基于信息融合的一體化執(zhí)法系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：海警執(zhí)法面臨著綜合執(zhí)法能力有限、信息融合程度低、智能化不足等問(wèn)題，已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的周邊環(huán)境態(tài)勢(shì)和日益繁重的海上執(zhí)法任務(wù)。因此，構(gòu)建信息共享、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)的海上執(zhí)法系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)。文章提出了一種一體化的執(zhí)法系統(tǒng)體系架構(gòu)，并對(duì)多源信息融合、船舶圖像識(shí)別、智能預(yù)警等技術(shù)進(jìn)行了介紹，可為提升海上執(zhí)法能力提供借鑒。

關(guān)鍵詞：信息融合；船舶執(zhí)法；多源感知；船舶識(shí)別；智能應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

海警作為我國(guó)海上執(zhí)法的主要機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一履行海上維權(quán)執(zhí)法職責(zé)，包括海上安全保衛(wèi)、海上行政執(zhí)法、海上犯罪偵查、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、各類(lèi)海洋資源開(kāi)發(fā)的執(zhí)法檢查、應(yīng)急救援等重要任務(wù)［1］。海警船作為海上執(zhí)法的載體，已經(jīng)成為維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益和打擊違法犯罪的重要手段。

1 海上執(zhí)法存在的問(wèn)題

海警的任務(wù)從早期的以“海上緝私”為主向著海上“維權(quán)、執(zhí)法、服務(wù)”等多方位擴(kuò)展［2］。隨著任務(wù)范圍的擴(kuò)大和周邊海域安全形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，海警船面臨著信息融合程度低、可視化程度不足、缺少智能化手段、缺少執(zhí)法協(xié)同等問(wèn)題，已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前維護(hù)海洋權(quán)益、打擊海上犯罪、保護(hù)海上環(huán)境、護(hù)漁執(zhí)法的海上執(zhí)法任務(wù)。

1.1 助導(dǎo)信息雖已集成顯示，但未能關(guān)聯(lián)融合

目前的海警船已經(jīng)裝備有導(dǎo)航信息集成管理系統(tǒng)，能夠集成顯示GPS/北斗導(dǎo)航儀、計(jì)程儀、羅經(jīng)、AIS、導(dǎo)航雷達(dá)等設(shè)備信息，可以根據(jù)執(zhí)法人員的需要顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，但不能融合關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)［3］。導(dǎo)航雷達(dá)、AIS設(shè)備和視頻監(jiān)視系統(tǒng)分屬艦上不同系統(tǒng)，各系統(tǒng)間雖進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，但未實(shí)現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)，未形成執(zhí)法合力。

1.2 執(zhí)法態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)的可視化程度不高

目前，船上的執(zhí)法態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)主要是將導(dǎo)航雷達(dá)信息、AIS信息疊加在ECDIS（電子海圖顯示與信息系統(tǒng)）顯示［3］，主要為平面展示，未將實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面等立體呈現(xiàn)手段進(jìn)行融合應(yīng)用，人機(jī)交互和信息可視化水平低。

1.3 缺少智能化的執(zhí)法手段

目前，海警船執(zhí)法人員在巡邏執(zhí)法過(guò)程中需對(duì)周邊船舶進(jìn)行監(jiān)視、對(duì)異常行為進(jìn)行判別，判斷其是否存在潛在的違法犯罪行為［4］。執(zhí)法的主要判斷方式是依賴(lài)大量的人力對(duì)目標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期觀(guān)察，并依靠長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，缺乏視頻智能分析應(yīng)用，如船舶識(shí)別、船號(hào)識(shí)別等技術(shù)應(yīng)用，在違法目標(biāo)識(shí)別、范圍區(qū)域入侵、危險(xiǎn)目標(biāo)判斷等方面缺少智能化的預(yù)警輔助手段。

1.4 執(zhí)法設(shè)備間缺少協(xié)同聯(lián)動(dòng)

海警艦船配備了水炮打擊設(shè)備、強(qiáng)聲驅(qū)離設(shè)備、強(qiáng)光驅(qū)離設(shè)備、電子屏幕警告設(shè)備等非致命的執(zhí)法設(shè)備，在執(zhí)法指揮過(guò)程中，這些設(shè)備的操控終端分布在不同位置，且各自獨(dú)立控制實(shí)現(xiàn)自己的功能，未能在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)化操作，在執(zhí)法的過(guò)程中效率低下［5］。同時(shí)，光電設(shè)備也未能與執(zhí)法設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，無(wú)法監(jiān)控和記錄執(zhí)法設(shè)備的每個(gè)執(zhí)法環(huán)節(jié)，容易漏掉執(zhí)法過(guò)程的取證細(xì)節(jié)。

2 信息化執(zhí)法平臺(tái)設(shè)計(jì)思路

基于海上高效執(zhí)法的需求，確保海上執(zhí)法船只實(shí)現(xiàn)“于敵先發(fā)現(xiàn)，對(duì)峙力不弱”的基本局面［6］，必須對(duì)現(xiàn)有執(zhí)法裝備進(jìn)行信息共享和融合應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建海上執(zhí)法一體化平臺(tái)，為海警船海上高效執(zhí)法提供信息化支撐手段。

2.1 執(zhí)法平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上執(zhí)法平臺(tái)通過(guò)整合包括雷達(dá)、AIS、光電、監(jiān)控、通信設(shè)備、執(zhí)法設(shè)備等在內(nèi)的各設(shè)備信息資源，構(gòu)建一套一體化和綜合化的應(yīng)用平臺(tái)，為多個(gè)業(yè)務(wù)部門(mén)提供綜合信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合感知、態(tài)勢(shì)綜合呈現(xiàn)、違法智能預(yù)警和人員高效執(zhí)法等多維能力提升，進(jìn)一步提升船舶海上的綜合執(zhí)法能力。

如圖1所示，各設(shè)備的信息資源是執(zhí)法平臺(tái)信息融合的基礎(chǔ)；應(yīng)用平臺(tái)是系統(tǒng)的技術(shù)核心，提供綜合化的應(yīng)用服務(wù)；用戶(hù)是系統(tǒng)功能應(yīng)用的最終服務(wù)對(duì)象，包括但不限于警務(wù)部門(mén)、情電部門(mén)、機(jī)電部門(mén)和航海部門(mén)。能力是本系統(tǒng)最終價(jià)值的體現(xiàn)，系統(tǒng)將著力于提升數(shù)據(jù)融合、態(tài)勢(shì)掌控、綜合顯控、智能預(yù)警和電子取證等多維能力。

2.2 執(zhí)法平臺(tái)軟件架構(gòu)

執(zhí)法平臺(tái)的軟件架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、融合處理、執(zhí)法設(shè)備控制、終端顯示和終端管理，如圖2所示。其中，融合處理層主要包括流媒體服務(wù)模塊、多傳感器信息融合模塊、交互顯示模塊、執(zhí)法設(shè)備控制、輔助決策模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。其他軟件的主要功能如圖2所示。

2.3 執(zhí)法平臺(tái)數(shù)據(jù)架構(gòu)

通過(guò)對(duì)已有設(shè)備的動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)、光電和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)以及長(zhǎng)期積累的歷史數(shù)據(jù)、各預(yù)警模型的靜態(tài)數(shù)據(jù)全量整合，構(gòu)建一個(gè)邏輯的數(shù)據(jù)資源池，形成執(zhí)法平臺(tái)的數(shù)據(jù)資源。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示，分為3個(gè)層次：數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3.1 數(shù)據(jù)資源

數(shù)據(jù)資源是系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，主要包括各類(lèi)感知設(shè)備獲取的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段，主要包括數(shù)據(jù)匯集和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)匯集是將所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的過(guò)程。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，包括行為分析、軌跡分析、圖像分析、模型比對(duì)等。

2.3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)服務(wù)是系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的展現(xiàn)，基于匯集整合的數(shù)據(jù)資源以及數(shù)據(jù)分析的成果，對(duì)目標(biāo)提供異常預(yù)警、聯(lián)動(dòng)追擊、聯(lián)動(dòng)取證等應(yīng)用，并按需為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)共享等服務(wù)，包括態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)、資源分布、GIS服務(wù)。

3 主要應(yīng)用技術(shù)

3.1 多源信息融合

多源信息融合是指包含多個(gè)相同體制或不同體制信息源的一種多接入信息的融合處理方法。通常定義為：通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、解析、關(guān)聯(lián)等多級(jí)操作，從而得到監(jiān)測(cè)目標(biāo)的精確狀態(tài)、身份估計(jì)以及完整、及時(shí)的態(tài)勢(shì)評(píng)估的過(guò)程［7］。

如圖4所示，在海事領(lǐng)域的多源信息融合是指不同體制、不同功能的感知設(shè)備和助導(dǎo)設(shè)備（如導(dǎo)航雷達(dá)、搜索雷達(dá)、AIS設(shè)備、ADS-B設(shè)備、光電取證設(shè)備等）的監(jiān)視數(shù)據(jù)通過(guò)時(shí)空校準(zhǔn)、雜波抑制、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合等多技術(shù)綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)周邊海域和空域立體監(jiān)視，向用戶(hù)提供覆蓋船舶、空中目標(biāo)的周邊融合態(tài)勢(shì)信息，滿(mǎn)足全域目標(biāo)的探測(cè)要求。

3.1.1 時(shí)空校準(zhǔn)

時(shí)間校準(zhǔn)一般是通過(guò)外推和內(nèi)插的方法進(jìn)行［8］，將多個(gè)傳感器t1、t2時(shí)間點(diǎn)的異步測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為融合時(shí)刻ti的同步數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理。

空間校準(zhǔn)指將各傳感器上報(bào)的以各傳感器為中心的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換到地理經(jīng)緯度坐標(biāo)系，最后統(tǒng)一到以融合或數(shù)據(jù)處理中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)。如AIS通過(guò)GPS接收機(jī)或北斗接收機(jī)接收經(jīng)緯度位置信息，然后確定位置信息。GPS采用國(guó)際通用的WGS-84坐標(biāo)系，北斗采用CCS2000坐標(biāo)系。而導(dǎo)航雷達(dá)通過(guò)反射微波脈沖探測(cè)目標(biāo)的距離和方位，以此得到在極坐標(biāo)下目標(biāo)的位置信息［5］。因?yàn)椴扇〉氖遣煌淖鴺?biāo)系，在融合的過(guò)程中，需將兩個(gè)坐標(biāo)系下的目標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系下。

3.1.2 雜波抑制

對(duì)于海域環(huán)境，觀(guān)測(cè)背景中大部分為海水，回波信號(hào)的雜波主要是海雜波，相對(duì)地面、高空等其他一些雜波，海雜波是最為復(fù)雜的一種波形。它主要受風(fēng)的方向、風(fēng)速大小、天氣狀況等自然因素的影響［9］。使用自適應(yīng)門(mén)限對(duì)雜波進(jìn)行抑制，可對(duì)海浪、雨雪等雜波進(jìn)行自動(dòng)抑制。

3.1.3 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合

由于各傳感器采集的信息在時(shí)間、空間和粗細(xì)顆粒度級(jí)別等方面均不相同，需要判斷來(lái)自不同傳感器的信息是否屬于同一目標(biāo)。把來(lái)自不同傳感器和信息源的數(shù)據(jù)加以聯(lián)合、相關(guān)和組織，以獲得跟蹤目標(biāo)的精確狀態(tài)和估計(jì)［8］。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)融合的方法較多，包括加權(quán)法、序貫法、修正法、K鄰域法、統(tǒng)計(jì)聚類(lèi)法等。

3.2 船舶圖像識(shí)別

視覺(jué)感知能夠克服雷達(dá)、AIS等設(shè)備無(wú)法識(shí)別目標(biāo)類(lèi)型的缺陷，與傳統(tǒng)的電子海圖顯示相比更為直觀(guān)和立體。近年來(lái)，船舶識(shí)別和檢測(cè)越來(lái)越多地應(yīng)用到海上船舶目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和跟蹤，極大地提升了目標(biāo)監(jiān)測(cè)的價(jià)值［10］。

利用已收集的船舶圖片，對(duì)船舶圖片添加船舶類(lèi)型標(biāo)注，利用YOLOv4 CNN算法建立船舶自動(dòng)識(shí)別模型，并使用訓(xùn)練出來(lái)的模型實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻畫(huà)面中的船舶進(jìn)行船舶檢測(cè)、船舶類(lèi)型識(shí)別、船牌檢測(cè)和船牌識(shí)別。目前比較主流成熟的算法包括YOLOv4 CNN、OpenCV等開(kāi)源框架以及開(kāi)源文字識(shí)別模型。

3.3 船舶智能預(yù)警

目前，巡邏執(zhí)法主要依靠執(zhí)法人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)周邊船舶異常行為進(jìn)行判別。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)在巡邏執(zhí)法中的應(yīng)用可輔助執(zhí)法人員對(duì)走私、偷渡、非法捕撈、盜采海砂等多類(lèi)違法行為的執(zhí)法能力，提高執(zhí)法效率。

根據(jù)船舶執(zhí)法維權(quán)任務(wù)需求，通過(guò)建立智能預(yù)警策略模型，自動(dòng)對(duì)符合預(yù)警條件的船舶異常行為進(jìn)行告警提示，輔助執(zhí)法人員提升執(zhí)法效率。

可提供的基礎(chǔ)預(yù)警模型包括：關(guān)閉AIS的行為模型、高速行駛的船舶行為模型、黑名單船舶預(yù)警模型、“三無(wú)”船舶模型、套牌船舶預(yù)警模型、伏季休漁期間違法捕撈船舶模型、非法海沙開(kāi)采模型、重點(diǎn)區(qū)域違規(guī)闖入船舶模型、搭靠并行航行船舶模型、非本國(guó)船舶違規(guī)進(jìn)入敏感區(qū)域模型等多類(lèi)預(yù)警模型。

4 結(jié)語(yǔ)

海警一體化執(zhí)法系統(tǒng)是基于海洋監(jiān)管、海洋執(zhí)法等業(yè)務(wù)需求開(kāi)發(fā)，是實(shí)現(xiàn)海上執(zhí)法維權(quán)的重要手段，通過(guò)多傳感器信息融合、船舶圖像識(shí)別等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)海上目標(biāo)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)的立體監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)包括海上目標(biāo)、空中目標(biāo)等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)融合感知和綜合態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)。通過(guò)建立周邊船舶違法行為的智能預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)違法行為的實(shí)時(shí)預(yù)警、目標(biāo)跟蹤和行為取證。系統(tǒng)可為船舶執(zhí)法信息化建設(shè)提供參考，對(duì)提升執(zhí)法船舶的執(zhí)法效率具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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Design of integrated law enforcement system based on information fusion

CaoYing1， LiuYunlong2， ZhangRuiying1

（1.Guangzhou Haige Communications Group Incoporated Company， Guangzhou 510663， China;

2.Haihua Electronic Enterprise （China） Co.， Ltd.， Guangzhou 510700， China）

Abstract：Maritime police ship law enforcement faces problems such as limited comprehensive law enforcement capabilities， low level of information fusion， and insufficient intelligence， making it difficult to adapt to the current complex surrounding environment and increasingly complex and heavy maritime law enforcement tasks in the new era. Therefore， building a maritime law enforcement system with information sharing and business linkage has become an inevitable trend. The article proposes an integrated law enforcement system architecture and introduces technologies such as multi information fusion， ship image recognition， and intelligent early warning. It can provide reference for improving maritime law enforcement capabilities.

Key words： information fusion; ship enforcement; multiple perceptions; ship image recognition；intelligent applications