港口无人区人形入侵智能识别报警系统
沈汝超1，姜军2
（1.上海国际港务（集团）股份有限公司，上海，200080；2.上海海事大学，上海，201306）
摘要：为提高港口安全生产智能化、科学化管理水平，降低港口安全管理成本，利用模式识别、图像处理、计算机视觉技术、人工智能技术等高新技术，研发港口无人区人形入侵智能识别报警系统。通过在港口无人区设置视频传感器，对人形入侵进行智能检测、识别、报警，并通知监管人员及时处理。在多个港口的测试结果表明，该系统能够在港口复杂的作业工况和天气环境下，准确检测、识别监控区域内的人形入侵，并及时报警。
关键词：港口；无人区；人形入侵智能识别报警系统；图像处理；人工智能
0 引 言
随着全球经济贸易的发展，港口货物吞吐量也随之不断增长。港口经营管理者越来越重视港口内无人区人形入侵监控及安全问题，目前港口所采用的主流方案是在需要监控的区域安装监视器，由专人看守监视器。[1]以这种方式建立的无人区既需要专员全天候监控，又无法避免因专员工作疲劳引发的安全疏漏。在现实需求和技术可行的前提下，研发一套更为有效的港口无人区人形入侵智能监控系统是非常有必要的。
人体运动的视觉分析是近年来计算机视觉领域备受关注的前沿方向。[2]从技术角度而言，人体运动分析的研究内容相当丰富，主要涉及模式识别、图像处理、计算机视觉、人工智能等学科知识。同时，动态场景中运动的快速分割、人体的非刚性运动、人体遮挡和目标之间互相遮挡的处理等也给人体的运动分析研究带来一定的挑战。[3]
目前，市场上大多数的智能监控系统主要通过动态捕捉、图形对比、图像分析来识别不同物体。[4]在本系统中，对静态图像应用小波算法提取特征向量、动态帧差分、多帧组合、步态特征和简单头肩不变矩等，并结合支持向量机分类算法，在同等设备支持下可实现对人体和其他物体的区分识别。
1 系统架构
1.1 硬件架构
港口无人区人形入侵智能识别报警系统的硬件结构主要由高速视频网络高清摄像机、安装平台（包括摄像头支架、镀锌露天灯柱、户外防水外挂灯杆箱等）、用来显示监控画面和进行简单操作的服务器、PLC等4个部分组成，见图1。
高速视频网络高清摄像机多角度、多方位地实时扫描现场监控区域，后台服务器对摄像机拍摄的图形进行自动检测，一旦检测到物体出现，立即启动人形识别模块，判断此物体是否为人类形状。一经判断结果为人形，则摄像机立刻将人锁定，启动智能跟踪系统，并发出警报。
服务器以直观的图像进行全面综合的监视，系统操作者可根据需求执行区域缩放、停止广播警告等操作，实现实时、智能、可靠的远程监控。
1.2 软件架构
港口无人区人形入侵智能识别报警系统是基于人工智能人形识别算法自主研发的，系统的整体架构主要有人形识别模块、通信模块、报警模块和操作界面模块等4个部分。系统软件结构示意图见图2。
人形识别模块用于接收、解析、判断流量数据，并生成报警信号，主要包括参数设定、数据接收、数据处理、信号生成等。通信模块用于传输各种流量数据和信号，主要包括监视器数据、脉搏信号、报警信号、启动信号等。报警模块对人形识别模块发出的报警信号做出反应，主要包括启动区域放大、启动警灯、启动警铃、启动广播等操作。操作界面模块进行全面综合的监视，以直观的图像加以展示。
系统软件组成见表1。
2 系统工作流程
系统的工作流程分为摄像机视频实时扫描和报警程序流程、计算机故障报警和历史报警记录自动管理程序流程。
2.1 摄像机视频实时扫描和报警程序流程
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步骤1：计算机实时扫描所有摄像机视频画面，判断视频画面中是否有物体出现；一旦某个摄像机画面中有物体出现，计算机产生预警信号，并保存该摄像机编号，之后进入判定程序。
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步骤2：计算机执行判定子程序，即将出现在视频画面中的几何轮廓与已存储在数据库里的人形特征进行比较（不变矩的实时人形识别），判断特征是否匹配。
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步骤3：如果判定出现的物体几何形状与人形特征不匹配，为非人形，则返回主程序，继续对视频画面进行扫描；如果两者匹配，则计算机产生报警信号，进入报警程序。
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步骤4：计算机执行故障报警子程序，控制警报灯和警报铃的电子开关闭合，警报灯闪烁，警报铃声响起；实时记录程序也开启，记录报警时间、报警摄像机位置。
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步骤5：计算机执行摄像机画面控制子程序，根据先前存储的摄像机编号，将全屏指令自动发送给某报警摄像机，此时报警视频画面将自动全屏。
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步骤6：计算机等待人工指令，包括人工图像处理和控制指令、警报解除指令、自动广播指令等，不同的指令对应不同的子程序。
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步骤7：待警报解除后，控制警报灯和警报铃的电子开关关闭，警报灯闪烁解除，警报铃声停止；计算机执行延时程序（n min，可自定义）后重新执行扫描程序，继续扫描。
2.2 计算机故障报警和历史报警记录自动管理程序流程
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步骤1：计算机在开启主程序时，同时启动故障监控子程序，目的是确认系统各功能部件能否正常运行。
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步骤2：故障监控子程序实时监控摄像机的数据传输、计算机与报警系统之间的双向信息传输。若信息通道的数据传输正常，则系统通信正常；若某个信息通道中断或数据丢失，故障监控子程序记录通道位置，并执行故障报警子程序。
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步骤3：在故障报警子程序中，首先判定出现故障的通道位置，然后闭合控制报警灯和报警语音的电子开关，例如1号摄像头通信中断，报警语音发出“1号摄像头通信故障”声音。若所有信息通道均中断，报警语音发出“系统通信故障”声音。
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步骤4：若计算机故障监控子程序向故障报警子程序发送“握手”信号，故障报警子程序没有回应，则多线报警系统出现故障，计算机发出文字提示或声音提示。
计算机历史报警记录自动管理程序在主程序每次执行完故障监控子程序后自动执行，自动判断每条历史报警记录的存储时间，并同步与设定的阈值进行比较。若记录存储时间超出设定阈值，则自动删除该条记录及其所有相关数据；反之，则继续保留该条记录。
系统工作流程见图3。
3 应用效果
港口无人区人形入侵智能识别报警系统的应用能大幅降低港口现场设备操作人员和远程监控管理人员的劳动强度，监管人员不再仅凭肉眼对无人区进行监控管理，而由计算机识别系统自动检测报警，监管人员只需根据报警提示远程干预管控，并可回溯查看监控历史进行追责。港口无人区人形入侵智能识别报警系统不仅能够提升港口相关无人区的作业效率，而且能够降低监管人员的劳
动强度，减少安全隐患。
目前，该系统已应用在散货码头门机作业区、集装箱码头正面吊作业区等多个港口场景。应用结果表明系统能在港口复杂的作业工况和天气环境下，准确检测人形并及时报警，人形检出识别率可达98%及以上。
系统在各码头的应用情况见图4。
4 结 语
港口无人区人形入侵智能识别系统利用模式识别、图像处理、计算机视觉技术等高新技术，实现港口无人区人形入侵智能检测识别和报警功能。应用该系统可进一步提升港口安全生产的科学管理水平，降低港口营运成本，提高港口科技水平和整体竞争力。
参考文献
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赵新华,郝阳,刘洋,等.红外报警系统设计[J].应用科技,2013,40(2):47-52.
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陈磊.视频图像中的运动目标检测算法研究[D].长沙:湖南大学,2007:1-6.
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王津生.运动图像序列中人体关节点的提取与跟踪[D].天津:河北工业大学,2004:1-7.
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刘治红,骆云志.智能视频监控技术在哨位安全威胁智能识别中的应用[J].兵工自动化,2011,30(7):82-85.
