海上平台周界船舶安全防护管理系统技术研究_阎晓楠.pdf

第 31 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.31 No.3Mar.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言目前，渤海区域各平台均无有效的周界防护系统，无法满足智能预警、实时监测、目标驱离的海上平台安全管理要求。据不完全统计，仅 2015 年渤海区域内发生外来人员抵近海上平台钓鱼近 2000 批次，涉及 12000 多人员，存在诸多影响平台安全方面的问题：比如有意破坏问题，在巨额经济利益诱惑下，海上挖沙船的违法作业以及盗采现象屡禁不绝；无意破坏问题，在浅海、近海区域渔船、大型施工作业船往来频繁，导致海上油气田设施的海管及导管架安全受到巨大威胁，过往船舶对导管架主结构产生冲击影响生产、作业施工船对海底管缆产生挂碰影响、吸烟、明火造成事故、海底施工作业受限等；钓鱼影响问题，不明身份船舶以及外来人员带缆、登平台钓鱼、露营等。为了有效解决以上外来船只对平台的影响，提高平台生产安全管理能力，迫切需要开发一套周界船只防护系统，能够自动跟踪船只信息、状态和路径，并对非法入侵船只进行实时监测、智能预警和必要的目标驱离等，有效保障海上平台及周边海域安全。针对海上平台周界防护现状以及存在的问题，本文对海上平台周界雷达及 AIS 识别联动安防自动跟踪系统技术进行研究，根据实际调研报告进行设计，搭载智能防入侵系统、中远视距海域监控系统、监控 AI 智能分析海上平台周界船舶安全防护管理系统技术研究阎晓楠（中海油物装采购中心，天津 300457）摘 要：当今中国海洋石油业的快速发展，导致海上油气田的生产设施和各类船舶数量逐年增加，尤其是涉及密集度较高的海上平台周界。海事组织制定了一些相应的航行规则，对船舶的航行路线进行限制,但船舶入侵海上平台周边事件屡有发生，给海上平台的安全管理带来了重大安全隐患。针对海上平台周界船只安全防护欠缺、非法船舶影响平台安全等问题，通过开展海上平台周界雷达及 AIS 识别联动安防自动跟踪系统技术研究，开发一套海上平台周界船只安全防护管理系统，集成雷达及 AIS 船舶识别功能，联动超远距离光电跟踪摄像机对目标进行实时跟踪，实施相应预警、报警及驱离措施，保障海上平台设施的安全运行及提高作业支持船运输、作业效率。关键词：海上平台；安全防护；雷达及 AIS 系统中图分类号：U665.22 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.03.032引用格式 阎晓楠.海上平台周界船舶安全防护管理系统技术研究 J.船舶物资与市场,2023,31(3):102-104.系统为主要防控系统。开发一套海上平台周界船只安全防护管理系统，以满足海上平台周界船只防护的要求，保障海上平台设施的安全运行及提高作业支持船运输、作业效率，乃至海上平台智能化、无人化建设的需求，助力于“智慧海油”的建设。1 雷达、AIS、监控系统的联动研究1.1 AIS 和雷达多源目标融合处理技术研究多源目标融合是指组合和合并多个来源的信息数据，根据某个特定标准在空间或时间上进行组合，形成统一结果的技术。通过对多方渠道得到的信息进行优化组合，得到质量高、准确性高的信息。将 AIS 和雷达系统结合起来，对两者的数据进行综合处理，这就是目标融合相结合应用。1）雷达和 AIS 的基本原理雷达导航原理。雷达导航是无线电导航的一种，利用无线电对目标进行探测和测距。雷达天线发射射频信号，接收设备将收到的信号反射回来，被雷达天线获取，并根据目标的距离、角度和速度等信息计算提取相关目标的信息。通过不间断地发送接收便可得出目标的运动轨迹。雷达的优点在于观测距离远，分辨率高，精度不受天气影响。但受复杂情况影响可能出现扫描假回波，无法绕过障碍物扫描，信号容易受到波浪等干扰，这些因素的原因也导致收稿日期：2022-11-30 作者简介：阎晓楠（1982-），男，硕士，工程师，研究方向为物资采购。第 3 期 103 雷达的使用存在一定的局限性1。船用自动识别系统（AIS）原理。AIS 是一种基于卫星定位的船舶导航定位系统，可以自动发送和接收与船舶航行有关的各种数据（如航速、航向、航迹等），不受恶劣海况的影响，信号覆盖可以绕过障碍物等雷达无法实现的区域。AIS 还可在屏幕上实现电子海图的漫游和缩放，以可视化的形式展现出来。AIS 是继雷达之后重要的助航系统，能够对气象、水文及航标等进行实时监测，还能及时发布和管制信息并获取船舶警告。但是 AIS 也存在自身的局限性，不是所有的船舶都安装了AIS 系统，这种情况下无法探测到该船信息。2）雷达和 AIS 融合雷达和 AIS 均是船舶导航领域的重要系统，雷达自身的局限性决定了所提供的信息量比较小，而 AIS 能够不间断提供更多船舶动态信息可以弥补雷达数据的局限性。但这并不代表 AIS 能够取代雷达，因为雷达系统对一些紧急突发事故的监测和记录比 AIS 更能发挥作用。因此，将两者结合起来应用实现优势互补，发挥更优越的性能。由于雷达和 AIS 都有自己独立的信息处理系统，因此 AIS 和雷达系统融合的关键问题如下：坐标转换与时空配准因信息融合具有时间性和空间性，所以坐标转换具和时间校准又称为数据校准。信息融合的时间性指的是 AIS 和雷达对目标观测时间不同。在处理类和 AIS 目标数据之前需要先对目标数据的时间进行统一；航迹关联和航迹融合。目标航迹关联指的是把雷达探测到的目标航迹和 AIS 提供的目标航迹进行关联，找到属于同一目标的 AIS 目标和雷达目标的航迹信息；点迹合并。AIS 和雷达目标融合的常用融合方法有 3种，本文在此基础上进行改进，完成雷达与 AIS 对应目标信息的数据融合，引入相关的数据融合算法使融合之后的数据质量得到提高。通过整合各雷达站、AIS 系统的数据，可以实现各动态轨迹数据的融通。对二者融合可以提高海上目标监控的数据率和连续性,扩大监控范围,得到目标更加准确和详细的信息。1.2 基于 AIS 与雷达的智能监控技术研究基于雷达、AIS 定位的视频联动通过计算机系统软件，将雷达获取的地理位置与远距离光电转台进行连接，在转台上时时进行当前角度目标的距离测量，并时时获取当前转台的角度信息。转台带动雷达旋转，这样可以把圆形面内的目标角度信息以及距离信息提取出来，并通过不同的算法对目标进行区分，按照相应要求上报 PC机（即服务器）。光电跟踪摄像机本身不具备旋转功能，需要与云台组合实现旋转功能。云台可以实现水平及垂直旋转功能，并且可以进行预置位设置，且可以设置多达 90 个预置位甚至更多。雷达通过 GPS 坐标，结合 AIS 检测船舶号信息发现入侵船只后将位置信号反馈给智能主机，智能主机接收到雷达信号后调动光电跟踪摄像机，摄像机根据智能主机提供的船舶位置信息进行跟踪抓拍。在系统前端的雷达与视频望远监控系统之间设定联动后，用户可通过软件预设联动触发条件，当雷达探测到的目标触发联动时，前端视频站能够锁定目标并进行持续追踪，雷达探测到目标后直接联动视频系统捕捉实时视频画面，达到直观的监视监测效果2。1）联动特点基于雷达定位的视频联动系统通过计算机系统软件，将雷达获取到的目标空间/地理位置数据与视频望远监控成像一体化云镜系统的转动角度、镜头焦距进行联动，实现对该空间、地理位置的场景图像进行实时复核。系统由定位雷达、视频望远监控成像一体化云镜系统、雷达联动跟踪服务器、雷达联动跟踪软件、网络通信传输系统等组成。雷达采用成熟的产品，根据 Asterix 标准协议进行二次开发和集成能够实现，对雷达探测目标联动视频望远监控系统进行跟踪。相对于常规的视频望远监控系统，雷达与视频联动系统具有以下优点：一是目标探测速度快；二是可同时探测多目标；三是受气象条件影响小，探测精度高；四是系统完全实现数字化、网络化、智能化、信息化程度高。系统能在 10 km（5 m 高中型目标）/20 km（10 m 高大型目标）范围内探测监视目标（人、车、船)，昼夜连续探测，持续目标追踪，并将目标标示到电子海图之上。在现有的雷达目标自动跟踪、视频望远定位一体化监控技术上通过视频监控系统与雷达目标信息自动同步联动，实现系统集成化、智能化和平台化。2）联动工作原理雷达/AIS联动视频系统跟踪的工作原理如图1所示，有以下步骤：通过 AIS 接收广播，同时雷达的主动扫描波束对目标进行定向扫描测距，获取船舶信息；将船舶信息传输至终端服务器；终端服务器根据船舶信息调动各摄像机转动并跟踪拍摄，并对各摄像机图像进行动态拼接，形成完整全景监控画面；终端服务器将船舶信息及全景视频监控拼接图像实时上传至海事监测云平台，实现视频同步联动跟踪监控。阎晓楠：海上平台周界船舶安全防护管理系统技术研究船舶物资与市场第 31 卷 第 3 期 104 雷达视频雷达视频数据扇区号变更回波提取帧填充遮蔽区信号压缩条波过滤Rod 填充单波束Rod填充Rod凝聚为Blob由 Blob建立Piot删除Rod、BlobTrack 删除Piot 扑捉Track 关联Track 创建Track 平滑处理计算波门大小Track 更新轨迹输出队列雷达视频数据雷达视额雷达轨迹Rod 线程Piot 线程Track 关联线程Track 更新线程RodRodPiotPiotTrackTrackTrack图 1 系统联动示意图AIS 发现异常情况，触发视频监控摄像机，向预设位方向转动，并将图像实时传回控制室，视频监控摄像机发现异常情况，给 AIS 系统发送警示信号，并在海图上给予支持。2 周界防入侵告警驱离技术的研究2.1 防入侵系统流程1）数据采集：在海洋石油平台最下层带缆甲板或者工作甲板，安装防爆双光谱云台摄像机进行视频画面采集和人脸采集，AIS 船舶识别系统进行外来船舶识别，雷达系统进行靠近海洋石油平台船舶位置获取。2）数据传输：前端采集设备通过信号线传输至智能主机，智能主机通过超五类网线连接至交换机；摄像机通过超五类网线连接交换机；触摸屏通过超五类网线连接交换机显示各个设备运行参数和数据；通过智能主机判断靠近平台船舶是否发出报警3。3）逻辑控制：中海油船舶靠近平台时，不启动强声；有AIS船舶，非中海油船舶入侵，启动强声；无AIS船舶，非中海油船舶入侵，启动强声。4）控制输出：当需要驱散靠近平台的船舶和人员时，系统发出强声装置进行驱赶或启动消防水炮进行驱离。1、雷达全天候实时检测目标水域主动感知船只信息，包括船只位置、速度、长度航向等，记录船只的行驶轨迹。3、雷达通过坐标GPS，未开AIS嫌疑检测+AIS通过检测船舶号信息发现入侵船只后将信号反馈给智能服务器。6、如入侵船只尚未驶离，当入侵人员通过带缆甲板进行意图进入平台时，安装在带缆甲板的摄像机自动对入侵人员进行拍照、录像记录，此录像永久性保存。5、智能主机会将非法入侵船只的信息反馈给强声驱散系统并同时调动(手动或自动)强声驱离系统播放提前录入的语音进行驱散(例如:非法入侵，尽快驶离)(播放时间可自行设置时长)。也可进行人工喊话。4、智能主机接收到雷达信号后调动光电跟踪摄像机，摄像机根据智能主机提供的船舶位置信息进行跟踪抓拍，并将抓拍数据进行保存，方便后期查看。9、AI识别盒子识别出员工未带安全 帽、未穿工服，烟火，吸烟，打电话等系统报警并截图保存。8、反恐驱散成功人员远离平台，船只驶离平台，系统自动归位，进行海面巡检。2、AS通过监测船的信息，船舶号，位置信息目的地及裁重等信息确认是否为中海油指定船舶号进行判别船只。发送指令启动强声传输信号巡检启动调动指令算法识别图 2 防入侵系统流程图2.2 防入侵系统工况应用系统由主控系统进行控制，主机控制箱安装在中控内，包括报警控制主机、话筒、报警、喊话、启动消防水炮按键监控系统联动系统等。室外配置防爆双光谱跟踪摄像头、防爆扬声器、消防水炮，系统内置报警语音，报警语音可为芯片硬化方式或可根据客户要求任意修改而采用写入模式。监控摄像头监视登平台人员及附近海域船只系统的操作主要通过，监控、驱离扬声器、消防水炮等执行。工况一：静默状态，主机待机，