基于信息融合的一体化执法系统设计.pdf

第 17 期2023 年 9 月无线互联科技Wireless Internet TechnologyNo.17September,2023作者简介:曹莹(1981),男,湖南邵东人,工程师,硕士;研究方向:系统集成应用技术。基于信息融合的一体化执法系统设计曹 莹1,刘云龙2,张瑞应1(1.广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510663;2.海华电子企业(中国)有限公司,广东 广州 510700)摘要:海警执法面临着综合执法能力有限、信息融合程度低、智能化不足等问题,已经难以适应当前复杂的周边环境态势和日益繁重的海上执法任务。因此,构建信息共享、业务联动的海上执法系统已经成为必然趋势。文章提出了一种一体化的执法系统体系架构,并对多源信息融合、船舶图像识别、智能预警等技术进行了介绍,可为提升海上执法能力提供借鉴。关键词:信息融合;船舶执法;多源感知;船舶识别;智能应用中图分类号:TP311 文献标志码:A0 引言 海警作为我国海上执法的主要机构,统一履行海上维权执法职责,包括海上安全保卫、海上行政执法、海上犯罪侦查、海洋生态环境保护、各类海洋资源开发的执法检查、应急救援等重要任务1。海警船作为海上执法的载体,已经成为维护国家海洋权益和打击违法犯罪的重要手段。1 海上执法存在的问题 海警的任务从早期的以“海上缉私”为主向着海上“维权、执法、服务”等多方位扩展2。随着任务范围的扩大和周边海域安全形势的日益严峻,海警船面临着信息融合程度低、可视化程度不足、缺少智能化手段、缺少执法协同等问题,已经难以适应当前维护海洋权益、打击海上犯罪、保护海上环境、护渔执法的海上执法任务。1.1 助导信息虽已集成显示,但未能关联融合 目前的海警船已经装备有导航信息集成管理系统,能够集成显示 GPS/北斗导航仪、计程仪、罗经、AIS、导航雷达等设备信息,可以根据执法人员的需要显示相关数据,但不能融合关联数据3。导航雷达、AIS 设备和视频监视系统分属舰上不同系统,各系统间虽进行数据共享,但未实现信息关联,未形成执法合力。1.2 执法态势呈现的可视化程度不高 目前,船上的执法态势呈现主要是将导航雷达信息、AIS 信息叠加在 ECDIS(电子海图显示与信息系统)显示3,主要为平面展示,未将实时视频画面等立体呈现手段进行融合应用,人机交互和信息可视化水平低。1.3 缺少智能化的执法手段 目前,海警船执法人员在巡逻执法过程中需对周边船舶进行监视、对异常行为进行判别,判断其是否存在潜在的违法犯罪行为4。执法的主要判断方式是依赖大量的人力对目标进行长期观察,并依靠长期积累的经验进行判断,缺乏视频智能分析应用,如船舶识别、船号识别等技术应用,在违法目标识别、范围区域入侵、危险目标判断等方面缺少智能化的预警辅助手段。1.4 执法设备间缺少协同联动 海警舰船配备了水炮打击设备、强声驱离设备、强光驱离设备、电子屏幕警告设备等非致命的执法设备,在执法指挥过程中,这些设备的操控终端分布在不同位置,且各自独立控制实现自己的功能,未能在一个平台上实现联动化操作,在执法的过程中效率低下5。同时,光电设备也未能与执法设备进行联动,无法监控和记录执法设备的每个执法环节,容易漏掉执法过程的取证细节。2 信息化执法平台设计思路 基于海上高效执法的需求,确保海上执法船只实现“于敌先发现,对峙力不弱”的基本局面6,必须对现有执法装备进行信息共享和融合应用,通过构建海上执法一体化平台,为海警船海上高效执法提供信息化支撑手段。2.1 执法平台系统结构 海上执法平台通过整合包括雷达、AIS、光电、监控、通信设备、执法设备等在内的各设备信息资源,构建一套一体化和综合化的应用平台,为多个业务部门提供综合信息服务,实现数据融合感知、态势综合呈现、违法智能预警和人员高效执法等多维能力提升,进一步提升船舶海上的综合执法能力。如图 1 所示,各设备的信息资源是执法平台信息融合的基础;应用平台是系统的技术核心,提供综合化的应用服务;用户是系统功能应用的最终服务对象,包括但不限于警务部门、情电部门、机电部门和航海部门。能力是本系统最终价值的体现,系统将着力于提升数据融合、态势掌控、综合显控、智能预警和电子取证等多维能力。2.2 执法平台软件架构 执法平台的软件架构分为数据采集、融合处理、执法设备控制、终端显示和终端管理,如图 2 所示。其中,融合处理层主要包括流媒体服务模块、多传感器信息融合模块、交互显示模块、执法设备控制、辅助决策模块、数据处理模块。其他软件的主要功能如图2 所示。2.3 执法平台数据架构 通过对已有设备的动态感知数据、光电和视频监视系统的实时采集数据以及长期积累的历史数据、各预警模型的静态数据全量整合,构建一个逻辑的数据48第 17 期2023 年 9 月无线互联科技软件开发No.17September,2023图 1 执法平台系统结构图 2 执法平台软件架构资源池,形成执法平台的数据资源。系统的数据架构如图 3 所示,分为 3 个层次:数据资源、数据处理、数据服务。2.3.1 数据资源 数据资源是系统业务应用的基础,主要包括各类感知设备获取的动态数据、静态数据。2.3.2 数据处理 数据处理是系统业务功能实现的技术手段,主要包括数据汇集和数据分析。数据汇集是将所有的数据进行协议转换、数据清洗、数据融合、数据关联的过程。在此基础上进行数据分析,包括行为分析、轨迹分析、图像分析、模型比对等。2.3.3 数据服务 数据服务是系统业务应用的展现,基于汇集整合的数据资源以及数据分析的成果,对目标提供异常预警、联动追击、联动取证等应用,并按需为业务系统提供数据共享等服务,包括态势呈现、资源分布、GIS 服务。3 主要应用技术3.1 多源信息融合 多源信息融合是指包含多个相同体制或不同体制信息源的一种多接入信息的融合处理方法。通常图 3 执法平台数据架构定义为:通过对多个传感器产生的数据进行采集、解析、关联等多级操作,从而得到监测目标的精确状态、身份估计以及完整、及时的态势评估的过程7。如图 4 所示,在海事领域的多源信息融合是指不同体制、不同功能的感知设备和助导设备(如导航雷达、搜索雷达、AIS 设备、ADS-B 设备、光电取证设备等)的监视数据通过时空校准、杂波抑制、数据关联和数据融合等多技术综合运用,实现周边海域和空域立体监视,向用户提供覆盖船舶、空中目标的周边融合态势信息,满足全域目标的探测要求。图 4 多目标信息融合3.1.1 时空校准 时间校准一般是通过外推和内插的方法进行8,将多个传感器 t1、t2时间点的异步测量数据转化为融合时刻 ti的同步数据,便于进一步数据处理。空间校准指将各传感器上报的以各传感器为中心的极坐标数据进行坐标变换,转换到地理经纬度坐标系,最后统一到以融合或数据处理中心为原点的坐标系实现。如 AIS 通过 GPS 接收机或北斗接收机接收经纬度位置信息,然后确定位置信息。GPS 采用国际通用的 WGS-84 坐标系,北斗采用 CCS2000 坐标系。而导航雷达通过反射微波脉冲探测目标的距离和方位,以此得到在极坐标下目标的位置信息5。因为采取的58第 17 期2023 年 9 月无线互联科技软件开发No.17September,2023是不同的坐标系,在融合的过程中,需将两个坐标系下的目标信息转换到同一坐标系下。3.1.2 杂波抑制 对于海域环境,观测背景中大部分为海水,回波信号的杂波主要是海杂波,相对地面、高空等其他一些杂波,海杂波是最为复杂的一种波形。它主要受风的方向、风速大小、天气状况等自然因素的影响9。使用自适应门限对杂波进行抑制,可对海浪、雨雪等杂波进行自动抑制。3.1.3 数据关联和数据融合 由于各传感器采集的信息在时间、空间和粗细颗粒度级别等方面均不相同,需要判断来自不同传感器的信息是否属于同一目标。把来自不同传感器和信息源的数据加以联合、相关和组织,以获得跟踪目标的精确状态和估计8。数据关联融合的方法较多,包括加权法、序贯法、修正法、K 邻域法、统计聚类法等。3.2 船舶图像识别 视觉感知能够克服雷达、AIS 等设备无法识别目标类型的缺陷,与传统的电子海图显示相比更为直观和立体。近年来,船舶识别和检测越来越多地应用到海上船舶目标的监测和跟踪,极大地提升了目标监测的价值10。利用已收集的船舶图片,对船舶图片添加船舶类型标注,利用 YOLOv4 CNN 算法建立船舶自动识别模型,并使用训练出来的模型实现对视频画面中的船舶进行船舶检测、船舶类型识别、船牌检测和船牌识别。目前 比 较 主 流 成 熟 的 算 法 包 括 YOLOv4 CNN、OpenCV 等开源框架以及开源文字识别模型。3.3 船舶智能预警 目前,巡逻执法主要依靠执法人员长期积累的经验对周边船舶异常行为进行判别。随着人工智能技术的发展,人工智能技术在巡逻执法中的应用可辅助执法人员对走私、偷渡、非法捕捞、盗采海砂等多类违法行为的执法能力,提高执法效率。根据船舶执法维权任务需求,通过建立智能预警策略模型,自动对符合预警条件的船舶异常行为进行告警提示,辅助执法人员提升执法效率。可提供的基础预警模型包括:关闭 AIS 的行为模型、高速行驶的船舶行为模型、黑名单船舶预警模型、“三无”船舶模型、套牌船舶预警模型、伏季休渔期间违法捕捞船舶模型、非法海沙开采模型、重点区域违规闯入船舶模型、搭靠并行航行船舶模型、非本国船舶违规进入敏感区域模型等多类预警模型。4 结语 海警一体化执法系统是基于海洋监管、海洋执法等业务需求开发,是实现海上执法维权的重要手段,通过多传感器信息融合、船舶图像识别等技术实现对海上目标实时态势的立体监视,实现包括海上目标、空中目标等实时动态数据融合感知和综合态势呈现。通过建立周边船舶违法行为的智能预警模型,实现对违法行为的实时预警、目标跟踪和行为取证。系统可为船舶执法信息化建设提供参考,对提升执法船舶的执法效率具有较高的应用价值。参考文献1赵福波,谢新连,高成男,等.沿海巡逻执法船配置研究现状 J.大连海事大学学报,2014(4):42-48.2徐葆正.海警执法舰船功能分析J.航海工程,2008(6):128-130.3常会振,代国盛.E-航海在海警部队中的应用J.中国水运,2017(6):86-88.4童冬生,李宝字.海警法视域下的视频监控在海上犯罪现场勘查中应用J.中国水运,2022(12):27-29.5牛远征.海警船综合执法控制系统设计及实现D.南京:南京理工大学,2018.6黄胜波,嵇凯.新建海警执法船只信息的整合设计J.电子技术与软件工程,2018(4):257.7韩崇昭.多源信息融合M.北京:清华大学出版社,2006.8高龙,康关玲.面向低空监视的多源信息融合技术关键问题研究J.制导与引信,2017(1):42-47.9王小轲.岸基对海多雷达信号级融合检测算法研究D.杭州:杭州电子科技大学,2017.9林化琛,郑佳春,黄一琦,等.海域多要素感知观测与预警关键技术J.航海,2020(2):39-42.10甘兴旺,魏汉迪,肖龙飞,等.基于视觉的船舶环境感知数据融合算法研究J.中国造船,2021(6):201-210.(编辑 王雪芬)Design of integrated law enforcement system based on information fusionCao Ying1 Liu Yunlong2 Zhang Ruiying1 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 applications68