一、概述
物聯網技術的重要基礎和核心是網際網路，它通過各種有線和無線網路與網際網路融合，將物體的信息實時、準確地傳遞出去。它具有網路化、智慧型化和感知控制物理實體的特點。因此，已被很好地套用於陸上交通的諸多領域。目前，陸上智慧型交通系統的套用主要在以下幾個方面：交通信息服務系統、交通管理系統、公共運輸系統、車輛控制系統、計程車安防、運載工具操作輔助系統、交通基礎設施技術狀況感知系統、貨運管理系統、電子收費系統和緊急救援系統等。
本文將重點介紹物聯網技術在水上交通領域——航政管理方面的套用。文章以“蘇南運河無錫段感知航道信息化”項目為支撐，該項目由江蘇省交通運輸廳航道管理局、無錫航道處、思創數碼科技股份有限公司共同合作，旨在對蘇南運河無錫段，運用物聯網技術對航道交通設施管理、船舶交通量觀測統計、航道的船舶密度、水位等狀況獲取實時信息，形成了一個完整的“感知航道”信息化系統。
二、Zigbee技術的規模套用
ZigBee技術是一組基於IEEE 802．15．4無線標準研製開發的有關組網、安全和套用軟體方面的通信技術，它具有短距離、複雜度低、功耗低、數據速率低、成本低的特點。以其經濟、可靠、高效等優點在物聯網技術中有著廣泛的套用。
套用於蘇南運河無錫段39.276公里的Zigbee無線感測系統，包括網路節點及後台管理系統，對蘇南運河無錫段實現了無線感測網的全覆蓋。系統中的無線感測器網路包括sink節點、中繼節點、標誌標牌狀態感知節點、水位節點、可變情報板控制節點、移動監測節點等。
系統在蘇南運河無錫段航道沿岸每隔約2公里左右，設立一個監控鐵塔，並以此監控鐵塔作為基幹點，建立一個覆蓋蘇南運河無錫段的有線光纖基幹網路。以每個基幹點為中心，組成一個由Zigbee技術構成的自組織、低功耗的無線自組織網路。形成了覆蓋整個運河航道臨岸區域的無線感測網。所有部署在航道兩岸的各種感測設備，將採集到的數據，通過無線感測網路以無線方式傳輸到最近的監控鐵塔，經有線光纖基幹網路傳回指揮中心。實現了運河近域的無線感測網覆蓋和感測器熱插拔；實現了對航道兩岸的標誌標牌的傾倒、移動及被盜等情況的實時回響和視頻現聯動；實現了對航道水位的實時檢測及回傳。同時，航道的實時狀況信息也通過無線感測網路，發布於可變情報板上。
感測網路示意圖三、雷射感測器的套用
船舶交通量是指單位時間內通過水域所有船舶的數目、方向、船隻類型、船速、總噸位和實載貨量，是表征某水域水上交通狀況最基本的量。它的大小直接反映了水域中船舶交通的規模和繁忙程度，並在一定程度上反映了該水域船舶交通的擁擠和危險程度。如何自動獲取船舶交通量數據是水上交通的重點研究課題之一。
為了實現對船舶交通量的檢測，須藉助各種不同的信息採集設備和檢測手段。目前，國內檢測船舶交通量數據的獲取主要有以下幾種方式：雷達成像系統、視頻監控系統、紅外成像系統、AIS系統以及人工統計。上述檢測手段雖然在一定程度上實現了對船舶交通量的監測功能，但無論是在準確性還是在精度方面，都存在著一定的不足之處。因此，一套自動、實時、全天候、精確地檢測船舶交通量的監測系統，是目前整個內河航道系統的普遍需求。
雷射感測器是利用雷射對目標的距離進行準確測定的儀器。雷射感測器在工作時向目標射出雷射，由光電元件接收目標反射的雷射束，計時器測定雷射束從發射到接收的時間，計算出雷射器到目標的距離，再通過坐標系轉換等處理，實現對船舶數據的實時獲取。
與傳統的測量手段相比，雷射感測器具有速度快、實時性強、成本低、獲取數據精度高、可全天候工作等優點。雷射感測器採集到的是深度圖像，與傳統的視覺圖像相比，具有以下優勢:
1. 不受光照射條件影響，對光線沒有要求。
2. 受場景中介質的種類、紋理影響小。對於介質灰度較統一、紋理基本一致的環境仍有很好的採集效果。
3. 直接反饋目標的三維空間信息，便於建立位置對應關係。
全天候的雷射感測船舶交通量觀測系統由數據採集子系統、數據處理子系統和輔助子系統三個部分組成。
系統組成示意圖1. 數據採集子系統
數據採集子系統中的雷射感測器的工作原理不同於傳統的點測雷射感測器，它通過自身雷射頭的旋轉，對物體進行短時間的線掃描，從而實現對被測物截面的二維掃描。
2. 數據處理子系統
系統中雷射感測器和計算機之間數據的傳遞是雙向的，計算機接收雷射感測器的測量數據，雷射感測器接收計算機設定好的感測器的配置數據，二者的數據均通過串口進行傳送。
雷射感測器回傳的測量數據，在伺服器端經過三維空間數據還原、數據融合、數字成像、多元回歸模型和多簇群圖形分析等模組的處理後得出船舶的交通量數據。
3. 輔助子系統
1）電源：感測器的工作電壓為24V，穩壓電源可為系統提供穩定、持續的電源。
2）設備安裝支架：將雷射感測器設備固定在橋樑一側的固定支架懸掛系統，雷射感測器被安放在固定支架上。
3）信號傳輸線路：用於雷射感測器和計算機之間的信號傳輸。
在二維雷射感測器獲取船舶外型空間數據的基礎上，通過多元感測的數據融合、數字成像、多元回歸及多簇群圖形分析等，在套用圖形學、套用數學的原理上，建立一個具有實用價值的船舶交通量智慧型分析和推演模型，從而實現對交通量的檢測。
全天候雷射感測船舶交通量觀測系統的套用，改變了目前以人工抽樣為主的交通量推算方式，對多點全天候的船舶交通量進行自動統計。為內河航道交通提供了準確的船舶交通量數據，在系統分析計算模組的支持下，實現對內河航道船舶流量的有效監控和計量。藉助該系統所採集的全天候交通流量數據，為內河航道的整體分析和規劃提供科學依據。
四、視頻圖像的智慧型識別
在物聯網的世界裡，所有感知設備相連，形成了一個多觸角的感知網。感知設備不但需要能感覺，更進一步的是要能辨別和智慧型分析，把物聯網從普通的感測和傳輸上升到智慧型化的層面，並將智慧型分析後得到的信息傳輸給後端的指揮調度中心以供決策。
蘇南運河無錫段通過設定視頻監控點，不僅對整個航道實現了全覆蓋的視頻監控，更重要的是，通過對獲得的視頻圖像採用了智慧型識別和分析技術，實現了對航道在航船舶的密度、船舶違章停靠、航道沿岸的非法建設和在建設施等方面的實時監管。
1. 感知航道船舶密度
系統通過對視頻圖像的智慧型識別，經過計算機的統計和推演，獲得船舶密度的漸近演變， 可自動分析每一航段的船舶動態密度。在船舶密度增大到一定量的時候，啟動應急預警管理系統，發出航道擁堵預警信號並及時採取防止航道堵塞的干預監管措施。在航道發生突發事故時，通過船舶交通導流告示板及時提醒和告知船主。
2. 非法建設的監管
對於航政管理部門來說，臨跨過河建築物的監管是一項極其重要的工作。及時發現非法建設行為，可以制止違章建設對航道的穩定及通航條件造成的不利影響。
利用圖像對比技術對航道設施進行監控與預警，採用新舊圖像對比法，對違法行為進行識別與預警。系統通過對警戒區域內基準圖像的設定，用採集的圖像與基準圖像進行對比。如果採集的圖像與基準圖像不一致，則系統判定為警情。
3. 在建設施的監管
對經航政部門審批同意的臨跨過河設施的建設，系統將定期存檔監管視頻。在設施建設開工之前，系統啟動定期監管程式，選擇距離建設設施最近的監控視頻近焦拍攝，根據預約設定，定期對設施的建設情況進行拍攝並自動存檔。
4. 船舶違章停靠的監管
採用非法建設監管方式類似的方法，通過靜態圖像對比技術可實現對違章停靠、違章實施裝卸作業的船隻進行監管，避免非法裝卸對駁岸的侵占，影響航道通行安全。此監控與非法建設監控的差別在於監控頻率的不同。對於非法建設，每隔半天或每天自動識別一次。而對於非法裝卸的監控，則至少需要每小時自動識別一次。
在禁止拋錨區域，對違章停靠船舶的監管是利用運動目標識別技術進行自動識別和報警。採取的方式是：劃定警戒區域。在警戒區域中，任何船舶的行進速度趨向靜止，則系統認為是船舶違章停靠。
運動目標識別技術也被用於對損毀駁岸違章停靠船舶的監管。違章停靠船舶對駁岸損毀的識別，是沿航道設定警戒線，當船舶靠近警戒線達到一定距離時，系統認為船舶可能會對駁岸造成損毀。
當系統發現有上述情況發生時，會自動調用最近的監控攝像頭進行特寫拍攝，供管理人員進行確認和遠程拍攝取證。
五、結束語
物聯網技術雖然已經在國內交通領域實現了諸多的套用，但依然是一個新生事物，必須結合行業的特點開發出不同的套用或服務產品。由於物聯網本身的技術特性，決定了它可以很好地融入智慧型交通領域。隨著物聯網技術的深入發展和水上智慧型交通的建設投入，物聯網在水上交通領域必將會呈現出種類繁多的行業套用，水上交通智慧型化的程度也將會迎來一個質的飛躍。
