王 翔

（上海市堤防（泵閘）設施管理處，上海 200080）

0 引言

隨著上海地區(qū)水閘運行與管理逐漸向標準化、信息化發(fā)展，“少人值守、無人值守”正在逐步取代傳統(tǒng)的全人工化操作。在這一進程里，考慮到實施水閘遠程操作條件下，在閘門啟閉的運行過程中，如果恰逢有船只闖入內(nèi)外河禁區(qū)，而現(xiàn)場無人及時觀測到，那將是非常危險的。為充分保障安全，除加強管理外，還可以考慮對禁區(qū)附近的通行船只采取自動監(jiān)測，架構集探測、視頻監(jiān)視、控制、圖像顯示、記錄和回放等功能于一體的安防系統(tǒng)進行監(jiān)控[1]。通過運作，達到在閘門啟閉過程中，對可能闖入禁區(qū)這一立體區(qū)域內(nèi)的船只進行預識別，確定入侵行為及啟動高警提示的目的，甚至在必要時緊急停機，以便在保護水閘設施設備的同時，保證船只的安全。

1 自動監(jiān)測技術和設備分析

1.1 常見的戶外監(jiān)測報警技術

1.1.1 紅外對射偵測技術

紅外探測報警按工作方式可分為主動紅外入侵和被動紅外探測 2 種方式[2]。主動紅外入侵探測一般成對使用發(fā)射機和接收機各 1 個。由發(fā)射機通過事先調(diào)置的程序?qū)ν獍l(fā)出 1 束或多束肉眼無法看到的紅外輻射光束，當物體闖入既定區(qū)域時，將阻斷發(fā)射的光束，接收機感應到被遮光束的百分比數(shù)值超過事先設定的臨界點時，就會發(fā)出警報。被動紅外探測一般利用移動物體自身輻射的紅外線，通過熱釋電紅外探測元件實施監(jiān)測。在實踐中，運用紅外對射可以監(jiān)測到船只通過警戒線，但這一技術受水閘環(huán)境的干擾較大，安裝位置的要求也較高。

1.1.2 微波對射偵測技術

微波對射偵測主要使用微波對射探測器實施監(jiān)測，使用方式類似于紅外對射，構成中有發(fā)射器和接收器各 1 個。由發(fā)射器發(fā)射的微波能量束直接或經(jīng)過環(huán)境如地面、墻面等間接到達接收器。當有物體闖入時，探測區(qū)域內(nèi)能量將產(chǎn)生波動和變化，隨即信號處理器對接受器的感應進行分析，給出預警或報警信號。

1.1.3 振動感應偵測技術

目前多運用震動電纜或光纖實施監(jiān)測。震動電纜多采用具有壓電效應的同軸電纜，闖入者的外界動作可以引發(fā)同軸電纜的內(nèi)部感應，進而轉(zhuǎn)化成設置的電信號，通過分析處理后發(fā)出警報。震動光纖探測體主要由光纖處理器及收、發(fā)回路感應光纖等構成，由闖入者的外界震動引起光纖的物理變形，通過光導、電等信號的改變，由處理單元分析后實施報警。

1.1.4 移動分析偵測技術

移動分析偵測是在指定區(qū)域內(nèi)，對識別的圖像，通過視頻幀的截取、計算，做出變化的比較，偵測到運動物體的存在，實現(xiàn)自動報警和目標檢測。在實踐中，可以監(jiān)測到船只通過警戒線，但受天氣狀況變化的影響較大，同時，需增加遠紅外燈以解決夜晚圖像的問題。

1.1.5 激光干預偵測技術

激光雷達作為光電信息的探測、監(jiān)測和采集技術的手段之一，是人們在激光照射和接收的空域范圍內(nèi)探測目標的重要手段[3]。多普勒雷達從傳統(tǒng)微波雷達向光學領域拓展，充分利用激光高度的相干性、單色性和方向性，并結合運用多普勒原理，由激光器發(fā)射相應激光束，再由接受元件將闖入物反射回來的信號送到處理系統(tǒng)，分析頻移信息，做出預警判斷，進而給出報警信號。

1.2 探測設備技術選型

水閘的特殊地理環(huán)境和工作特點，要求檢測到船只闖入的探測設備必須安全性、穩(wěn)定性、實用性都較強，以便較為精準地測量入侵船只的位置、運動狀態(tài)，達到測定、識別、分辨和跟蹤的目的，從而作出最優(yōu)的趨勢判斷。在初步圈定適合的偵測技術范圍后，還應綜合考慮以下幾方面的參數(shù)，為選型決策提供進一步的參考：

1）識別率。要求對禁區(qū)內(nèi)船只闖入和滯留的識別程度盡可能高。

2）誤報率。對于天氣變化（日照、溫度、風雨等）、人工光源（車燈、路燈、景觀燈等）、各類陰影等影響因素帶來的誤報程度要盡可能低。

3）虛警率。對于飛鳥和小動物的闖入行為等觸動的監(jiān)測報警要盡可能判別出來。

4）定位精度。由于闖入中的船只具備較快的移動速度，且一些水閘附近有遮擋區(qū)域，船只較易在幾秒內(nèi)進入遮擋處，從而瞞過值班人員的眼睛，造成誤報。所以，米級精度在某些環(huán)境中是必須的。

幾種戶外報警技術對比結果如表 1 所示。

經(jīng)過比較，激光雷達偵測設備可以作為水閘禁區(qū)船只闖入自動探測設備中較優(yōu)的選擇。

表1 幾種戶外報警技術對比結果

1.3 攝像設備技術選型

攝像機是拾取圖像信號的設備，一般通過拍攝物體的方式，將獲得的光學圖像信號，通過攝像器件轉(zhuǎn)變，再經(jīng)過電路處理和調(diào)整，形成可以記錄存儲或顯示的標準信號，進而通過傳輸設備送到終端以供觀看[4]。

考慮到水閘的具體環(huán)境，若安裝常規(guī)的攝像機，不但照度變化會很大，而且水位的漲落起伏及經(jīng)常出現(xiàn)的漂浮物使得背景的變化波動也較大，這些都不利于常規(guī)攝像機進行記錄。為了清晰準確地觀察到水閘禁區(qū)內(nèi)的狀況，最大限度地避免船只闖入事故的發(fā)生，熱紅外攝像機可以作為水閘禁區(qū)船只闖入自動攝像設備中較優(yōu)的選擇。這樣，在白天和漆黑夜晚，借助紅外燈，甚至不用紅外燈，都可獲得良好的目標紅外或熱輻射圖像[5]。

2 監(jiān)測安防系統(tǒng)架構要點

2.1 前端設備

前端設備是整個系統(tǒng)一切信息的總來源，主要是獲取視頻與音頻信息，對非法侵入行為進行探測與報警[6]。在實踐中，依靠前端設備可以獲取闖入船只的各類入侵偵測和音視頻信息。前端設備主要構成如圖 1 所示。

其中的關鍵設備是探測和攝像設備。

圖1 前段設備主要構成

2.1.1 探測設備

以探測設備中的 110° 激光雷達（可靠識別扇面105°）為例，主要設備包含用來獲得目標觀察船只距離的激光測距儀、旋轉(zhuǎn)馬達和光學反射裝置等。此外，可選配內(nèi)置黑白攝像機、PTZ 攝像機和紅色激光瞄準束等。

當馬達啟動后，光學反射裝置旋轉(zhuǎn)，反射的激光束會沿著 1 個扇面移動，經(jīng)接收窗口捕獲，創(chuàng)建 1 個檢測平面，即識別區(qū)。110° 激光雷達平均 0.2″ 會對識別區(qū)內(nèi)的任意點掃描 1 次，一旦有船只進入預設禁區(qū)，激光雷達會實時測算船只的距離、大小、方位，在確認為可疑目標后，立刻通過智能儀表 RS-485 將偵測信息發(fā)送回監(jiān)控中心，并激活相應角度的黑白攝像機切換或遙控 PTZ 攝像機進行自主跟蹤。

110° 激光雷達的安裝方式是可以選擇的。水平安裝時，根據(jù)安裝高度的不同，構成 1 個掃描扇區(qū)或掃描環(huán)帶（110°×120 m 半徑），實時監(jiān)測入侵目標；垂直安裝時，構成一道嚴密的激光幕墻，即虛擬警戒墻（110°×120 m 半徑）。

2.1.2 攝像設備

以攝像設備中的 S260 型紅外熱像儀為例，在10～100 m 范圍內(nèi)的來往船只和人員入侵都能夠監(jiān)測到，只要物體進入畫面，系統(tǒng)就能進行識別。在水閘遭遇惡劣天氣狀況時，也能較好地適應這一環(huán)境，及時輔助激光雷達，形成識別目標圖像，有利于快速發(fā)現(xiàn)安全隱患，避免意外入侵，滿足實時在線監(jiān)控的需求。在本監(jiān)測中，要加配護罩和云臺，通過控制，使云臺帶動攝像機進行水平和垂直方向的轉(zhuǎn)動，這樣，可以使攝像機覆蓋的角度和面積變得更大，從而多方位記錄船只闖入內(nèi)外河禁區(qū)的圖像。

2.2 傳輸設備

傳輸設備肩負著信息和信號傳遞的功能，通過它，前端設備采集的圖像和聲音等數(shù)據(jù)可以傳遞到控制和終端設備進行運作，同樣，控制端采取的控制信號等也可以傳遞到前端，從而完成雙向數(shù)據(jù)的流通與操作。

本監(jiān)測方案中信息主要有從前端探測器、攝像機等傳向控制中心的視頻及音頻信號，以及從控制中心傳向前端設備等受控設備的控制信號。對于架構了防闖入監(jiān)測安防系統(tǒng)的水閘而言，系統(tǒng)的整個控制信號，是從入侵探測器開始，傳向控制中心的報警主機，再通過報警信號接口箱傳向視頻監(jiān)控的主機。視頻監(jiān)控主機發(fā)出控制信號控制攝像等設備的動作，由此將圖像和音頻等傳輸回控制中心，從而完成報警與視頻監(jiān)控的全過程。

信號的運行通信一般有有線和無線傳輸 2 種方式。在水閘環(huán)境實踐中，傳輸距離相對較遠，可考慮在 RS-485 串行總線標準下，采用雙絞線平衡傳輸?shù)挠芯€傳輸方式，這樣的方式完全能夠達到較好的傳輸目的，傳輸信號在千米以外也有能力進行自我恢復。此外，如果所在水閘已經(jīng)布有光纖線纜，可以加以利用。光纖傳輸具有衰減小、頻帶寬、不受電磁波干擾、重量輕、保密性好等優(yōu)點[7]，可以達到較高質(zhì)量的傳輸效果。而無線傳輸?shù)姆绞?，往往會因信號所通過的空氣和其他介質(zhì)的變化不定及不同波長信號的傳輸特性的變化，使得傳輸效果無法預期。當水閘遭遇惡劣天氣時，會較大程度地影響到船只闖入的監(jiān)測報警效果。

2.3 控制設備

控制設備一般由主、功能、輔助設備控制器，以及音/視頻信號處理、控制鍵盤等設備組成。

為保障船只闖入的水閘禁區(qū)安全距離最大化，總控制臺應布設校正與補償區(qū)域，可以彌補傳輸過程中幅頻、相頻特性的損失，達到傳輸指標的既定要求。同時，為得到最佳的觀察效果，達到最優(yōu)的安全防范目的，總控制臺應布設多畫面分割功能區(qū)域，使 1 臺監(jiān)視器上可以實現(xiàn) 4，9，16 個監(jiān)控畫面同步顯示功能，并借助終端設備進行多角度的記錄與備案。此外，也要考慮控制設備與報警管理等軟件的融洽性，以便在系統(tǒng)遇到故障重啟時或軟件非正常退出后，控制系統(tǒng)仍有修復和正常運行的能力。

2.4 終端設備

終端設備是系統(tǒng)架構中前端信息的存儲、記憶、顯示與處理的輸出設備，應與前端設備合理搭配。

在本文實踐中，監(jiān)視器作為終端設備之一，是最基本和必不可少的，通過它能夠最直觀地反映出水閘禁區(qū)實時情況和船只闖入狀況。此外，告警的揚聲器和警示燈、硬盤錄像機應該作為該系統(tǒng)架構中的標配。前者可以作為輔助手段進一步增強水閘禁區(qū)監(jiān)控執(zhí)勤的效率，加強監(jiān)測和應急反應機構及相關人員的警覺度，及時意識到船只闖入事件的發(fā)生；后者可以將水閘禁區(qū)周圍環(huán)境、船只闖入前后過程、相關事件的發(fā)生處理等諸多要素全程跟蹤并記錄下來，作為現(xiàn)場回放和事后查證的重要手段。在終端設備中，監(jiān)聽揚聲器、視像機、電話自動撥號機、打印機等，可以根據(jù)實際需求進行選配。

通過以上系統(tǒng)架構，能夠?qū)崿F(xiàn)以下安防功能：

1）報警管理功能。通過在監(jiān)控點設置的激光雷達、探頭等探測設備，完成水閘禁區(qū)警戒線附近的布防。一旦有船只靠近或闖入，偵測信號將及時傳輸至監(jiān)控中心，同時，以聲、光方式通知監(jiān)測或值班人員，使他們能迅速做出反應。

2）雙向語音對講功能。監(jiān)控中心與監(jiān)控點之間能夠在船只闖入禁區(qū)事件突發(fā)時，以語音對講方式，及時做出雙向溝通，實施應急指揮。

3）圖像監(jiān)控功能。通過終端顯示器件，監(jiān)控或值班人員可同步觀察所有攝像機記錄的現(xiàn)場圖像。

4）云臺/鏡頭控制功能。通過控制系統(tǒng)，可以授權人工操作，改變前端云臺的運動方向，調(diào)整攝像機鏡頭的焦距、景深，以便符合不同的觀察需求。

5）圖像存儲與備份功能。通過配設的硬盤錄像機等終端設備，水閘禁區(qū)全天候 24 h 監(jiān)測的資料可以進行存儲，船只闖入禁區(qū)的全過程能夠一覽無遺，并可以形成各種格式的圖像、音頻輸出，完成有關資料的備份。

6）圖像回放功能。授權人員可以現(xiàn)場或事后隨時進行圖像的回放，以便進一步深入細致地分析船只闖入事件。

3 結語

水閘禁區(qū)船只闖入監(jiān)測安防系統(tǒng)是以視頻監(jiān)控與報警聯(lián)動為代表的安防科技在水閘管理平臺中的集中體現(xiàn)。系統(tǒng)的成功架構，可以兼具事故發(fā)生前事件的預警與事故發(fā)生后事件的處理 2 種層面上的應用，這必將在今后逐漸成為水閘安全運行與維護體系的重要組成。同時，無論從技術的選用、設備的選型或其它相關方面來看，系統(tǒng)架構中具有不斷改變和升級特點的是安防手段的多樣化、綜合化與智能化，必須將這些變化的因素緊密結合水閘安全管理工作的實際，結合水閘區(qū)域環(huán)境地理的實際，結合水閘設施設備狀況的實際，優(yōu)化選擇，合理配置，使水閘禁區(qū)船只闖入監(jiān)測安防系統(tǒng)的架構日趨成熟，不斷完善。

[1] 陳晴，鄧忠偉. 現(xiàn)代安防技術設計與實施[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010: 3-4.

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[3] 戴永江. 激光雷達技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010:7-8.

[4] 李金伴，王善斌. 電視監(jiān)控系統(tǒng)及其應用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2007: 15-17.

[5] 雷雨權. 多媒體電視監(jiān)控與報警系統(tǒng)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004: 31-32.

[6] 雷玉堂. 安防視頻監(jiān)控實用技術[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012: 8-9.

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