘-關(guān)上閥-關(guān)上閘-開(kāi)下閥-開(kāi)下閘-關(guān)下閥-關(guān)下閘”閘閥門操控的“八步”工法。工作人員在監(jiān)控畫(huà)面上需要根據(jù)“八步”工法，在上游引航道至下游引航道多個(gè)位置布設(shè)監(jiān)控設(shè)備，并關(guān)注相應(yīng)多個(gè)監(jiān)控畫(huà)面。但如果監(jiān)控設(shè)備布設(shè)數(shù)量少，易出現(xiàn)視覺(jué)盲區(qū)。為了降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省船閘的硬件設(shè)備投入，提高船閘安全管理水平，解決閘室內(nèi)安全盲區(qū)的問(wèn)題，擬將可移動(dòng)智能攝像機(jī)技術(shù)應(yīng)用到船閘安全運(yùn)行管理中，設(shè)備跟隨船舶的運(yùn)行，工作人員只需要關(guān)注一個(gè)畫(huà)面，并且可以根據(jù)需求，隨時(shí)手動(dòng)切換任意的監(jiān)控畫(huà)面，保證閘室內(nèi)監(jiān)控?zé)o盲區(qū)，確保船閘的安全運(yùn)行，保障船舶的安全快速通過(guò)，為我國(guó)內(nèi)河水上交通運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)化發(fā)展提供安全保障。

2 船閘運(yùn)行伴隨式系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

2.1 船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像機(jī)整體結(jié)構(gòu)研發(fā)

建設(shè)成套的船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像系統(tǒng)，包括伴隨式智能攝像機(jī)、軌道系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、后臺(tái)軟件系統(tǒng)。

圖2 船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像機(jī)架構(gòu)

（1）船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像機(jī)。船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像機(jī)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)船閘巡檢主要功能，針對(duì)智慧船閘業(yè)務(wù)需求，進(jìn)行功能組建選型研究：①一體化雙光云臺(tái)。增加視場(chǎng)寬度，提高視頻監(jiān)控視角，減少監(jiān)控盲區(qū)，提供智能分析功能，結(jié)合船閘安全監(jiān)管業(yè)務(wù)需求，提供危險(xiǎn)源識(shí)別等分析手段；②喊話器。搭載高頻喊話器能夠作為信息對(duì)外發(fā)布的一種手段，支撐應(yīng)急情況下的處置工作；③可拓展傳感器接口。預(yù)留接口，搭載溫濕度傳感器、氣象傳感器等多種傳感器，能夠獲取機(jī)器人巡檢區(qū)域的氣象、環(huán)境、溫濕度等多種數(shù)據(jù)，支撐業(yè)務(wù)決策。

（2）充電單元。通過(guò)部署在區(qū)域中的分布式充電樁實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。伴隨式智能攝像機(jī)執(zhí)行完巡檢任務(wù)自動(dòng)尋找就近的充電樁執(zhí)行充電，當(dāng)充電樁發(fā)生故障時(shí)，伴隨式智能攝像機(jī)能夠自動(dòng)尋找其他充電樁進(jìn)行充電。

（3）通訊單元。伴隨式智能攝像機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與控制室實(shí)時(shí)通信控制，紅外熱像儀占用的上行帶寬為4Mbps，云臺(tái)占用的上行帶寬為4Mbps，合計(jì)視頻上行帶寬8Mbps；在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)20Mbps 以上網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境（上行帶寬15Mbps 以上）。

（4）軌道單元。伴隨式智能攝像機(jī)軌道單元作為運(yùn)動(dòng)承載是伴隨式智能攝像機(jī)系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成單元，軌道采用高強(qiáng)度鋁合金型材，軌道設(shè)計(jì)載荷能力100kg，表面經(jīng)陽(yáng)極氧化處理，具備高抗腐蝕和較強(qiáng)的耐磨損性能。

2.2 船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像機(jī)應(yīng)用功能開(kāi)發(fā)

船閘運(yùn)行伴隨式智能攝像機(jī)應(yīng)用于船閘閘室、閘門和引航道等區(qū)域，應(yīng)具備長(zhǎng)距離、全方位、自動(dòng)拍攝、自動(dòng)識(shí)別、智能分析、智能預(yù)警等功能。

（1）視頻監(jiān)控。引導(dǎo)服務(wù)機(jī)器人支持?jǐn)z像頭設(shè)備接入，后臺(tái)可全方位實(shí)時(shí)查看船閘閘室、閘門和引航道等區(qū)域視頻數(shù)據(jù)。

（2）進(jìn)出閘指揮。引導(dǎo)服務(wù)機(jī)器人支持動(dòng)作引導(dǎo)功能。對(duì)接船閘運(yùn)調(diào)平臺(tái)，當(dāng)船舶可以進(jìn)出閘時(shí)，通過(guò)揮動(dòng)紅綠旗幟，引導(dǎo)船舶進(jìn)出閘。

（3）喊話功能。對(duì)接未系纜繩識(shí)別、超警絨線識(shí)別AI 中臺(tái)，當(dāng)檢測(cè)到船舶未系纜繩、超警絨線時(shí)，可將機(jī)器人行駛至違規(guī)船舶附近，通過(guò)語(yǔ)音喊話功能引導(dǎo)船員按規(guī)定?？俊?/p>

（4）圖像識(shí)別。開(kāi)發(fā)高精度圖像識(shí)別算法，對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理，識(shí)別視頻內(nèi)容。對(duì)特定環(huán)境，采用深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)方法，能夠?qū)χ付ㄎ矬w進(jìn)行檢測(cè)。

（5）任務(wù)管理。在任務(wù)系統(tǒng)中既可以手動(dòng)進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行也可按照日程進(jìn)行任務(wù)分配執(zhí)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢功能。

（6）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。后端平臺(tái)具備對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、統(tǒng)計(jì)、檢索的功能。

（7）報(bào)表輸出。伴隨式智能攝像機(jī)在執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)之后都會(huì)自動(dòng)生成報(bào)表，運(yùn)維人員可以在監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)時(shí)間、巡檢類型、任務(wù)名稱等進(jìn)行檢索并查看報(bào)表。

（8）伴隨式智能攝像機(jī)自檢。伴隨式智能攝像機(jī)在啟動(dòng)巡檢前均會(huì)進(jìn)行自檢，若發(fā)現(xiàn)部件異常，則給出異常狀態(tài)指示，并將系統(tǒng)異常信息上傳至監(jiān)控后臺(tái)。

（9）圖像遙傳功能。對(duì)可見(jiàn)光攝像和紅外熱成像進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻顯示，配合自動(dòng)巡視的功能，實(shí)現(xiàn)操作人員的后臺(tái)巡視，并可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。

2.3 與船閘現(xiàn)有系統(tǒng)的對(duì)接

伴隨式智能攝像機(jī)管理平臺(tái)通過(guò)與現(xiàn)有的船閘運(yùn)行管理平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接和數(shù)據(jù)整合，可直接調(diào)取閘室內(nèi)前后任意區(qū)域內(nèi)的監(jiān)控畫(huà)面，在船舶進(jìn)出閘過(guò)程中，對(duì)船舶進(jìn)行伴隨式智能監(jiān)視。

2.4 技術(shù)架構(gòu)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)智能感知硬件系統(tǒng)，結(jié)合人工智能分析技術(shù)，從船閘應(yīng)用場(chǎng)景入手，推動(dòng)智慧船閘發(fā)展。

（1）感知層。通過(guò)閘室智能跟隨式運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)增大閘室內(nèi)監(jiān)控覆蓋范圍，減少閘室內(nèi)監(jiān)控盲區(qū)。通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)，感知船舶進(jìn)閘的數(shù)量，識(shí)別船舶的船名船號(hào)等信息；對(duì)閘室內(nèi)船舶帶纜，船舶進(jìn)閘?？可舷掠伍l門是否超越安全警戒線等環(huán)節(jié)進(jìn)行安全監(jiān)控。

（2）分析層。在計(jì)算中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、智能決策和安全評(píng)估。根據(jù)船舶進(jìn)閘的數(shù)量，船名船號(hào)識(shí)別等信息，分析出船舶的相關(guān)的基礎(chǔ)信息，根據(jù)閘室內(nèi)船舶帶纜，船舶進(jìn)閘?？渴欠癯缴?、下游安全警戒線等安全環(huán)節(jié)進(jìn)行安全監(jiān)控，對(duì)船舶的過(guò)閘安全要素進(jìn)行安全分析，這樣也能多渠道，多維度地實(shí)時(shí)監(jiān)控可能發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)。

（3）應(yīng)用層。應(yīng)用層可以提供智能決策和安全評(píng)估的結(jié)果。例如船舶在進(jìn)出船閘過(guò)程中發(fā)生超越警戒線等安全風(fēng)險(xiǎn)，可以與現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)接，及時(shí)通知工作人員。也可以完美地融入到自動(dòng)化船閘系統(tǒng)、集中控制系統(tǒng)中，結(jié)合多種安全監(jiān)測(cè)手段，豐富自動(dòng)化船閘的安全監(jiān)控途徑。

3 結(jié)語(yǔ)

“十四五”以來(lái)，航運(yùn)事業(yè)發(fā)展迅速，各船閘日益繁忙，通過(guò)構(gòu)建船閘運(yùn)行伴隨式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船閘從上游引航道到下游引航道全程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)閘室、閘區(qū)全覆蓋，同時(shí)也能夠?qū)⒋l運(yùn)行伴隨式系統(tǒng)無(wú)縫融入船閘現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)要素識(shí)別，進(jìn)一步保證船舶進(jìn)閘和出閘的安全。