海事电视监控系统工程方案设计
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摘 要:通过海事监管现状与问题分析,论证了建设海事电视监控系统的必要性,在对其视频和传输技术进行分析和比选的基础上提出了海事电视监控系统的性能要求和功能结构。
关键词:海事;电视监控;性能要求;功能结构
随着我国经济的发展,沿海与内河的航运业日益繁忙,船舶交通量不断增大,加上水域船舶种类繁多,代写论文通航环境复杂,使得交通秩序比较混乱,通航管理难度逐渐加大。很多地方的VTS工程投入使用以来,有效地改善了所在港区和航道的通航环境,增强了水上安全监督管理手段。但由于客观条件和技术条件的限制, VTS还不能覆盖所有海事辖区,还不能完全解决船舶交通存在的许多问题。面对日益加大的管理难度,为了更好地实施水上船舶交通动态管理,维持沿海港口与内河的船舶交通秩序,提高船舶进出港效率和安全感,减少交通事故,防止船舶水上污染,保护水上生态环境,促进水上运输业的良性发展,迫切需要采取更为有效的手段辅助VTS,使现场管理人员对航行与作业船舶进行更为有效监管,电视监控系统就是目前较为有效和可行的一种模式。
1 海事电视监控系统建设的必要性
1.1 保障通航环境安全与通畅的需要目前我国很多港口、水道码头鳞次栉比,百舸争流,航道弯曲狭窄,自然条件不断变化,通航环境日趋复杂,通航安全畅通与否关系到水运经济的兴衰。因此,有必要实施监控立体化,改进管理方式,提升设备功效,积极探索把VTS、工业电视的监控、监督艇巡航和执法车巡视的监控有机地融为一体,实现全方位、全天候的立体监控,形成强大合力,强化现场管理、提高安全管理质量,将海事监管水域建成文明、畅通、安全、清洁的平安航区。通过海事电视监控系统的建设,可以对船舶在港口和航道的作业状态、航行状态进行视频监控,通过对通航环境的周密分析,执法人员可通过无线通信等现代化手段,随时与过往船舶取得联系,做到防范于未然,从而提高工作的质量;同时,通过合理设置电视监控点,把住监控水域的关口要道,可以加大对“三无”船舶、偷逃规费和违章船舶的监管力度,使船舶交通事故消灭在萌芽状态,确保人员和财产的安全;另外,电视监控系统的存在,对船舶操作人员也是一种威慑,会促使他们遵守有关操作规程和航行秩序,提高安全意识,最大限度地减少船舶交通事故的发生。
1.2 电视监控可以弥补对VTS的不足我国很多港口、水道VTS的建设与使用,对改善该水域内的船舶交通秩序、增进船舶交通安全、提高通航效率、加强船舶交通管理发挥了重要作用,对区域经济的高速发展也起到了不可估量的作用。然而,由于VTS是基于雷达探测技术原理发挥作用的,虽然能够检测获得目标船的大小、方位,并可以进行跟踪,但对小型船舶的检测能力和监视能力有限,而且不是直观生动的图像,缺少人体感官的直接认知,同时对港口、码头等微观现场难以企及。通过海事电视监控系统的建设,可以弥补VTS盲区的检测能力不够的限制,调度员可以直观地观察水上交通的现场态势,提供准确、清晰的航道视频信息,及时客观地了解监控现场船舶交通动态,及时发现违章操作与事故,为现场管理指挥与决策提供第一手资料,以便迅速、正确地采取有效的应对措施。
1.3 电视监控可以强化海事执法力度随着法制建设的不断完善,人们的法律意识不断提高,对海事行政执法论文代写的准确性和规范性要求也越来越高。然而,由于海上违章产生的证据容易灭失,如何收集证据、保证证据完整变得日益重要。如果不借助外力,单凭借执法人员徒手取证的能力非常有限,所以必须依靠现代、有力的取证手段。电视监控系统很大程度上可以满足这种海事执法的客观要求,它在恶劣环境条件下能够全天候现场记录船舶违章与事故发生过程,并可以通过实时录像,为水上交通事故救助、事故调查取证以及追查逃逸船舶提供有力和可靠的依据。目前,许多海关、边检部门正在采用电视监控系统作为辅助的手段进行执法,海事监管部门也应不失时机,通过采用现代化的执法手段,强化自己的执法力度。
1.4 电视监控可以提高海事监管效率传统的水上安全监管采用巡航、设卡检查、流动检查等形式,但由于基层海事部门普遍存在人手紧、工作站点多、所管辖水域面积广等种种客观原因,造成常规的检查针对性不强、不全面、时限性大,从而导致监管效果不理想、明显滞后于陆路交通管理的被动局面。另外,由于部分监控水域航段狭窄、地形复杂,在设卡检查时容易造成塞船现象,影响通航环境秩序。电视监控系统可以提升监管手段,借助电视监控实现人力、物力和其它社会资源的合理配置和优化,将海事执法人员从大量的日常监控工作中解脱出来,只需通过实时监控掌握过往船舶的动态,分析通航环境,掌握船舶违章情况,并有针对性地对违章船舶采取现场检查,做到有的放矢、目标明确,明显地提高工作质量与工作效率,杜绝传统巡航的盲目性和随意性,达到有效遏止船舶违章行为的目的,使水上安全监督管理工作更严密、更规范,为实现水上安全长效管理打下基础。
2 海事电视监控系统技术比选
2.1 视频监控技术分析与比选就视频监控的方式而言,电视监控视频技术大致可分为3个发展阶段,论文代写即基于模拟图像监控的工业电视系统、基于PC的多媒体本地/远程视频监控系统、基于嵌入式Web服务器的远程视频监控系统。3种视频监控技术的特点对比分析如表1所示: 结合海事电视监控系统的具体情况和要求,本系统拟采用基于嵌入式Web服务器的远程视频监控系统,主要是因为这种视频监控技木要求可靠性好、便于集中管理、系统扩展性好、易于与MIS集成(如VTS)和实现信息共享。
2.2 视频传输技术的分析与比选目前,常用的视频传输方式主要有直接电缆传输、(扩频)微波传输、光纤传输、网络传输(电信公众电话网)4种方式。(1)直接电缆传输是最基本的传输方式,直接电缆传输距离较短,而且港口、码头特殊的恶劣环境也限制了电缆的使用范围,但考虑到成本因素,传输距离在500m以内的电视监控点可以采用电缆,另外,各监控点的接入部分也可采用直接电缆传输。(2)扩频微波无线网络/通信有点对点、点对多点、多点互联、移动漫游等多种灵活的联网/通信方式;其完全摆脱了电缆的束缚,无需布线、易维护、工期短;使用高增益全向/定向天线,联网/通信距离可达到10~20km,通过加高增益天线、增益放大器,甚至可达50km以外。(3)光纤传输具有衰减小、频带宽、不受电磁干扰、重量轻、保密性好等优点。长距离或大容量的监控系统应考虑采用数字光纤传输方式。但是,因为技术、价格等方面的因素影响,现阶段采用光纤数字传输系统成本很高,工程施工难度也较大,特别是当端接、熔接出现较大误差时,就会对信号传输造成很大的衰减,若光纤发生断裂,对于位置的确定和及时进行修复都很困难,因此,现阶段采用光纤数字传输方式还比较困难。(4)电信公用网具有建设快、免维护的优点,但后期维持费用较大,目前较常用的电信公用网有DDN、数字电路、ADSL等。以DDN为例,可以提供200~2 048kbit/s固定或半固定连接的专用数据业务和帧中继等业务,而且可以灵活地建立、改变数据信道,有迂回切换和网络保护功能。作为数据传输网,DDN在高带宽(如2M)时可以实现较高分辨率图像的连续播放,但这种高带宽的传输线路租费非常昂贵。通过上述电视监控传输技术分析,具体选择时应根据监控现场的环境条件,同时结合用户对传输方式的建议,并考虑技术、经济与施工难易程度有针对性地选取传输方式。通常,为了保证传输带宽和传输效果,主要采用直接电缆传输和扩频微波传输技术,如果传输中存在路由被阻挡的问题,可采用2M数字电路传输方式或DDN方式。当然,如果有现成的光缆及管道可以利用,在经济、技术条件允许的条件下也可以采用光纤传输方式。
3 海事电视监控系统性能要求
根据国内外电视监控系统的最新发展和建设经验,结合海事监管的实际要求,同时考虑技术论文代写的可行性,海事电视监控系统设计在单项性能和整体性能上都应达到一定的要求。3.1 海事电视监控单项性能要求(1)压缩与传输带宽压缩也称编码,基本原理就是设法减少图形和视频数据的冗余度,以达到压缩数据率的目的,从而节约传输带宽和存储空间。对于视频数据压缩方式,目前较为可行的主要有MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4几种。MPEG-1可以处理的图像格式没有严格的规定,但在分辨率采用352×240像素×30帧/s(NTSC)或352×288像素×30帧/s(PAL)的情况下,MPEG-1的算法效率最高,此时需要的传输带宽大约1.2Mb/s;MPEG-2可以达到广播电视的质量,即720×576像素×25帧/s,但一般需要4~8Mb/s的带宽,在更低的带宽条件下实时性受到一些限制,但总体效果还比较好;MPEG-4也可以达到广播电视的质量,即720×576像素,而且可以在64K~4Mb/s的带宽传输,但传输的实时性较差,一般直达到8帧/s,在带宽很小或受限制时实时性更差。综上所述,建议采用MPEG-2的视频压缩格式。(2)分辨率分辨率是衡量摄像机优劣的一个重要参数,它是指当前端摄像机摄取等间隔排列的黑白相间条纹时,在后端监视器(应该比摄像机的分辨率高)能够看到的最多线数。当超过这一线数时,屏幕上只能看到灰蒙蒙一片而不能分辨出黑白相间的条纹。海事电视监控系统方案主要考虑海事处现场监控中心的图像显示分辨率,但电视图像信号最终还要传输到省海事局和部海事局监控中心,不同地方监控中心图像显示的分辨率也会不同:对于直接接入的图像信号,在现场监控中心的图像显示分辨率一般为720×576像素或更高;对于采用扩频微波、光纤传输的图像信号,在现场监控中心的图像显示分辨率一般为720×576像素或更高;对于采用384K左右的DDN传输的图像信号,在现场监控中心的图像显示分辨率一般为352×288像素;对于各省海事局和部海事局局监控中心的图像,在现有的128K水监网传输条件下,图像显示分辨率一般为352×288像素,后期如果水监网扩容到2M带宽,图像显示分辨率可以达到720×576像素。后期如果水监网扩容到2M带宽,图像显示分辨率可以达到720×576像素。(3)焦距焦距决定摄像机能够看清多远物体或者看清多宽的场景,决定了所摄取图像的大小,用不同焦距的镜头对同一位置的物体摄像时,配备长镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就大,但摄取的场景变小;反之,配备短镜头的摄像机所摄取的景物尺寸就小,但摄取的场景变大。为了能够较为清晰地探测到监视范围内的目标,一般要求在CCD靶面的目标至少占有3行电视线。当目标占有2行电视线就不易观察,而当目标占有1.5行时,就很难寻找到连续移动的目标。而若分辨出人物的面部特征或船名,一般要求成像尺寸至少占到3%~4%以上(视距离而定)。海事电视监控系统因监控水域覆盖范围的不同,对镜头的选择也应有所不同,具体而言主要有2种情况,1种是监控对象距离在600m左右,1种是监控对象距离在2 000m左右。当监控对象距离在600m左右时,对于监控对象的分辨率要求是看清船名或船上的人(按平均1•4m考虑),大约需要占监控视场的1/6左右,故监控视场需要8.4m左右,通过计算得所需变焦镜头最大倍数的焦距大约为300mm,如果初始的最小焦距选择10mm,则这种情况下镜头应选择10~30mm的30倍自动光圈的变焦镜头。当监控对象距离在2 000m左右时,对于监控对象的分辨率要求是看清船名或船上的人(按平均1m考虑),大约需要占监控视场的1/20左右,故监控视场需要20m左右,通过计算得所需变焦镜头最大倍数的焦距大约为500mm,如果初始的最小焦距选择10mm,则这种情况下镜头应选择10~50mm的50倍自动光圈的变焦镜头,或者在10~30mm的30倍自动光圈的变焦镜头基础上加装倍增器。因为江边的大风、多雾、多水汽等特殊环境限制,实现50倍以上的镜头变焦以分辨更远的物体是没有太大意义的,在江风造成哪怕是极其轻微抖动的情况下,这种很高倍数的摄像机画面可能会不受控制地摆动和闪烁,同时,由于江面水汽的积聚阻隔,镜头倍数的增加会由于水雾的增加而相互抵消,就是镜头不抖动也很难分辨出远处物体的细节。因此,一般要求采用30倍自动光圈的变焦镜头,个别有特殊要求的监控点在30倍自动光圈的变焦镜头基础上加装倍增器以增大镜头的焦距。(4)视场角镜头有一个确定的视野,镜头对这个视野的高度和宽度的张角称为视场角。视场角与镜头的焦距f及摄像机的靶面尺寸(水平尺寸和垂直尺寸)的大小有关,镜头的焦距越短,其视场角越大,或者镜头的靶面尺寸越大,其视场角越大。如果所选镜头的视场角太小,可能会出现监视死角而漏监;而如果所选镜头的视场角太大,又可能造成被监视主体画面尺寸太小,难以辨认,且画面边缘出现畸变。海事电视监控系统中镜头焦距应该是可调的,通过调焦改变视场角的大小,保证对监控水域范围内的船舶进行全面监视。(5)照度照度也称最低照度,是指当被摄取的景物的光亮度低到一定程度而使摄像机输出的视频信号电平低于某一规定值时的景物光亮度值,习惯上用相对孔径的倒数表示。由于市场的规范尚未统一,在测定最低照度时使用的标准不同,因此,抛开测定标准单纯对2种摄像机的照度进行比较很难确定那种摄像机的照度特性好。因此,最低照度在海事电视监控系统方案设计中只是参考标准。(6)夜视对于夜视监控,国内设备一般有2种解决方案,1种是摄像机配合外置的红外灯等设备,但监控的距离较近,最远距离也就是100m左右;另外1种是配备夜视仪,虽然监视距离在1 000m左右,但价格非常昂贵,因此这2种方案对于本项目都不可行。基于上述情况,可考虑电视监控摄像机全部采用彩色转黑白的摄像机,这种摄像机有2种工作模式:白天工作在彩色模式,晚上自动转换为黑白模式。黑白摄像机的最低照度大大低于彩色摄像机,可以在0.01lux照度下工作。结合考虑码头或沿岸路灯以及船舶夜间航行时的微弱灯光,实施夜视监控是基本可行的,但效果会受到一定的环境条件限制。
3.2 海事电视监控综合性能要求通过上述各个指标的分析可以看出,解决监视效果距离、清晰度的问题,绝非1个指标所决定的,需要考虑多种因素,包括CCD尺寸、压缩格式、传输带宽、焦距、视场角、照度、夜视等,上述指标全部符合条件是比较难实现的,只能通过弱化一部分功能来强化另一部分功能。比如,想要看清远处船舶的船名,可采用长焦距的镜头,但监控水域的视野就会变小,可能只能看到很窄的一部分水域。另外,海事电视监控还要其特殊的条件,也限制了电视监控系统的充分发挥,比如压缩,我们已经知道,压缩就是减少图形和视频数据的冗余度,对于较为静止的景物,冗余度很大,当然可以实现较好的压缩,而海事电视监控的目标包括水域和船舶,一直处在不断运动之中,冗余度比较小,压缩的比例势必会受到一定的限制;同时,扩频微波、光纤传输一般都能满足海事图像传输要求,但考虑到后期要上传到省海事局和部海事局,目前的128K水监网就很难满足效果比较好的视频传输,就是后期水监网扩容到2M带宽,但这部分带宽肯定不能全部用于视频传输,还要用于其他业务的传输。再次,相对来说,江边的监控条件比较差,如风大影响镜头摄像的稳定性,水汽和雾气、雨、霜等都会影响摄像机的视野远近和宽度范围等。考虑到上述情况,在方案设计中尽可能对上述缺陷进行改进,比如,方案中的摄像机要求可以变焦,根据观测物体的远近可人工调整焦距,采用自动光圈,根据外界环境条件自动调整通光量,进而调整照度,等等。在实际工程中,可组织有关专家、技术人员和业务人员对系统进行现场实验,通过对不同情况实验,调整上述评价指标的要求,使最终综合效果(包括技术评定和感觉评定)满足海事监管有关人员的要求。
4 海事电视监控系统功能结构
根据海事电视监控系统的视频监控技术的要求,根据不同的视频传输技术可采用不同的功能结构,图1为1个采用几种传输方式设计的简单电视监控系统功能结构图。对于直接接入系统功能结构,摄像机的视频信号通过同轴电缆进行传输,云台的控制信号采用数据通信线进行传输,然后分别传输到控制中心的监控计算机上进行图像显示与控制,然后通过信息处理转换成数字信息,进入局域网或广域网进行信息共享和处理。对于扩频微波系统功能结构,摄像机的视频信号通过同轴电缆进行传输,云台的控制信号采用数据通信线进行传输,然后通过视频编解码器进行编解码,把模拟信号转换成数字信号并进行压缩,通过扩频数字微波系统(无线网桥和天线)进行远程传输,在监控中心进入局域网,进行图像信息的处理和显示,根据需要可以采取点对点传输方式和点对多点传输方式。对于光纤系统功能结构,光纤传输传输设备主要包括光发射机和光接收机(即光端机)、波分复用器(WDM)等,其中光发射机接受电信号输入并将其按电信号规律变换的光信号输出;光接收机则接收光信号输入并将其还原成与发射端一致的电信号输出;而波分复用器主要用于两路或两路以上信号在同一根光纤中传输。在实际的电视监控系统中,有时需要对远端摄像机的云台、镜头、防护罩进行控制,这就需要从中心向远端的解码器发送控制信号,通过光纤的一个信道进行传输。根据监控系统需要,监控终端和监控中心分别采用净化稳压电源和UPS保证供电系统的稳定性和不间断性,同时配备打印机和光盘刻录机。另外,对系统重要设备,如电源(包括UPS)、摄像终端、DDN中继线、微波及其天馈系统、以太网络等必须进行雷电防护。
5 结语
电视监控系统在水上监管方面的应用刚刚开始,在海(事部门还是1个新兴的视频监管手段,它只能在一定程度解决一定的问题。由于它的覆盖范围和作用发挥受其系统自身条件的限制,在VTS覆盖区必须借助VTS的准确定位,在非VTS覆盖区必须借助现场监管人员的有效配合,把VTS、CCTV、监督艇巡航和执法车巡视等有机地融为一体,实现全方位、全天候的立体监控,形成强大合力。因此,海事电视监控系统应定位于VTS的有效补充或现场管理人员的视觉延伸,是提升海事部门监管能力的1种远程可视化管理手段。
参考文献:[1] 深圳港、珠江、福南水道电视监控系统工程方案设计[R].北京:交通部规划研究院,2003.[2] 陈 龙•安全防范系统工程[M].北京:清华大学出版社,1999.[3] 马荣国,杨立波.交通工程设计理论与方法[M].北京:人民交通出版社,2002.[4] 杨 磊,等•电视监控实用技术[M]•北京:人民交通出版社,2002•
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