一種AIS輔助的全天候海底電纜安全監控系統

吳飛龍，李星蓉，李永倩，鄭小莉

（1.福州電業局，福建福州 350009;2.華北電力大學，河北保定 071003）

一種AIS輔助的全天候海底電纜安全監控系統

吳飛龍1，李星蓉2，李永倩2，鄭小莉1

（1.福州電業局，福建福州 350009;2.華北電力大學，河北保定 071003）

對海底電纜上方過往船舶的全天候實時監測是避免錨害的有效手段，根據福建平潭跨海電網110 kV光電復合海底電纜安全監控的迫切需要，設計了一種紅外熱成像儀與加長焦大鏡頭的可見光攝像機相結合的長距離、全天候視頻監控系統;提出了一種通過用AIS作為輔助對所監視海域進行網格劃分來設置攝像機云臺預置位的方法;通過服務器后臺軟件對視頻信號、AIS信息進行數據融合處理，實現了系統的聯動工作。現場運行實驗結果表明，系統性能滿足對3.5 km光電復合海纜全天候監測的要求。

紅外熱成像儀;監控系統;預置位;數據融合

海底電纜的安全運行直接關系到海島地區的正常用電與通信。為了保證海底電纜的安全可靠運行，現有的方法是在海纜禁錨區設立禁錨牌給過往船舶以警示，同時電力局專門設置一些專業班組在海纜登陸點附近進行24 h值班，并配備高放大倍數的望遠鏡對進入禁錨區的船舶進行監視，必要時通過電臺喊話的方式對在禁錨區拋錨的船舶提出警告。這種方法人力投入大，而且很難做到24 h無疏漏地監視。有些船舶不能自覺遵守規定，在禁錨區拋錨的現象時有發生，給海底電纜的安全運行帶來很大的隱患。因此，迫切需要研發高性能的視頻監控系統對海底電纜上方的過往船舶進行監視。

目前視頻監控技術已經在電力系統得到廣泛應用。一些電力公司在變電站、電廠安裝了視頻監控系統，實現了現場設備監視、遠程攝像機控制、數字視頻錄像等功能［1－3］，對實現變電站、部分發電廠無人值守、縮短電力設備檢修時間、節約運行成本等起到了積極作用。趙振兵等人在視頻監控的基礎上增加紅外溫度檢測設備，設計開發了集視頻監控與紅外溫度檢測功能于一體的電氣設備在線監測系統［4］。該系統可以在視頻監控畫面上選擇特定的電氣設備進行遠程紅外測溫，已經在變電站設備監測中得到實際應用。在海港碼頭，視頻監控系統常用于對船舶的監視。周劍敏、王捷等人針對港口船舶視頻監控系統在應用中需要人工操作的不方便性，開發了智能船舶動態視頻監控系統，該系統利用船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS）獲取港內船舶動態數據，通過驅動多智能球攝像機陣列對待監測船舶進行智能排序定位，實現了對航行船舶的自動化智能視頻跟蹤［5］。但是由于采用了智能球攝像機，該系統只能實現對距離較近的海港內船舶的跟蹤錄像，不能實現對遠距離目標的跟蹤錄像。另外，為了保障船舶的安全航行，視頻監控系統在船舶內部設備監視、海盜襲擊監視等方面也得到了廣泛應用。但是把AIS與視頻監控系統結合起來用于海底電纜安全監測的研究還鮮有提及。本文設計了一種將AIS與視頻監控系統相結合的長距離、全天候海底電纜安全監控系統;提出了一種用AIS作為輔助，對所監視海域進行網格劃分來設置攝像機云臺預置位的方法;服務器后臺軟件通過對采集到的AIS信息進行處理，生成控制云臺動作的信號，驅動攝像機對進入禁錨區的船舶進行跟蹤錄像。

1 系統組成

AIS輔助的全天候海底電纜安全監控系統由全天候視頻監控系統、AIS、信號傳輸系統、服務器信息管理系統及監控終端組成，系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

全天候視頻監控系統用于晝夜采集海纜上方禁錨區內過往船舶信息，搜索和記錄肇事嫌疑船只，并為肇事理賠提供影像證據。AIS接收機實時接收進入禁錨區的船舶上的船載AIS發射機發出的包含船舶號、船舶名稱、船舶速度、經緯度等的AIS信息，并將這些信息發送到服務器;為了確定進入禁錨區船舶的位置和自動跟蹤肇事嫌疑船只，根據海纜施工圖中給出的海纜路由坐標，預先計算出禁錨區不同位置的經緯度坐標，并將禁錨區劃分為78個網格，采用船載AIS發射機作為輔助模擬運動船舶，攝像機跟蹤的方法完成攝像機云臺預置位設置;服務器后臺軟件對視頻信號、AIS信息進行數據融合處理，使整個系統聯動工作，在發現進入禁錨區船舶的速度低于告警閾值或者停留在海纜上方時，給出告警信息提示相關人員進行處理，并自動控制攝像機的云臺動作，調整攝像機到此禁錨區對肇事嫌疑船舶進行跟蹤錄像。系統工作在B/S（browse/server）模式下，監控終端及服務器通過交換機與全天候視頻監控系統相連，用于以瀏覽器方式訪問整個監控系統。

2 全天候視頻監控系統

2.1 全天候視頻監控系統設計

雖然視頻監控系統已經在電力、交通、安防等領域得到廣泛應用，但是普通視頻監控系統覆蓋范圍都比較小，所用攝像機探測距離較近，例如，常用的高速球攝像機的監視距離一般不超過300 m，而且普通攝像機都只能工作在白天，晚上和陰雨天不能實現對目標的監視，無法滿足對長達數公里海纜上方過往船舶的全天候監視的要求。本文設計了一種將紅外熱成像儀與加長焦大鏡頭的可見光攝像機相結合的視頻監控系統，能夠實現對數公里海纜上方區域的長距離、全天候安全監視，系統組成框圖如圖2所示。

系統采用槍式高清晰度數字攝像機對禁錨區進行晝間監視，為了增大攝像機的有效覆蓋范圍，設計了槍式攝像機與長焦大鏡頭的組合結構，長焦大鏡頭的焦距達到1 200 mm，二者組合后可以很容易地實現對數公里長海纜上方過往船舶的監視;為了減小雨霧對攝像效果的影響，為攝像機鏡頭配置了一套具有圖像處理功能的透霧模塊，有效地改善了雨霧天圖像的清晰度。紅外熱成像儀采用了熱成像連續變焦技術，能夠大范圍搜索和識別遠處目標;鏡頭采用非球面硒化鋅、鍺材料，成像清晰，最小溫度分辨率達50 mK。該紅外熱成像儀外殼堅固，密封性能好，內充氮氣，不受雨水、灰塵的破壞，能夠穿透灰塵、煙霧、雨雪和黑暗，可以很好地彌補可見光攝像機不能在夜間監視的不足。

可見光攝像機與紅外熱成像儀采集到的圖像分別經過一個視頻通道傳送到監控室的網絡硬盤錄像機，網絡硬盤錄像機對圖像進行壓縮編碼處理并存儲，然后通過交換機把視頻信息傳送到服務器及其他監控終端。服務器對視頻信號、AIS信息進行綜合處理，產生控制云臺動作的命令，協調系統的聯動工作，在發現肇事嫌疑船舶時發出報警，提醒工作人員采取相應的措施。監控終端用于實現對監控信息的瀏覽、設備參數配置、視頻圖像顯示等功能。

2.2 攝像機云臺預置位設置方法

在普通視頻監控系統中，通常采用將實景中的一些感興趣的目標點直接存儲到預置位的方法來設置攝像機云臺的預置位。在本文所設計的系統中，由于監視目標的背景是海面，而在大海中不像在變電站、電廠等場景中有大量靜止的興趣點可以選作目標位置直接進行存儲，所以無法像普通視頻監控系統那樣采用找興趣點的方法實現預置位設置。為了對海纜上方被監測區域進行攝像機云臺預置位設置，本文利用AIS作為輔助對監測海域進行網格劃分，并利用網格中心的經緯度坐標進行攝像機云臺預置位的設置，這種方法可以有效地解決在海面上難以尋找興趣點的問題。

監測海域網格劃分的方法如圖3所示，圖中A，B，C三條線為福州電業局110 kV光電復合海纜中的三相電纜，海纜總長約3.5 km，各相之間的距離為60 m。根據離海纜距離的不同，設置不同的告警級別，距離海纜越近的區域告警級別設置越高，距離海纜越遠的區域告警級別設置越低。在垂直海纜的方向，綜合考慮船舶航行速度以及視頻監控系統聯動所需反應時間，以三相海纜的中間相為中心，在兩側分別設置800 m的禁錨區，靠近海纜中間相兩側各400 m為高度禁錨區，對于進入高度禁錨區的船舶要求及時報警以提醒值班人員采取相應措施，同時驅動攝像機對船舶進行跟蹤錄像。遠離海纜的400 m分為兩個告警級別，每200 m設置一個級別，這樣三相海纜的兩側分別有三個級別的告警區域。沿著海纜的3.5 km海域被均勻地劃分成13份，與垂直海纜方向的禁錨區劃分結合起來共將海纜所在海域劃分成78個長方形區域。根據施工圖上的海底電纜位置信息，計算出每個長方形區域中心位置的坐標，然后利用船載AIS發射機作輔助，借助航行中的船舶作為參照物，以攝像機跟蹤的方式，對每個長方形區域的中心位置坐標進行標定測量及存儲，從而完成預置位設置。

圖3 用于預置位設置的網格劃分

2.3 攝像機云臺偏轉角矢量計算

為了準確地獲取進入禁錨區的船舶的圖像信息，監控系統中的視頻設備必須與AIS信息聯動工作。視頻監控與AIS信息聯動主要需要考慮云臺偏轉角度和方向的確定問題，偏轉角矢量計算模型如圖4所示。

圖4中，（a，b）為攝像機所在位置的經緯度坐標，該坐標是固定值，可提前測定。假設（i，j）為上一時刻攝像機對準位置的經緯度坐標;（c，d）為本時刻需要調整到的位置的經緯度坐標，（c，d）需從接收到的AIS信息中提取。為了得到直觀的位置信息，需要進行經緯度距離與實際距離的換算。因為地球上所有經線的長度都相等，所以全球各地緯度1°的間隔長度都相等，大約為111.12 km/1°。赤道上經度間隔1°對應地面上的弧長大約也是111.12 km，由于各緯線長度從赤道向兩極遞減，所以在各緯線上經度差1°的弧長不相等。在同一條緯度為α的緯線上，經度1°對應的實際弧長大約為111.12cosα km。因此，只要知道了任意兩地間的經緯度差，就可以計算它們之間的實際距離。本文擬監測的110 kV光電復合海纜附近海域的緯度為25.43°，在此區域經度每度對應的距離約為

AB兩點間的距離可近似表示為

其他邊的長度也可按此方法求得。由三角形余弦定理可知攝像機所需偏轉的角度A滿足

利用經度坐標配合矢量運算，可以得到控制云臺偏轉方向的參數。假設攝像機由西南往東北監視，當C點經度與B點經度的差值為負時，說明C點在B點的西邊，云臺應該往左偏轉，反之則往右偏轉。當AIS接收機接收到進入禁錨區的船舶發來的AIS信息后，將AIS信息發送到服務器，服務器后臺軟件對此AIS信息進行解析，得到船舶名稱、船舶號、船舶速度、船舶所在位置的經緯度等信息，并進行存儲，然后把經緯度信息代入式（2）～式（4）中，求得偏轉角度的大小，再結合經度矢量計算，得到偏轉的方向參數，從而控制攝像機云臺動作，對進入禁錨區的船舶進行跟蹤錄像，實現系統的聯動工作。

3 后臺管理軟件設計

后臺管理軟件是AIS輔助的長距離、全天候海底電纜安全監控系統的核心，其性能優劣直接決定監控系統的智能化程度。本文研制的后臺管理軟件包括數據管理、AIS信息管理、視頻信息管理、設備接口管理四個模塊。為了開發、維護和升級的方便，后臺管理軟件采用B/S架構，考慮到兼容性和成本，采用微軟公司的SQL Server建立后臺數據庫。后臺管理軟件功能結構如圖5所示。

圖5 軟件功能結構圖

數據管理模塊通過對實時數據和歷史數據的顯示、集成與融合來完成監測數據管理、顯示設置管理、數據備份管理三部分功能。數據管理模塊通過AIS接收機和網絡硬盤錄像機的網絡接口獲得原始監測數據，對原始監測數據進行解析、分類、預處理后作為監測基礎數據導入數據庫中，然后根據海纜監測的要求對導入的監測基礎數據進行相應的分析處理，以便操作人員查看與判斷。

后臺管理軟件通過交換機與網絡硬盤錄像機相連，進行視頻信號的接收、顯示、存儲和云臺控制。當攝像機偏轉跟蹤錄像時，對攝像機云臺發送的偏轉命令按照優先級組織在一個隊列中，報警等級高的排在前面，有新的報警時隊列重新生成。視頻信息管理模塊實現實時視頻顯示、歷史圖像顯示、歷史記錄查詢功能，以便遠方工作人員實時掌握海纜上方船舶狀態，并在遇到錨害事故時，調用歷史記錄，獲得理賠影像證據。

后臺管理軟件通過網絡接口與串口轉換模塊與AIS接收機相連，接收船載AIS發射機發來的AIS信息，并根據AIS協議解析碼流，提取船舶AIS信息，如船舶號、船舶狀態、對地速度和航向、船舶經緯度等。AIS信息管理模塊的數據處理線程繪制船舶運行軌跡并實時顯示船舶信息，用于進行錨害判斷和預警處理。解析后的AIS信息放入數據緩沖區并進行篩選，保留禁錨區范圍內的數據，然后經數據管理線程進行數據庫存儲，以便在出現錨害事故時調用歷史數據進行歷史記錄查詢，獲得肇事嫌疑船舶的信息。

4 現場運行實驗

本文設計的AIS輔助的長距離、全天候海底電纜安全監控系統于2012年4月5日完成現場施工并投入運行，運行效果良好，實現了福州電業局為海島供電的3.5 km、110 kV光電復合海底電纜上方過往船舶的全天候實時監測，解決了由值班人員長期在海邊監控室24 h人工監視、由電臺喊話警告肇事嫌疑船舶的困難。

監控系統拍攝的船舶照片如圖6所示，由圖可見，從可見光攝像機拍攝的1.5 km處船舶的圖像中可以清楚地看到船舶的名稱，從紅外熱成像儀在午夜拍攝的2 km處船舶的圖像中可以清晰地看到船舶的輪廓。上述兩個距離參數是通過從接收到的AIS信息中提取船舶的經緯度信息計算得出的，具有較高的準確度。監控系統安裝在海纜登陸點附近的監控站中，距離需要重點監視的主航道禁錨區約1 km，系統采用市電供電既很好地滿足了實時監測海纜上方過往船舶的要求，又節約了投資，提高了可靠性，為海纜的安全運行提供了可靠保障。

圖6 現場實驗照片

5 結論

本文通過對福建平潭跨海電網110 kV光電復合海底電纜長距離、全天候監視的要求進行分析，設計了一種紅外熱成像儀與加長焦大鏡頭的可見光攝像機相結合的長距離、全天候安全監控系統，并完成了現場安裝調試。提出了通過采用AIS作為輔助對所監視海域進行網格劃分來進行攝像機云臺預置位設置的方法。服務器后臺軟件通過對視頻信號、AIS信息進行綜合處理，實現了系統的聯動工作及報警提示，方便了用戶在遠程通過電力專網對系統的管理，以及對海纜上方過往船舶狀況的掌握，有利于管理人員及時作出預判。運行實驗結果表明此系統滿足對3.5 km、110 kV光電復合海底電纜上方過往船舶全天候監視的要求，實現了海纜的智能化安全監視，為海纜的安全運行提供了保障。

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［1］肖玉杰，王文彬，劉朝陽.變電站高清視頻監控系統設計［J］.電視技術，2011，35（7）:105－107.

［2］袁毅.基于嵌入式Web服務器的網絡視頻監控［J］.電網技術，2000，24（5）:71－73.

［3］郝曉弘，蘇淵.基于Web的變電站遠程監控系統［J］.電網技術，2003，27（7）:32－35.

［4］趙振兵，高強，苑津莎，等.一種變電站電氣設備溫度在線監測新方法［J］.高電壓技術，2008，34（8）:1605－1609.

［5］周劍敏，王捷.基于AIS數據的智能船舶動態視頻監控系統設計［J］.上海海事大學學報，2009，30（4）:26－29.

李永倩（1958— ），教授，博士生導師，主要研究方向為光纖通信與傳感技術。

AIS－assisted All Weather Monitoring System for Submarine Cable Safety

WU Feilong1，LI Xingrong2，LI Yongqian2，ZHENG Xiaoli1

（1.Fuzhou Electric Power Bureau，Fuzhou 350009，China;2.North China Electric Power University，Hebei Baoding 071003，China）

It is an effective means to avoid anchor harm that the passing ships above the submarine cable are monitored all－ weather and real－time.In order to realize the safety monitoring of the 3.5 km－long 110 kV power－optical fiber composite submarine cable in Pingtan Electric Power Bureau in Fu-Jian Province，a long－distance and all－weather video surveillance system composed of an infrared thermal imager and a visible light camera with a telephoto lens is designed in this paper.A grid division method is proposed in which the surveillance area is divided into grids and a shipborne AIS transmitter is used to get the longitude and latitude of different grid areas on the sea for camera PTZ preset position setting.The collaborative work of the system is realized which is based on the data fusion processing of video information and AIS information by the server software.The site test results show that the system performances meet the requirements of all－weather and real－time monitoring of the 3.5 km－long power－optical fiber composite submarine cable.

infrared thermal imager;surveillance system;preset position;data fusion

TN919.8

A

【本文獻信息】吳飛龍，李星蓉，李永倩，等.一種AIS輔助的全天候海底電纜安全監控系統［J］.電視技術，2013，37（3）.

福建省電力有限公司重大科技項目（tz201104）

吳飛龍（1960— ），高級工程師，主要研究方向為電網運行與電力系統通信;

李星蓉（1975— ），博士生，為本文通信作者，主要研究方向為電氣信息技術;

責任編輯:任健男

2012－11－24