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、智能化不足等問題，已經(jīng)難以適應(yīng)當前復(fù)雜的周邊環(huán)境態(tài)勢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)動的海上執(zhí)法系統(tǒng)已經(jīng)成為必然趨勢。文章提出了一種一體化的執(zhí)法系統(tǒng)體系架構(gòu)，并對多源信息融合、船舶圖像識別、智能預(yù)警等技術(shù)進行了介紹，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；船舶識別；智能應(yīng)用

中圖分類號：TP311文獻標志碼：A

0 引言

海警作為我國海上執(zhí)法的主要機構(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、各類海洋資源開發(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)成為維護國家海洋權(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)”等多方位擴展［2］。隨著任務(wù)范圍的擴大和周邊海域安全形勢的日益嚴峻，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)同等問題，已經(jīng)難以適應(yīng)當前維護海洋權(quán)益、打擊海上犯罪、保護海上環(huán)境、護漁執(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、計程儀、羅經(jīng)、AIS、導(dǎo)航雷達等設(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、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)間雖進行數(shù)據(jù)共享，但未實現(xiàn)信息關(guān)聯(lián)，未形成執(zhí)法合力。

1.2 執(zhí)法態(tài)勢呈現(xiàn)的可視化程度不高

目前，船上的執(zhí)法態(tài)勢呈現(xiàn)主要是將導(dǎo)航雷達信息、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，未將實時視頻畫面等立體呈現(xiàn)手段進行融合應(yīng)用，人機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)法過程中需對周邊船舶進行監(jiān)視、對異常行為進行判別，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大量的人力對目標進行長期觀察，并依靠長期積累的經(jīng)驗進行判斷，缺乏視頻智能分析應(yīng)用，如船舶識別、船號識別等技術(shù)應(yīng)用，在違法目標識別、范圍區(qū)域入侵、危險目標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

海警艦船配備了水炮打擊設(shè)備、強聲驅(qū)離設(shè)備、強光驅(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)法指揮過程中，這些設(shè)備的操控終端分布在不同位置，且各自獨立控制實現(xiàn)自己的功能，未能在一個平臺上實現(xiàn)聯(lián)動化操作，在執(zhí)法的過程中效率低下［5］。同時，光電設(shè)備也未能與執(zhí)法設(shè)備進行聯(lián)動，無法監(jiān)控和記錄執(zhí)法設(shè)備的每個執(zhí)法環(huán)節(jié)，容易漏掉執(zhí)法過程的取證細節(jié)。

2 信息化執(zhí)法平臺設(shè)計思路

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

2.1 執(zhí)法平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

海上執(zhí)法平臺通過整合包括雷達、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，為多個業(yè)務(wù)部門提供綜合信息服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合感知、態(tài)勢綜合呈現(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)法平臺信息融合的基礎(chǔ)；應(yīng)用平臺是系統(tǒng)的技術(shù)核心，提供綜合化的應(yīng)用服務(wù)；用戶是系統(tǒng)功能應(yīng)用的最終服務(wù)對象，包括但不限于警務(wù)部門、情電部門、機電部門和航海部門。能力是本系統(tǒng)最終價值的體現(xiàn)，系統(tǒng)將著力于提升數(shù)據(jù)融合、態(tài)勢掌控、綜合顯控、智能預(yù)警和電子取證等多維能力。

2.2 執(zhí)法平臺軟件架構(gòu)

執(zhí)法平臺的軟件架構(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)法平臺數(shù)據(jù)架構(gòu)

通過對已有設(shè)備的動態(tài)感知數(shù)據(jù)、光電和視頻監(jiān)視系統(tǒng)的實時采集數(shù)據(jù)以及長期積累的歷史數(shù)據(jù)、各預(yù)警模型的靜態(tài)數(shù)據(jù)全量整合，構(gòu)建一個邏輯的數(shù)據(jù)資源池，形成執(zhí)法平臺的數(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)，主要包括各類感知設(shè)備獲取的動態(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)的過程。在此基礎(chǔ)上進行數(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，對目標提供異常預(yù)警、聯(lián)動追擊、聯(lián)動取證等應(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：通過對多個傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行采集、解析、關(guān)聯(lián)等多級操作，從而得到監(jiān)測目標的精確狀態(tài)、身份估計以及完整、及時的態(tài)勢評估的過程［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、搜索雷達、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)通過時空校準、雜波抑制、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)融合等多技術(shù)綜合運用，實現(xiàn)周邊海域和空域立體監(jiān)視，向用戶提供覆蓋船舶、空中目標的周邊融合態(tài)勢信息，滿足全域目標的探測要求。

3.1.1 時空校準

時間校準一般是通過外推和內(nèi)插的方法進行［8］，將多個傳感器t1、t2時間點的異步測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為融合時刻ti的同步數(shù)據(jù)，便于進一步數(shù)據(jù)處理。

空間校準指將各傳感器上報的以各傳感器為中心的極坐標數(shù)據(jù)進行坐標變換，轉(zhuǎn)換到地理經(jīng)緯度坐標系，最后統(tǒng)一到以融合或數(shù)據(jù)處理中心為原點的坐標系實現(xiàn)。如AIS通過GPS接收機或北斗接收機接收經(jīng)緯度位置信息，然后確定位置信息。GPS采用國際通用的WGS-84坐標系，北斗采用CCS2000坐標系。而導(dǎo)航雷達通過反射微波脈沖探測目標的距離和方位，以此得到在極坐標下目標的位置信息［5］。因為采取的是不同的坐標系，在融合的過程中，需將兩個坐標系下的目標信息轉(zhuǎn)換到同一坐標系下。

3.1.2 雜波抑制

對于海域環(huán)境，觀測背景中大部分為海水，回波信號的雜波主要是海雜波，相對地面、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)門限對雜波進行抑制，可對海浪、雨雪等雜波進行自動抑制。

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間、空間和粗細顆粒度級別等方面均不相同，需要判斷來自不同傳感器的信息是否屬于同一目標。把來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，以獲得跟蹤目標的精確狀態(tài)和估計［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)計聚類法等。

3.2 船舶圖像識別

視覺感知能夠克服雷達、AIS等設(shè)備無法識別目標類型的缺陷，與傳統(tǒng)的電子海圖顯示相比更為直觀和立體。近年來，船舶識別和檢測越來越多地應(yīng)用到海上船舶目標的監(jiān)測和跟蹤，極大地提升了目標監(jiān)測的價值［10］。

利用已收集的船舶圖片，對船舶圖片添加船舶類型標注，利用YOLOv4 CNN算法建立船舶自動識別模型，并使用訓(xùn)練出來的模型實現(xiàn)對視頻畫面中的船舶進行船舶檢測、船舶類型識別、船牌檢測和船牌識別。目前比較主流成熟的算法包括YOLOv4 CNN、OpenCV等開源框架以及開源文字識別模型。

3.3 船舶智能預(yù)警

目前，巡邏執(zhí)法主要依靠執(zhí)法人員長期積累的經(jīng)驗對周邊船舶異常行為進行判別。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)法人員對走私、偷渡、非法捕撈、盜采海砂等多類違法行為的執(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，通過建立智能預(yù)警策略模型，自動對符合預(yù)警條件的船舶異常行為進行告警提示，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”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、非法海沙開采模型、重點區(qū)域違規(guī)闖入船舶模型、搭靠并行航行船舶模型、非本國船舶違規(guī)進入敏感區(qū)域模型等多類預(yù)警模型。

4 結(jié)語

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)需求開發(fā)，是實現(xiàn)海上執(zhí)法維權(quán)的重要手段，通過多傳感器信息融合、船舶圖像識別等技術(shù)實現(xiàn)對海上目標實時態(tài)勢的立體監(jiān)視，實現(xiàn)包括海上目標、空中目標等實時動態(tài)數(shù)據(jù)融合感知和綜合態(tài)勢呈現(xiàn)。通過建立周邊船舶違法行為的智能預(yù)警模型，實現(xiàn)對違法行為的實時預(yù)警、目標跟蹤和行為取證。系統(tǒng)可為船舶執(zhí)法信息化建設(shè)提供參考，對提升執(zhí)法船舶的執(zhí)法效率具有較高的應(yīng)用價值。

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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