智能船舶船岸一體視頻遠程管理系統設計應用

周毅,何金平,華先亮,李萌,鄭坤

(1.中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452;2.上海船舶研究設計院，上海 201203)

傳統的船舶安全體系管理模式依賴于岸基人員，主要是船長通過郵件進行日報和月報以及應急情景下的海事電話匯報給岸基，無法實現實時監管，遠不能滿足船東岸基管理需求。近年來由于智能船舶概念的興起以及智能船舶技術的日益發展，船舶智能化已經成為全球航運的大勢所趨[1]，基于當前衛星通信低帶寬和高成本約束下的實時視頻信息采集、傳輸、識別已成為智能船舶2.0關鍵技術之一。因此，通過設計開發一套以高性能視頻壓縮硬件模塊為核心的視頻遠程管理系統，將船舶視頻數據輕量化回傳，一方面實現了對船舶的實時視頻監控，解決岸端遠程對船端實時監管的需求，另一方面，由此獲取的視頻數據也可為未來包括圖像識別等功能的開發積累了數據樣本，為將來應用人工智能技術實現對船舶的全面監控與智能化管理做好必要的準備。

1 需求分析

視頻遠程管理系統為船舶岸基營運管理提供了遠程視頻服務，由船基系統和岸基系統兩部分組成，要求具備以下特征。

1)自定義視頻壓縮率。系統支持默認的視頻壓縮率(一般根據船舶衛星帶寬設定)，支持岸基自定義視頻壓縮率，并將該設定參數遠程發送至船基視頻遠程管理系統中。

2)自定義視頻遠程傳輸。在岸基系統發送傳輸指令(某個視頻通道)后，船基系統進行該通道下的實時視頻流傳輸，且最多支持N個通道的實時傳輸(N根據衛星帶寬確定)。

3)視頻實時播放、歷史回放切換。實時播放頁面可切換至歷史視頻流播放，支持視頻的快進、快退等常規操作。

4)實時視頻流截圖。岸基系統可以將截圖指令(通道號+時間)發送船基系統，船基系統能根據指令自動從原始歷史視頻中截取相應的圖片，并發送至岸基系統進行顯示和保存。

5)報警自動回傳。船基視頻遠程管理系統實時采集船舶報警信息，各個報警點已經和船舶攝像頭關聯[2]。當某個報警點被觸發時，船基系統能自動將該報警點相關聯的攝像頭信息回傳至岸基系統存儲，并在岸基前端界面推送信息。

6)攝像頭遠程控制。岸基系統支持對船端攝像頭的遠程控制，僅限正在傳輸的視頻通道。岸基系統將遙控指令傳輸至船基攝像頭，控制攝像頭的旋轉。

7)權限管控。岸基系統支持管控不用角色人員的權限，需分權限查看船上攝像頭內容及遠程控制重要位置攝像頭。權限管控功能需與導航平臺進行整合。

8)高可用性冗余架構。視頻壓縮及傳輸要求采用高可用性冗余方案，每個壓縮設備支持 10 路視頻接入，要求至少預留 2 路作為備用通路，當正在使用中的 8 路有一路故障時，可以切換到備用通路中繼續傳輸，不影響系統正常使用。視頻壓縮設備要求至少預留一個作為備用，當某個視頻壓縮設備發生故障，或者某個視頻壓縮設備備用通路全部被占用，可以切換至備用壓縮設備中繼續傳輸，不影響系統正常使用。

2 功能設計

1)權限管理。權限管理分為用戶權限管理和設備權限管理兩部分。用戶權限管理主要負責對用戶賬戶進行分層級管理，以實現不同的用戶賬戶只能查看具有給定權限設備的功能，并與現有導航系統對接，共享用戶信息；設備權限管理主要是指船基服務器管控本船設備的功能，如哪些設備可接入網絡，網絡在衛星信道和3G/4G信道切換時如何控制并發傳輸的通道數量。

2)視頻監控。視頻監控主要由傳輸控制、壓縮上傳和接收播放3個模塊組成。傳輸控制模塊主要負責指令收發，如設備在線狀態、云臺控制指令、視頻播放/停止指令等，是視頻傳輸系統的中樞神經；壓縮上傳模塊主要負責將高清視頻進行壓縮處理并在接到上傳指令后將壓縮后的音視頻數據上傳至岸基服務器；接收播放模塊負責展示船基攝像頭回傳的音視頻信息。

3)錄像管理。錄像管理由視頻存儲模塊和回放下載模塊組成[3]。視頻存儲模塊負責實時音視頻數據的存儲及管理；回放下載模塊負責實現錄像的回放展示、控制及下載等功能。

4)告警管理。告警管理主要由告警關聯、告警回傳2個模塊組成。告警關聯模塊主要負責與現有告警系統及視頻監控系統進行對接，實現告警與云臺控制智能聯動等功能；告警回傳模塊主要負責管理告警回傳模式，將告警信息回傳至岸基服務器，以及在岸基視頻管控終端展示實時告警信息和查詢歷史告警記錄。

系統采用HTML5技術實現，滿足移動端及PC端統一設計的理念，且支持Windows XP系統，界面與現有岸基管理平臺風格保持一致。

3 系統詳細設計

3.1 邏輯架構設計

根據智能船舶視頻遠程管理系統總體設計規劃，定義該系統與船舶其他智能系統之間的數據/業務交互模式，系統邏輯架構圖見圖1。

圖1 視頻遠程管理系統邏輯架構

集成平臺系統采集船舶視頻監控系統的視頻數據以及其他各功能系統的報警數據，通過數據分發系統將上述采集數據實時推送至視頻遠程管理系統(船基)，船基部分根據報警數據及岸基控制指令，判斷是否需要將當前視頻數據經壓縮后傳輸至岸基。岸基部分一方面可以對船基傳輸的視頻數據進行存儲，播放，另一方面可通過發送相關控制指令自定義視頻傳輸，如截圖指令、攝像頭控制指令、壓縮率指令等。同時視頻遠程管理系統UI界面需集成在集成平臺系統導航平臺中，實現統一顯示，統一管理。

3.2 技術架構設計

系統前端展示部分采用B/S架構，Html5界面；壓縮和傳輸設備采用C/C++開發；WEB后端使用PHP開發，與其他服務交互使用TCP協議；船基和岸基管理部分使用C/C++開發，相互通信使用TCP協議；流媒體轉發服務使用Nginx搭建；最后用Nginx搭建負載均衡服務器。

系統技術架構見圖2。

圖2 視頻遠程管理系統技術架構

3.3 網絡拓撲設計

本系統通過衛星或移動網絡運營商的3/4G通道將船載音視頻數據傳輸至岸基服務器。岸基視頻管控終端可連接岸基服務器進行視頻監控[4]，并可通過岸基服務器向船基系統發送控制指令，以達到實時監控指揮調度的功能。其網絡拓撲圖見圖3。

圖3 視頻遠程管理系統網絡拓撲圖

3.4 功能架構設計

智能船舶視頻遠程管理系統由四大子系統組成[5]，具體功能模塊見圖4。

圖4 視頻遠程管理系統功能架構

3.5 人機交互界面設計

本系統涉及到的人機交互界面主要分為業務界面和管理界面,支持中英文切換、晝夜模式切換及UTC時間顯示，包含視頻監控、告警管理、錄像管理、統計信息四大功能。

4 應用效果

智能船舶船岸一體視頻遠程管理系統在LNG運輸船“海洋石油301”上實現了裝船應用和海洋環境下的船岸一體通信測試，視頻傳輸的具體測試效果見表1。

表1 智能船舶船岸一體視頻遠程管理系統實船測試記錄

岸基監控效果圖見圖5。

圖5 視頻遠程管理系統實船應用效果

實際效果顯示，船舶在VSAT衛通信道(256 kb/s)下，單通道視頻信號在最大128k碼流傳輸設置下，仍然能夠流暢傳輸清晰的視頻；在最小傳輸碼流(16 kb/s)工況下，岸基仍然能夠流暢觀看視頻，最大程度保證了岸基的可視化效果。

通過設計、應用、實船測試船岸一體視頻遠程管理系統，利用硬件對船基視頻信號進行壓縮，對傳輸碼流提供無級調節，實現了船舶在停泊、進出港、航行中不同的通信信道和帶寬下視頻信號的流暢傳輸。在不增加船東營運成本的前提下，能夠滿足大部分船東在岸基對船隊船舶的實時監控要求，最大程度支持船東的實時和精細化營運管理。無論是新造船舶的設計建造還是現有船舶的升級改造，本系統都值得推廣應用。