一种融合多种数据源的船舶自动识别监控方法及监管系统

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一种融合多种数据源的船舶自动识别监控方法及监管系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种融合多种数据源的船舶自动识别监管系统及其方法，具体是融合了来自于RFID、视频图像和激光三种技术数据源的船舶自动识别监控方法及监管系统。\n背景技术\n[0002] 水上交通运输作为一种古老的方式，由于其运量大，能耗低，污染少等优点，近年来越来越引起人们的关注和重视。如何改善水上交通状况，降低船舶交通事故的发生率，受到海事机构和港航部门的高度重视，许多专家、学者也进行了大量的研究。目前，为了提高船舶航行的安全性，相关部门加强了对船舶监管力度，而首先要解决的问题是如何对在航船舶的交通量进行实时监测，尤其是对船舶流量的监测。现有的船舶监测技术受到许多因素的限制，在应用中尚存在许多不足之处，在多数情况下还不能实现准确、全天候的船舶自动监测，因此迫切需要新的可行的技术来解决船舶类型、船长、船宽、船速、吃水、总吨位、实载货量的监测问题。\n[0003] 中国专利号ZL 201220683562.7在2013年6月26日公开了一种监测内河航道船舶交通量的系统，其是基于岸基的主动扫描检测，以激光测量为手段，船舶特征识别为基础，对激光传感器采集的数据进行数学分析和计算，以实现对船舶的类型、船长、船宽、船速、吃水、总吨位、实载货量等数据的不间断监测，该技术解决的是船舶的实际物理属性，但是不能确定船舶身份。\n[0004] 虽然目前已经有多种方式可以实现船舶的离岸身份识别（如GPS，AIS、RFID）。离岸身份识别技术可以离岸识别船舶身份，进而能够获取船舶的登记尺度（包括船舶的长度、宽度、吨位等），但不能确定船舶的真实尺度，给检管带来了极大的不便，无法保障船舶的航向以及通行的安全监管，易导致证照不符和超载等不安全隐患现象的发生。\n发明内容\n[0005] 针对现有技术上存在的不足，本发明目的提供一种提供融合了来自于RFID、视频图像和激光三种技术数据源的船舶自动识别监控方法及监管系统，对于内河航道中船舶的身份、物理尺寸、航行状况及运载货物等实际情况建立唯一的抽象数据描述，实现航道和海事等部门全面、实时、有效的监管在航船舶，为其综合管理提供元数据支持。\n[0006] 为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：\n[0007] 一种融合多种数据源的船舶自动识别监控方法，其方法步骤如下：\n[0008] （1）激光扫描；当船舶驶进入激光检测区域时，激光传感器启动，扫描激光检测区域内船舶船头部位；\n[0009] （2）触发RFID系统读取船舶射频标签信息以及拍摄视频图像；当激光传感器扫描到船头部位时，触发最靠近激光检测区域的RFID系统和摄像机运行，RFID系统触发岸基RFID阅读器进行扫描，当RFID阅读器获取船舶标签ID，进入步骤（3）；否则进入步骤（6）；\n同时，前端工控机分别控制摄像机进行对激光检测区域船舶拍摄照片；\n[0010] （3）岸基RFID阅读器与船舶建立匹配关系；岸基RFID阅读器获取船舶标签ID后，与船舶建立匹配关系，获取激光检测区域内激光扫描的被测船舶标签ID；\n[0011] （4）激光采集船舶信息；当船舶驶离激光检测区域时，激光传感器扫描船舶并采集船舶数据信息，并将船舶信息发送给前端工控机，前端工控机实时获得该船舶的长宽、吃水、航速、航向和实际载重吨位；\n[0012] （5）被测船舶数据信息的判断；对完成匹配的被测船舶，根据激光传感器采集的被测船舶数据信息与RFID阅读器阅读的被测船舶标签ID数据信息相对应的数据进行对比，判断RFID阅读器阅读的被测船舶标签ID数据信息是否真实信息；\n[0013] 当激光传感器和RFID阅读器所采集的被测船舶相对应的数据信息之间的偏差率小于或等于预设阈值时，则认定激光传感器测量出的数据与RFID阅读器记载的被测船舶数据为一致的，此时，以RFID阅读器记载的被测船舶数据来作为统计数据，以提高船舶参数观测的精度；\n[0014] 当激光传感器和RFID阅读器所采集的被测船舶相对应的数据信息之间的偏差率大于预设阈值时，则认定激光传感器测量出的数据与RFID阅读器记载的被测船舶数据之间至少有一个数据为不真实数据，则生成告警信息，进入步骤（6）；\n[0015] （6）实时告警，信息推送；摄像机拍摄后图像数据将与激光扫描的船舶数据相关联，船舶身份和船舶物理属性建立明确关系后，图像数据作为直观的现场情况记录，以图像数据做对比核对测量结果是否为真实数据；当存在大船小证、证照不符的情况，实时生成告警信息，并推送给现场管理人员，以便管理人员人工核查或派人员上船稽查，以现场测量被测船舶的数据信息为真实数据作为统计数据。。\n[0016] 所述步骤（3）中，所述岸基RFID阅读器与船舶建立匹配的方法为：\n[0017] 将激光传感器的位置换算为世界标准坐标，然后结合被测船舶反射激光信号的角度、距离，计算出船舶相对于激光传感器的偏移量，从而获得激光感知体系中的被测船舶的坐标信息；\n[0018] 将RFID阅读器的位置换算为世界标准坐标，当读取到船舶的有效RFID标签信息时，根据激光传感器获得激光感知体系中的被测船舶的坐标信息，RFID系统通过AGC（Automatic Gain Control，自动增益控制）进一步的缩小RFID阅读器的射频覆盖范围，并将读取到的最终被测船舶标签ID信息的功率数值转换为射频覆盖半径，从而确定被测船舶相应世界坐标的范围；然后RFID阅读器获得被测船舶信息与激光感知体系中的船舶信息进行匹配。\n[0019] 所述步骤（3）中，在RFID阅读器获得被测船舶信息与激光感知体系中的船舶信息进行匹配前，如果RFID阅读器扫描的激光检测区域内只有一条船舶的RFID标签，则RFID阅读器获得被测船舶信息与激光传感器测量出的数据建立匹配关系；\n[0020] 如果RFID阅读器扫描的激光检测区域内有多条船舶的RFID标签，则利用上下游RFID阅读器的数据，确定船舶航向，如果激光检测区域内同向船舶只有一条，则RFID阅读器获得船舶数据与激光传感器测量出的数据进行匹配；\n[0021] 如果激光检测区域有多条同向船舶被检测出，同时该激光检测区域存在多条船舶的RFID标签，则需要根据下个监测点，或者利用内河船舶的相对固定性，多次识别匹配。\n[0022] 所述步骤（5）中，被测船舶相对应的数据信息为船舶的长宽、吃水、航速和载重吨位。\n[0023] 所述步骤（2）中，当上行被测船舶头部在摄像机摄像标志位，被激光器发射的激光切到时，前端工控机分别控制两个摄像机进行对被测船舶拍摄照片；\n[0024] 当下行被测船舶尾部在摄像机摄像标志位，被激光器发射的激光切到时，前端工控机分别控制两个摄像机进行对被测船舶拍摄照片。\n[0025] 所述步骤（5）中，所述偏差率为激光传感器和RFID阅读器所采集的被测船舶相对应的数据信息之间的差值，与激光传感器所采集的被测船舶相对应的数据的百分比值；所述预设阈值为5%～10%。\n[0026] 一种利用上述监控方法的融合多种数据源的船舶自动识别监管系统，其特征在于，其包括多个监控站点以及通过局域网与多个监控站点通讯的数据中心室以及用于监管系统实时监测状态的监控客户端和用于数据汇总显示、统计分析处理的业务客户端；所述监控站点包括：\n[0027] 多个激光传感器，用于船舶扫描；\n[0028] 多个RFID阅读器，用于激光传感器扫描后对被测船舶射频标签的读取；\n[0029] 一前端工控机，用于激光数据的处理、RFID数据的读取和匹配；\n[0030] 多个摄像机，用于激光传感器扫描后拍摄被测船舶照片，提供图像取证和船舶装载货物的物种识别；\n[0031] 所述摄像机、激光传感器和RFID读卡器均与前端工控机相连接，所述数据中心室、监控客户端和业务客户端均通过局域网与前端工控机相通讯。\n[0032] 进一步的，所述数据中心室包括主服务器和用于提供主服务器调用的数据库；所述主服务器包括数据处理服务器，吨位计算服务器，数据存储服务器和统计分析服务器；根据所部署的流量监测点数据，可选择四种服务器角色分开部署或在一台服务器上部署四种角色。所述监控客户端连接主服务器，用于监管系统实时监测状态。\n[0033] 作为优选，所述激光传感器和摄像机均设置有两台；所述RFID阅读器设置有三台，其中包括最靠近激光检测区域并可被动触发的第一RFID阅读器和两台分布在上下游并以固定周期主动获取RFID标签的第二RFID阅读器，便于使用和监管。\n[0034] 作为优选，所述船舶信息为船舶的长宽、吃水、航速、航向和实际载重吨位信息。\n[0035] 本发明通过上述系统和监管方法，能够对于内河航道中船舶的身份、物理尺寸、航行状况及运载货物等实际情况建立唯一的抽象数据描述。实现航道和海事等部门全面、实时、有效的监管在航船舶，为其综合管理提供元数据支持。保障船舶的航向以及通行的安全监管，避免证照不符和超载等不安全隐患现象的发生。\n附图说明\n[0036] 下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；\n[0037] 图1为本发明的融合多种数据源的船舶自动识别监管系统的物理拓扑图；\n[0038] 图2为本发明的船头进入检测区示意图；\n[0039] 图3为本发明的船身进入检测区示意图；\n[0040] 图4为本发明的船尾进入检测区示意图；\n[0041] 图5为本发明的摄像机摄像检测示意图；\n[0042] 图6为本发明的监控页面展示效果图；\n[0043] 图7为本发明拍摄船舶的效果图；\n[0044] 图8为本发明拍摄船舶侧面的效果图；\n[0045] 图9为本发明融合多种数据源的船舶自动识别监管系统船舶识别匹配过程示例。\n具体实施方式\n[0046] 为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。\n[0047] 参见图1，本发明是融合了来自于RFID、视频图像和激光传感器三种技术数据源的船舶自动识别监控方法及监管系统。该系统是基于岸基的主动扫描检测，以激光测量为手段，船舶特征识别为基础，对激光传感器采集的数据进行数学分析和计算，以实现对船舶的类型、船长、船宽、船速、吃水、总吨位、实载货量等数据的不间断监测，并通过检测确定船舶身份。整个系统由监控站点和数据中心室两大部分组成；其具体包括：其包括多个监控站点以及通过局域网与多个监控站点通讯的数据中心室以及用于监管系统实时监测状态的监控客户端和用于数据汇总显示、统计分析处理的业务客户端。\n[0048] 本实施例中，监控站点包括两台激光传感器、三套RFID读卡器、一台前端工控机、两台摄像机。其中，RFID阅读器；\n[0049] RFID又名无线射频识别技术，是非接触式自动识别技术的一种，即通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标加以识别，被广泛应用于工业自动化、商业自动化、物流供应链等领域。\n[0050] 通过在激光检测区域的航道一侧相隔架设三套有源RFID阅读器，解决RFID数据的无向性。最靠近激光检测区域的第一RFID阅读器可以被动触发，另两台分布在上下游的第二RFID阅读器以固定周期主动获取RFID标签。\n[0051] 本实施例中，两台激光传感器1、三套RFID读卡器2、一台前端工控机4和两台摄像机3之间都通过RJ45网络线连入局域网，摄像机、激光传感器和RFID读卡器均与前端工控机相连接，所述数据中心室、监控客户端8和业务客户端9均通过RJ45网络线与前端工控机4相通讯。两台激光传感器1用于船舶扫描，前端工控机4用于激光数据的处理、RFID数据的读取和匹配。\n[0052] 数据中心室包括主服务器6和用于提供主服务器6调用的数据库7；主服务器6包括四种服务器角色：数据处理服务器，吨位计算服务器，数据存储服务器和统计分析服务器；根据所部署的流量监测点数据，可选择四种服务器角色分开部署或在一台服务器上部署四种角色。所述监控客户端连接主服务器内的数据处理服务器，用于监管系统的实时监测状态；业务客户端9用于数据汇总显示、统计分析处理。\n[0053] 本实施例的实现上述系统的监管方法，其实现过程如下：\n[0054] （1）激光扫描；当船舶驶进入激光检测区域时，激光传感器1启动，扫描激光检测区域内被测船舶船头部位；\n[0055] （2）触发RFID系统读取船舶射频标签信息以及拍摄视频图像；当垂直于水面的激光传感器1扫描到船头部位时，触发最靠近激光检测区域位于岸基的第一RFID读卡器和摄像机3运行，岸基的第一RFID阅读器进行扫描，当第一RFID阅读器获取被测船舶5的标签ID，进入步骤（3）；否则进入步骤（6）；同时，前端工控机4分别控制摄像机3进行对激光检测区域船舶拍摄图像照片，作为直观的现场情况记录。\n[0056] 参见图6至图8，视频图像技术用于图像取证和船舶装载货物的物种识别。当上行船舶头部在1号标志位，被激光器发射的激光切到时，前端工控机分别控制两个摄像机进行拍摄照片（船队为图片和视频）；当下行船舶尾部在1号标志位，被激光器发射的激光切到时，前端工控机分别控制两个摄像机进行拍摄照片（船队为图片和视频）。这样可以保证无论船舶是何航向，都能在最好的位置拍摄到船舱照片和船舶全貌。拍摄后图像将与激光扫描的船舶数据相关联。船舶身份和船舶物理属性建立明确关系后，还需要图像数据作为直观的现场情况记录。\n[0057] （3）岸基RFID阅读器与船舶建立匹配关系；岸基的第一RFID阅读器获取被测船舶5的船舶标签ID后，与船舶建立匹配关系，获取激光检测区域内激光扫描的被测船舶标签ID；所述岸基的第一RFID阅读器与船舶建立匹配的方法为：\n[0058] 将激光传感器的位置换算为世界标准坐标，然后结合被测船舶反射激光信号的角度、距离，计算出船舶相对于激光传感器的偏移量，从而获得激光感知体系中的被测船舶的坐标信息；\n[0059] 将RFID阅读器2的位置换算为世界标准坐标，当读取到船舶的有效RFID标签信息时，根据激光传感器获得激光感知体系中的被测船舶的坐标信息，RFID系统通过自动增益控制进一步的缩小RFID阅读器的射频覆盖范围，并将读取到的最终被测船舶标签ID信息的功率数值转换为射频覆盖半径，从而确定被测船舶相应世界坐标的范围；然后RFID阅读器获得被测船舶信息与激光感知体系中的船舶信息进行匹配，并按照以下匹配逻辑方法与激光感知体系中的船舶进行匹配：\n[0060] 1.如果此时该区域内只有一条船舶的RFID标签，则和激光传感器测量出的数据建立匹配关系；\n[0061] 2.如果此时有多条船舶的RFID标签，则利用上下游RFID阅读器的数据，确定船舶航向，如果同向船舶只有一条，也可以和激光传感器测量出的数据进行匹配；\n[0062] 3.如果船舶交通流量比较繁忙，激光检测区域有多条同向船舶被检测出，同时该区域存在多条船舶的RFID标签，则无法直接建立两者的匹配关系，需要依赖下个监测点，或者利用内河船舶的相对固定性，多次识别匹配。\n[0063] （4）激光采集船舶信息；当船舶驶离激光检测区域时，激光传感器1扫描被测船舶\n5并采集被测船舶5的数据信息，并将被测船舶5的数据信息发送给前端工控机4，前端工控机4实时获得该船舶的长宽、吃水、航速、航向和实际载重吨位。\n[0064] （5）被测船舶数据信息的判断；对完成匹配的被测船舶，根据激光传感器1采集的被测船舶数据信息与RFID阅读器2阅读的被测船舶标签ID数据信息相对应的数据进行对比，判断RFID阅读器2阅读的被测船舶标签ID数据信息是否真实信息；\n[0065] 当激光传感器和RFID阅读器所采集的被测船舶相对应的数据信息之间的偏差率小于或等于预设阈值时，则认定激光传感器测量出的数据与RFID阅读器记载的被测船舶数据为一致的，此时，以RFID阅读器记载的被测船舶数据来作为统计数据，以提高船舶参数观测的精度；\n[0066] 当激光传感器和RFID阅读器所采集的被测船舶相对应的数据信息之间的偏差率大于预设阈值时，则认定激光传感器测量出的数据与RFID阅读器记载的被测船舶数据之间至少有一个数据为不真实数据，则生成告警信息，进入步骤（6）；\n[0067] （6）实时告警，信息推送；摄像机拍摄后图像数据将与激光扫描的船舶数据相关联，船舶身份和船舶物理属性建立明确关系后，图像数据作为直观的现场情况记录，以图像数据做对比核对测量结果是否为真实数据；当存在大船小证、证照不符的情况，实时生成告警信息，并推送给现场管理人员，以便管理人员人工核查或派人员上船稽查，以现场测量被测船舶的数据信息为真实数据作为统计数据。\n[0068] 如图9所示，本发明的具体识别匹配过程实例：激光传感器1始终对监测水域进行扫描，并将扫描数据回送到前端工控机4，当被测船舶5进入激光传感器1的扫描范围中，激光传感器1的扫描数据将发生变化，前端工控机4对这一变化进行处理，判断是否这时航道中出现船舶。\n[0069] 当确认是船舶出现时，前端工控机4将同时启动3个进程：\n[0070] 进程一：记录在激光扫描系统中被测船舶出现的位置，并持续扫描被测船舶，以获得船舶多断面轮廓数据；\n[0071] 进程二：启动RFID阅读器2读取被测船舶RFID标签；\n[0072] 进程三：启动摄像头3拍摄被测船舶照片（或视频）。\n[0073] 进程一由激光器系统执行，并输出船舶的世界坐标和船舶特征尺度数据；\n[0074] 进程二由RFID系统执行，并输出船载RFID标签携带的船舶数据（根据不同的标签类型，标签信息可能包含船名号、船舶特征数据；也可能仅包含船舶ID标签号，此时需联结船舶数据库查询船名号、船舶特征数据等信息）；\n[0075] 进程三由摄像系统执行，并输出船舶照片或视频。\n[0076] 系统根据上述匹配逻辑方法，判断激光器扫描到的船舶信息和RFID读取到的船舶信息是否相吻合。当两类信息中的船舶特征数据偏差率在预设阈值内时，如偏差率在\n5%~10%，则以RFID中的船舶信息为准，并记入统计结果；若偏差超出预设阈值，则生成告警信息，推送给港航现场管理人员，以提示人工干预处理。\n[0077] 本发明通过上述系统和监管方法，能够对于内河航道中船舶的身份、物理尺寸、航行状况及运载货物等实际情况建立唯一的抽象数据描述。实现航道和海事等部门全面、实时、有效的监管在航船舶，为其综合管理提供元数据支持。保障船舶的航向以及通行的安全监管，避免证照不符和超载等不安全隐患现象的发生。\n[0078] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。