淺析智能技術在沿海地區安防中的應用

張大偉

（91054 部隊，北京102442）

1 概述

近年，我國與東南亞地區的越南、菲律賓、馬來西亞、文萊等國圍繞島嶼、領海、大陸架和專屬經濟區的主權劃分而引起的國家間的主權爭端越來越激烈，沿海區域豐富的資源和領土主權受到威脅。為維護國家主權和領土完整，我國在沿海地區建設執勤碼頭、監控站，監控中心和部分輔助設施，但是某些國家針對我國海上設施抵近偵測和破壞等非法活動卻越來越頻繁，給我國沿海地區安全帶來極大挑戰。因此，沿海地區立體安全防護成為世界各國關注的焦點，具有非常巨大的潛在價值和效益。

2 沿海地區安全技術防范系統設計

雖然目前部分沿海區域構建了安全技術防范系統，實現了技防、物防，但各自獨立、互不兼容，無法達到資源共享的效果。此外，此類安全技術防范系統的數字化、網絡化、智能化、信息化程度不高，影響了整體效能的發揮和科學化管理能力的形成。針對目前沿海地區安全技術防范系統中存在問題，本文結合人工智能技術相關成果，探索研究新型智能安防手段在沿海安全防護中的應用，為后續沿海地區安防系統構建升級提供參考。

沿海區域安全技術防范系統總體架構：

沿海區域安全技術防范系統總體架構如下圖所示。

圖1 沿海區域安全技術防范系統總體架構

沿海區域安全技術防范系統總體架構主要包括數據采集傳輸層、多態數據資源服務層和業務應用服務層，其中數據采集傳輸層是通過攝像頭、探測聲吶、機器魚、無人機等載體或傳感器獲取目標區域實時數據，通過網絡傳輸到數據庫中；多態數據資源服務層對接收到的安防數據進行存儲與分析，為上層應用提供數據與算法支撐；業務應用服務層主要包括重點區域安防、水下安防與空中安防，形成沿海地區立體安全防護系統。

3 人工智能技術在沿海區域安防系統中的應用

人工智能是研究使計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為(如學習、推理、思考、規劃等)的學科，主要包括計算機實現智能的原理，制造類似于人腦智能的計算機，使計算機能實現更高層次的應用。隨著人工智能技術的不斷發展，將在沿海區域安防體系中發揮越來越大的作用，下面圍繞沿海區域安防介紹幾點智能技術的應用。

3.1 智能視覺監控

安防系統每天產生的海量圖像和視頻信息造成的信息冗余問題催生了帶有人工智能的計算機視覺技術在安防領域的應用。針對該技術對圖像視頻進行自動分析、識別、跟蹤、理解和描述的特點，帶有人工智能的計算機視覺在安防監控系統中演變為近年來業內普遍看好的視頻智能分析應用。視頻智能分析是一種基于目標行為的智能監控技術。在不需要人為干預的情況下，利用計算機視覺和視頻監控分析方法對攝像機拍錄的圖像序列進行自動分析，包括目標檢測、目標分割提取、目標識別、目標跟蹤，以及對監視場景中目標行為的理解與描述，得出對圖像內容含義的理解以及對客觀場景的解釋，從而指導和規劃行動。智能視覺監控系統還可以通過計算機對視頻信號進行分析，對場景中發生的異常事件進行示警，提醒安保人員注意并確認示警信息以做出相應的反應。

3.2 沿海區域機場FOD 檢測技術

沿海區域機場安全是一條不可逾越的紅線，跑道外來物一直是影響飛行安全重要因素。FOD（Foreign Object Debris），即可能損傷航空器的某種外來的物質、碎屑或物體，如金屬零件、碎石塊、道面材料、飛行物品、冰碴、紙屑等。為減少機場跑道外來物對航班起降的影響，機場要求若干小時定期對跑道進行檢查。

圖2 典型機場跑道外來物

據統計，全球民用航空業每年因FOD 造成的直接損失超過40 億美元，同時還會造成航班延誤、中斷起飛、關閉跑道等間接損失，其間接損失至少為直接損失的4 倍；中國民航每年都發生5000 起以上的FOD 損傷飛機事件，約占航空事故征候總數1/3。

目前，我國機場都采用人工巡查的工作方式查找外來物。在巡查時需要關閉跑道，工作人員駕駛車輛，以相對低的速度前行，用肉眼查找可能掉落在跑道上的外來物。國外FOD 探測系統主要有英國QinetiQ 公司的Tarsier（眼鏡猴）Foreign Object Debris radar detection system——眼鏡猴系統、以色列的Xsight公司開發的FODetect 系統、新加坡開發iFerret 智能視頻探測系統、美國Trex Enterprises 公司開發的FOD Finder 系統等。

圖3 機場跑道FOD 示意圖

3.3 主動聲吶監測分系統

主動聲吶分系統主要由濕端和干端兩大部分組成，具體包括主動探測聲吶濕端、水密電纜和聲吶軟件三個單元。其中，聲吶濕端布放在水下，通過光電復合纜連接機房干端服務器；聲吶軟件安裝在機房干端服務器上，包含聲吶信號處理軟件和數據融合處理軟件。聲納濕端獲取的聲吶數據經過接駁設備進行光電轉換后，通過光電復合纜傳輸到干端服務器上。主動聲吶監測分系統邏輯連接如圖4 所示。

圖4 主動聲吶數字平臺總體結構圖

3.4 被動監測系統

被動監測系統主要采用海底固定式水聽器陣列的聲吶探測技術，完成對水下蛙人、AUV、UUV 和潛航器等目標的探測、跟蹤和全天候預警。主要由聲探測單元、信號預處理單元、聲信號處理單元三部分組成。其中水聽器陣列主要有光纖水聽器陣纜、壓電水聽器陣纜和電磁觀測陣纜三種。光纖水聽器（陣列）布設于我重要港口、航道、特定海域，可實現平時水下目標情報監測搜集、水下目標實時定位跟蹤等。該系統包括水下傳感子系統、信號預處理子系統和數據處理存儲子系統。

圖5 光纖水聽器、陣纜樣段及施工前加鎧

海底壓電水聽器陣列長期布放在重要港口、航道附近海底，記錄艦船的水下輻射噪聲，可實現基地、港口的水下目標遠距離實時預警探測、定位與跟蹤；在民用方面，壓電水聽器陣纜可用于海底地震活動的預報、海洋生物噪聲監測及海洋生物行為特征的觀察等。

電磁觀測陣纜由若干電磁探測節點組成，每個電磁探測節點包括電場傳感器，三軸磁場傳感器及信號調理采集電路等。

3.5 水下阻攔網系統

水下阻攔網系統是采用特種新型纖維經特殊編織制成的高強度繩網，其網繩經新型三維編織工藝及后整理技術制備成網，整合了網體編織技術、信號斷點監測定位報警技術、表面納米涂敷技術等多領域的高新技術。是針對目前重要海域、港口、航道、海上作業平臺等水下防護能力薄弱的現狀而建立的一套集攔截、報警、定位為一體的阻攔系統，主要是在防御目標外圍形成一道全封閉物理柵欄，阻止不明來襲物體靠近防護目標進行抵近偵察、破壞，并通過內嵌斷點信號監測導線實現對不明目標的報警、定位，并有效遲滯入侵目標來襲物體前進速度，為應急處突人員爭取時間。水下阻攔網系統由阻攔網體子系統、啟閉子系統、監控指揮子系統、存儲統計子系統4個部分組成。

阻攔網體子系統是將“電子虛擬化防御”變成簡單、可靠、封閉的物理防御，主要是在防御目標外圍形成一道全封閉物理柵欄，從而阻止不明來襲物體靠近防護目標進行抵近偵察、破壞。

啟閉子系統主要是在卷揚機上加裝液位傳感器等信息化、自動化裝置來控制阻攔網上升和下降，從而實現自動化啟閉，確保艦船正常通航。

監控指揮子系統具有監控、跟蹤和預警功能，能夠實時監測網體單元水下的位置和運行狀態，具有全方位覆蓋、全天候監視、快速反應和多元聯合感知能力，能夠有效防御不明目標的潛入。

存儲統計子系統負責數據的收集、存儲、處理和輸出，實時監測原始數據的查詢、偏離修正、監測數據有效性審核等，完成歷史數據的維護、分析，并可以自動生成水下防御情況統計表（包括有效防御次數、誤報次數、漏報次數等），以便分析水下防御情況，為后期制定防御策略提供遵循。

3.6 水下仿生機器魚巡航

隨著科技的深入發展和產業領域應用需求的拉動，仿生機器學（Biomimetics）研究越來越受到關注。通過研究、學習、模仿的仿生學方法來復制和再造生物的形態、結構、功能、工作原理及控制機制等，已成為機器人學的一項重要研究內容。

仿生機器魚，作為一種典型的水下移動機器人，應用的領域非常廣泛。在海洋監測方面，仿生機器魚作為水下移動平臺，能夠搭載各種水質傳感器，監測包括葉綠素、含氧量、pH 值、電導率等參數在內的各種水質參數。在沿海地區防御應用方面，仿生機器魚有望通過搭載一些高精尖傳感器，利用其機動、靈活、隱蔽性的特點，完成水下巡航任務，有效防止蛙人偷襲。此外，圍繞沿海地區布設多個仿生機器魚，可形成外圍的探測網絡，一旦某個節點發現危險，即可實時報警。

圖6 仿生機器魚

4 結論

我國沿海區域面積廣闊，沿海偏遠地區陸地面積小而零散，區域國際局勢緊張，安防系統應用環境惡劣。因此，可以將更多的智能技術引入安防系統中，從空中、陸地和水下形成立體的安防體系，切實提高安防智能化水平，為沿海地區建設提供堅實穩定基礎。