淺談輸電海纜安全運行綜合監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

淺談輸電海纜安全運行綜合監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

摘要：本文闡述了采用輸電海纜安全運行綜合監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)輸電海纜保護區(qū)內(nèi)

船舶動態(tài)監(jiān)管的必要性、技術創(chuàng)新點、解決方案和實際應用案例。

關鍵詞：雷達；AIS；GIS；電子海圖

輸電海纜的敷設多會穿越錨地、國際航道和漁業(yè)作業(yè)區(qū)，過往船舶的拋錨、

拖錨及漁業(yè)撒網(wǎng)等活動是導致輸電海纜損壞的一項主要原因。而每根海纜損壞的

直接經(jīng)濟損失都高達幾千萬人民幣，并且會嚴重影響到島嶼居民及工廠的用電需

求，由此帶來的間接經(jīng)濟損失更是不可估量。

本文分析了當前船舶監(jiān)管中所廣泛采用的雷達監(jiān)控系統(tǒng)、AIS船舶自動識別系

統(tǒng)優(yōu)缺點，闡述了為維護輸電海纜的安全運行，綜合利用雷達、AIS等多種監(jiān)控

技術手段并結合遠程語音、海纜警示標志、光電擾動報警等技術實現(xiàn)輸電海纜保

護區(qū)內(nèi)船舶動態(tài)監(jiān)管的必要性，介紹了輸電海纜安全運行綜合監(jiān)控系統(tǒng)的技術創(chuàng)

新點、解決方案及實際應用案例。

1、幾種船舶動態(tài)監(jiān)控手段及其特點

目前在涉水行業(yè)中為實現(xiàn)船舶動態(tài)監(jiān)控常采用的兩個系統(tǒng)分別為：

雷達監(jiān)控系統(tǒng)：雷達監(jiān)控系統(tǒng)通過雷達掃描主動對雷達所覆蓋區(qū)域的船舶位

置和航行狀況進行偵測。它的優(yōu)點是可以實現(xiàn)覆蓋水域船舶的主動偵測，獲取船

舶的位置、航速和航向信息，且刷新速度快；缺點是無法獲取船舶的靜態(tài)信息，

如船名、呼號，且雷達信號存在盲區(qū)。

船舶自動識別系統(tǒng)：船舶自動識別系統(tǒng)是一種新型的集網(wǎng)絡技術、現(xiàn)代通訊

技術、計算機技術、電子信息顯示技術為一體的數(shù)字助航系統(tǒng)和設備。AIS系統(tǒng)

通過安裝在船上的AIS船臺發(fā)出船舶的當前位置、航速、航向等動態(tài)信息和船名、

呼號等靜態(tài)信息，由岸基AIS臺站接收船舶發(fā)出的AIS信息，以實現(xiàn)對AIS船舶的

跟蹤。它的優(yōu)點是全國沿海已經(jīng)全部覆蓋了AIS岸臺，AIS船舶發(fā)出的信息較全，

且不需人工標示，覆蓋范圍廣。缺點是被動接收信號，只有安裝AIS船臺的船舶

才能被監(jiān)控，且受通信網(wǎng)絡和是否開機的影響。

2、技術創(chuàng)新點

2.1、雷達目標錄取跟蹤技術

雷達監(jiān)控系統(tǒng)是將雷達掃描出的模擬視頻信號輸出后進行數(shù)字化，并對數(shù)字

化后的雷達視頻進行點跡提取，進而實現(xiàn)船舶目標的跟蹤。目標跟蹤處理的兩個

基本問題是：不同環(huán)境下的點跡與點跡相關、點跡與航跡相關，以及運動目標航

跡的濾波與預測。

點跡與點跡相關是對于那些沒有與雜波點、可靠航跡關聯(lián)上的點跡，采用滑

窗法構成航跡自動起始邏輯，通過門限檢測判斷是否建立暫時航跡；點跡與航跡

相關是把噪聲化觀測與航跡預測相結合，以產(chǎn)生經(jīng)過平滑和修正后的航跡估計值。

點跡與航跡的關聯(lián)通過跟蹤濾波器實現(xiàn)。

根據(jù)船舶航行的運動特點采用常速度模型作為運動目標的數(shù)學模型，并采用

卡爾曼濾波器作為跟蹤濾波器，根據(jù)雷達測量值實時估計當前的目標位置、速度

等運動參數(shù)，并推算出下一次觀察時目標位置的預測值以檢驗下一次觀測值的合

理性。

在常速度模型里，目標運動的一維數(shù)學模型可描述為目標以恒速運動，目標

的狀態(tài)向量包含位置 和速度 兩個分量。在實際過程中，目標的加速度 特征假設

為：具有零均值和事宜方差的高斯分布平穩(wěn)隨機變量，而某一時刻的加速度與其

他時刻的加速度無關。

2.2、目標數(shù)據(jù)融合技術

目標數(shù)據(jù)融合技術包括雷達目標數(shù)據(jù)、視頻分析目標數(shù)據(jù)與AIS目標數(shù)據(jù)的

融合。同一個移動目標來自于雷達的跟蹤數(shù)據(jù)、視頻分析的跟蹤數(shù)據(jù)和AIS系統(tǒng)

的位置數(shù)據(jù)由于掃描時刻的不同會有所不同。

數(shù)據(jù)融合處理算法根據(jù)一組雷達目標點跡的經(jīng)緯度選出其附近的所有AIS目

標數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)逐一與這組雷達目標進行比對，比對的內(nèi)容包括航向、航速

和歷史航跡擬合，當至少一次對比結果在運動模型上達到一組雷達目標點跡與一

組AIS目標點跡都相近時，則對雷達目標和AIS目標進行融合。

3、輸電海纜安全運行綜合監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

系統(tǒng)采用先進的插件式架構，具有很強的定制開發(fā)能力，每個功能都是由一

個功能插件來實現(xiàn)，便于修改和擴展，這樣就可以通過定制開發(fā)新的功能插件滿

足電力行業(yè)不斷發(fā)展變化的應用需求。如下圖1所示：

系統(tǒng)主要分為六大功能模塊：雷達偵測、視頻分析、GIS、實時監(jiān)管、查詢統(tǒng)

計和數(shù)據(jù)接入整合。

雷達偵測功能模塊主要實現(xiàn)雷達目標的錄取跟蹤、雷達目標數(shù)據(jù)與AIS系統(tǒng)

數(shù)據(jù)及視頻分析目標數(shù)據(jù)的融合、雷達原始視頻數(shù)據(jù)與電子海圖數(shù)據(jù)的疊加顯示。

該模塊可以接入標準雷達設備的模擬信號，經(jīng)數(shù)字化后通過數(shù)字圖像處理技術對

雷達視頻圖像中的移動目標進行錄取跟蹤，識別出有效的船舶目標，并計算出船

舶目標的經(jīng)緯度、航向和航速信息；通過與AIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合技術引入船舶目

標的船名、呼號等靜態(tài)信息，所有的船舶動靜態(tài)信息疊加顯示在電子海圖之上，

即實現(xiàn)了對雷達覆蓋水域船舶的主動偵測；同時通過雷達原始視頻數(shù)據(jù)與電子海

圖數(shù)據(jù)的疊加顯示技術還可以及時發(fā)現(xiàn)未被系統(tǒng)識別出的移動目標，及時做出人

干預處理。

圖1：系統(tǒng)架構圖

視頻分析功能模塊通過對連續(xù)幀的視頻畫面進行智能分析，提取船舶輪廓信

息，并根據(jù)所提取船舶在視頻畫面上的像素變化解算出船舶的航跡位置，最后根

據(jù)船舶的位置變化情況計算出船舶的航行速度，由此判斷船舶是否有停泊的傾向。

GIS功能模塊即為系統(tǒng)的基礎地理信息系統(tǒng)平臺，采用了高速動態(tài)目標繪制技

術和專業(yè)的電子海圖/地圖渲染技術，專門為電子海圖應用和移動目標監(jiān)控而設計，

可以在同時監(jiān)管10000個移動目標的情況下無任何閃爍和延遲。該平臺實現(xiàn)了電

子海圖和電子地圖的混合顯示和無縫拼接，支持S-57數(shù)據(jù)格式、S-52顯示標準的

電子海圖數(shù)據(jù)和shp、tab等公開格式的電子地圖數(shù)據(jù)；該平臺在實現(xiàn)了電子海圖

/地圖可視化顯示及縮放、查詢等操作功能的同時，還支持強大的地理信息要素標

繪功能，包括了點、線、面的要素標繪，標繪的顯示樣式可以采用與S-52顯示標

準完全相同的符號以保持顯示效果的一致性，也可采用用戶自定義的符號以突出

顯示。

實時監(jiān)管功能模塊主要實現(xiàn)船舶威脅的實時判斷、處理、報警及CCTV電視

監(jiān)控系統(tǒng)的功能。除了支持常規(guī)的電視監(jiān)控系統(tǒng)功能即人工控制攝像機指向重點

區(qū)域之外，該模塊還可以接入雷達偵測模塊、視頻分析模塊或數(shù)據(jù)接入整合模塊

提供的船舶位置信息和航速航向信息，通過相關的智能控制單元和聯(lián)動追蹤算法，

準確控制云臺鏡頭的運動，使云臺、攝像機、鏡頭能根據(jù)船舶的經(jīng)緯度信息、航

速和航向始終準確的對準行進中的船舶，實現(xiàn)船舶的自動跟蹤。通過CCTV聯(lián)動

追動功能可以實現(xiàn)對重點船舶的全程監(jiān)控，為海纜安全管理提供了一種非常實用

且有效的監(jiān)管手段。

查詢統(tǒng)計功能模塊實現(xiàn)系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)或接入的外部業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢和

統(tǒng)計，查詢統(tǒng)計結果既可在電子海圖上以專題地圖的形式展示，也可以傳統(tǒng)的表

格、直方圖或餅狀圖方式展示。

數(shù)據(jù)接入整合功能模塊是系統(tǒng)的通信后臺，可實現(xiàn)雷達、AIS、CCTV、海纜警

示標志、光電擾動報警等數(shù)據(jù)的接入、分類、記錄和轉發(fā)及其他業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)的

接入和整合。

4、輸電海纜安全運行綜合監(jiān)控系統(tǒng)應用實例

該解決方案已于2012年8月應用于江門電力局輸電海纜運行的安全監(jiān)控工作

中，該系統(tǒng)全方位探測海纜保護區(qū)周圍的危險源，實現(xiàn)雷達、AIS、CCTV、光電感

應等技術在海纜監(jiān)控領域的大融合，開創(chuàng)了電力行業(yè)應用先河。同時，通過一套

平臺可以實現(xiàn)對島嶼地區(qū)所有海底電纜的監(jiān)控，降低了海纜監(jiān)管、保護工作的勞

動強度，提高了管理的工作效率。

參考文獻：

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