橋梁防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

任 慧，王 瑩，2，肖 剛，閆興非

(1．上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院，上海200240;2．桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004;3．上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院，上海200127)

1 引言

水運(yùn)交通的發(fā)展和橋梁的增多，導(dǎo)致越來越多的船橋相撞事故發(fā)生，給人民的生命財(cái)產(chǎn)以及環(huán)境和社會(huì)造成了極大的損害。2007年6月15日，一艘佛山籍運(yùn)沙船“南桂機(jī)035”行航經(jīng)325國(guó)道九江大橋時(shí)撞擊九江大橋橋墩，造成325國(guó)道九江大橋約200 m橋面坍塌，4輛汽車墜江，9人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到3億元人民幣。廣東九江大橋的后續(xù)評(píng)估、修復(fù)工作持續(xù)了1年時(shí)間［1］。具不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2011年底，我國(guó)主要通航河流上的橋梁已經(jīng)達(dá)到470多座，僅長(zhǎng)江上的大型橋梁達(dá)到53座，在建、待建及擬建的大橋橋梁133座(2005年10月交通部數(shù)據(jù))。因此對(duì)這些橋梁的通航環(huán)境進(jìn)行研究并采取防撞措施具有重大意義。

在我國(guó)橋梁防撞研究正處于起步階段，越來越多的橋梁被撞事故使得該研究的必要性和緊迫性日益顯現(xiàn)。本文提出以紅外/可見光/激光復(fù)合探測(cè)為主要手段并將探測(cè)到數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的橋梁防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)方案，可以滿足全天候、全天時(shí)、全自動(dòng)和穩(wěn)定可靠的防撞預(yù)警需求，該系統(tǒng)區(qū)別于被動(dòng)防船撞系統(tǒng)，具有易于安裝和維護(hù)、對(duì)環(huán)境影響小的特點(diǎn);區(qū)別于以雷達(dá)為主要傳感器的船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)，具有實(shí)時(shí)性、可靠性和成本低的特點(diǎn)。文中分析了現(xiàn)有的橋梁防船撞措施及其存在的局限性和主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)的工作原理，進(jìn)行了系統(tǒng)總體、硬件和軟件的方案設(shè)計(jì)，并開展了初步的實(shí)驗(yàn)研究和性能分析。

2 國(guó)外現(xiàn)有的橋梁防撞系統(tǒng)分析

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的橋梁防船撞系統(tǒng)主要包括船舶交通管理系統(tǒng)和被動(dòng)防船撞系統(tǒng)。

2．1 船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)

VTS(vessel traffic services)是利用AIS(automatic identification system)基站、雷達(dá)、CCTV(closed circuit television)、無線電話以及船載終端等通信設(shè)施監(jiān)控航行在港灣和進(jìn)出港口的船舶，并給這些船舶提供航行中所需的安全信息的一種系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可監(jiān)控船舶的航路脫離與否、行進(jìn)方向、速度、船舶相互交行等，以向船舶迅速地提供進(jìn)出港時(shí)所需的安全航行信息，是海事部門實(shí)施水上交通秩序管理的重要手段［2］。

目前用于沿海港口及水域的VTS中的雷達(dá)采用微波波段工作，以目標(biāo)前沿跟蹤和目標(biāo)重心跟蹤兩種方式工作。其缺點(diǎn)在于:①建立跟蹤的時(shí)間太長(zhǎng)，達(dá)一個(gè)天線掃描周期，不利于對(duì)港區(qū)機(jī)動(dòng)目標(biāo)快速建立穩(wěn)態(tài)跟蹤，因此無法適用于內(nèi)河航道水域下的船舶快速定位和跟蹤;②VTS用于兩船檢測(cè)和跟蹤的空間分辨率較低，目標(biāo)跟蹤混跡現(xiàn)象較嚴(yán)重，因此不適應(yīng)對(duì)交通密集的內(nèi)河航道水域目標(biāo)進(jìn)行跟蹤與預(yù)警。

2．2 被動(dòng)防船撞系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的橋梁防船撞設(shè)施大多是基于被動(dòng)式的設(shè)計(jì)，即采用不同的防撞裝置防止船舶撞擊力超過橋墩的承受能力，來保護(hù)橋梁的結(jié)構(gòu)安全。從通航橋梁被動(dòng)防船撞現(xiàn)狀看，被動(dòng)防撞主要限于碰撞事故的發(fā)生概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、碰撞力確定方法、碰撞后橋梁的動(dòng)力特性分析以及橋墩防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)安全等方面。目前國(guó)內(nèi)外采用的被動(dòng)防撞系統(tǒng)主要有附著式防撞系統(tǒng)、獨(dú)立式防撞系統(tǒng)、人工島防撞系統(tǒng)三類［3］。

被動(dòng)防船撞主要是保護(hù)橋梁安全，沒有考慮對(duì)船舶的保護(hù)。此外，被動(dòng)防船撞裝置對(duì)水域的通航能力和通航路線有一定影響。在水位變幅較大的情況下，被動(dòng)防撞裝置中浮式防撞裝置適應(yīng)性較好，但變坡度和變截面的橋墩結(jié)構(gòu)會(huì)使浮式防撞裝置安裝困難，原因是在水位升降過程中，內(nèi)鋼圍與橋墩的連接及滑軌設(shè)置較難解決，從而影響船撞力的傳遞，使裝置的防護(hù)能力不能有效發(fā)揮，同時(shí)滑軌存在養(yǎng)護(hù)和失效問題。

3 主動(dòng)防船撞系統(tǒng)工作原理

相對(duì)于VTS系統(tǒng)和被動(dòng)防船撞系統(tǒng)，視頻監(jiān)控技術(shù)監(jiān)視范圍廣，適用于內(nèi)河航道區(qū)域目標(biāo)的監(jiān)視;視頻傳感器等設(shè)備(例如攝像頭)易于安裝和調(diào)試，對(duì)設(shè)施不會(huì)產(chǎn)生破壞，且對(duì)通航水路的影響小;利用視頻可以采集到更多的參數(shù)，如目標(biāo)顏色、形狀、大小等［4］，所以本系統(tǒng)以視頻監(jiān)控技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行工作。

可見光視頻采集系統(tǒng)受光照、天氣等因素的影響較大，天氣條件不好(陰、霾、雨、霧、雪)或者夜間情況下，系統(tǒng)拍攝的目標(biāo)特征不明顯。紅外熱像儀是被動(dòng)接受目標(biāo)自身的紅外熱輻射，紅外線的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，克服雨、雪、霧的能力較高，因此可以在完全無光時(shí)對(duì)物體成像，也可以在濃厚的煙幕、云霧中探測(cè)船舶目標(biāo)［5］，然而紅外熱像儀所成圖像沒有紋理和顏色信息［6］。同時(shí)可見光傳感器具有硬件成本較低，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，紅外成像傳感器具有測(cè)溫度場(chǎng)、夜間連續(xù)觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，激光可以完成運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)速和測(cè)距的功能。所以本系統(tǒng)采用紅外、可見光及激光三類傳感器復(fù)合探測(cè)并將探測(cè)到的信息進(jìn)行融合的體制模式。

系統(tǒng)的原理如圖1所示。當(dāng)白天且天氣情況良好時(shí)，基于可見光傳感器采集的視頻數(shù)據(jù)和激光傳感器采集的距離、速度數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)視覺和自動(dòng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)進(jìn)行船舶的三維尺寸測(cè)量計(jì)算，同時(shí)對(duì)船舶目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤以及航跡預(yù)測(cè)，對(duì)超寬超高和有撞橋趨勢(shì)的船舶提前采用聲光進(jìn)行告警;在夜間或者能見度很低的情況下，將紅外和可見光圖像進(jìn)行融合，并綜合激光傳感器采集的船舶目標(biāo)距離和速度信息進(jìn)行船舶的三維尺寸測(cè)量和過橋位置預(yù)測(cè)。這種根據(jù)可見光采集的視頻信號(hào)清晰程度決定是否將采集的信息進(jìn)行融合的工作機(jī)制使系統(tǒng)具有計(jì)算量小、可靠性高的特點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig．1 working mechanism of the system

4 主動(dòng)防船撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 系統(tǒng)的功能要求及性能指標(biāo)

當(dāng)傳感器采集到現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)后，利用系統(tǒng)軟件模塊進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，對(duì)航行異常和三維尺寸超限的船舶進(jìn)行告警，告警后船舶進(jìn)行航跡自校正，當(dāng)自校正失敗后，采取外力干預(yù)改變航跡從而解除船撞橋威脅。

圖2 系統(tǒng)的功能流程圖Fig．2 the functional flow diagram of the system

系統(tǒng)的功能流程如圖2所示，根據(jù)橋梁防船撞的應(yīng)用需求，將整個(gè)內(nèi)河監(jiān)測(cè)區(qū)劃分為三段，即檢測(cè)區(qū)(距橋1．5 ～1 km)、監(jiān)視區(qū)(距橋1 ～0．5 km)、危險(xiǎn)區(qū)(距橋小于0．5 km)。系統(tǒng)應(yīng)滿足如下的功能要求:①對(duì)通航橋梁上下游的船舶進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè);②對(duì)超高超寬的船舶進(jìn)行告警;③對(duì)有撞橋趨勢(shì)的船舶提前進(jìn)行告警;④對(duì)違規(guī)事件和相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，便于事后進(jìn)行事故評(píng)估和責(zé)任認(rèn)定;⑤當(dāng)告警船舶航跡自校正失敗后，能夠人工進(jìn)行航跡干預(yù)，解除撞橋威脅。相應(yīng)地系統(tǒng)性能指標(biāo):①滿足全天候、全天時(shí)、全自動(dòng)的橋梁防船撞主動(dòng)預(yù)警需求，同時(shí)對(duì)船舶目標(biāo)的探測(cè)距離不低于1．5 km，報(bào)警距離不低于0．5 km;②對(duì)進(jìn)入監(jiān)視區(qū)的所有船舶能進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤;③成功告警率不低于95%(虛警率不超過5%);④系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性、可靠性要求。

4．2 系統(tǒng)的總體方案

如圖3所示，系統(tǒng)主要由:①目標(biāo)探測(cè)與告警模塊;②數(shù)據(jù)處理與分析模塊;③監(jiān)控與人機(jī)交互模塊組成?？梢詫?shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)、全自動(dòng)或者人機(jī)交互模式下的告警，對(duì)通航橋梁下的船舶實(shí)行有效的主動(dòng)監(jiān)視與告警。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig．3 the construction of the system

依據(jù)系統(tǒng)的功能和總體方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含有硬件和軟件兩大塊，硬件完成數(shù)據(jù)的采集和聲光告警，軟件完成告警事件的檢測(cè)，即船舶的三維尺寸測(cè)量和船撞橋趨勢(shì)預(yù)測(cè)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)圖Fig．4 the design structure of the system

4．2．1 硬件系統(tǒng)方案

根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境和視頻采集要求，硬件系統(tǒng)滿足如下功能:

(1)各傳感器可同時(shí)工作，具備晝夜監(jiān)控能力，并具有目標(biāo)搜索定位功能;

(2)系統(tǒng)能夠?qū)降肋M(jìn)行360°全方位監(jiān)控。

(3)配備云臺(tái)，單套系統(tǒng)在無遮擋情況下能夠進(jìn)行方圓2 km內(nèi)較大范圍的監(jiān)控;

(4)具備抗強(qiáng)風(fēng)、防雨水和防感應(yīng)雷能力;

(5)系統(tǒng)可在室內(nèi)對(duì)室外設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制;

(6)系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)海量視頻圖像，具有報(bào)警功能。

4．2．2 軟件系統(tǒng)方案

軟件系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio 2008為開發(fā)平臺(tái)，調(diào)用Intel OpenCV圖像庫(kù)進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)用SQLsever進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，該軟件系統(tǒng)包含七大部分模塊:

(1)監(jiān)控視頻控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集、顯示與存儲(chǔ)。

(2)預(yù)處理模塊，能夠獲得清晰的視頻源，包括視頻圖像去噪、增強(qiáng)［7］、紅外和可見光圖像融合［8］。

(3)船舶的三維尺寸測(cè)量模塊，能夠基于監(jiān)控視頻對(duì)進(jìn)入監(jiān)視區(qū)的船舶進(jìn)行三維尺寸非接觸測(cè)量。

(4)船舶的檢測(cè)跟蹤模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)基于傳感器所拍得的視頻圖像快速檢測(cè)出船舶目標(biāo)，并進(jìn)行目標(biāo)跟蹤［9］。

(5)船舶的航跡預(yù)測(cè)模塊，在船舶檢測(cè)跟蹤的基礎(chǔ)上進(jìn)行航跡預(yù)測(cè)，對(duì)船過橋的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)并檢測(cè)出有撞橋危險(xiǎn)的船舶進(jìn)而能夠觸發(fā)聲光告警設(shè)備。

(6)告警事件管理模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)告警事件進(jìn)行記錄，并能回調(diào)告警事件記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中的視頻，從而進(jìn)行事件分析。

(7)人機(jī)交互模塊，對(duì)傳感器拍攝的視頻進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)船舶目標(biāo)航行不正常時(shí)，可以手動(dòng)觸發(fā)進(jìn)行告警。

5 實(shí)驗(yàn)研究及性能分析

為了驗(yàn)證上述預(yù)警硬件方案和軟件算法的可行性和有效性，本文進(jìn)行了系列實(shí)驗(yàn)研究。首先是進(jìn)行了紅外和可見光視頻圖像的實(shí)橋航跡識(shí)別跟蹤實(shí)驗(yàn)。

2011年10月，在上海A4奉浦大橋，架設(shè)了實(shí)驗(yàn)用紅外攝像機(jī)及可見光攝像機(jī)，分別在白天和晚上的光照條件下對(duì)黃浦江上的航行船舶進(jìn)行連續(xù)拍攝、船舶目標(biāo)檢測(cè)、航跡跟蹤和識(shí)別。溫度16℃，陰天，風(fēng)力3～4級(jí)，總幀數(shù)為1086，幀大小為352×288，結(jié)果如圖5所示。

圖5 船舶目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤和航跡識(shí)別Fig．5 ship target detection and tracking and track recognit

圖5中，從上到下，從左到右，顯示了圖像識(shí)別、航跡跟蹤的全部過程:首先提取船舶周圍水體的背景像素，進(jìn)行背靜取出操作得到目標(biāo)船只的前景像素圖，然后進(jìn)行輪廓識(shí)別和特征點(diǎn)定位，最后，連續(xù)對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，即可得到目標(biāo)船只的數(shù)值化航跡，再通過攝像系統(tǒng)的坐標(biāo)校準(zhǔn)，可以連續(xù)實(shí)時(shí)地得到航道上目標(biāo)船只的航跡時(shí)間序列，該時(shí)間序列是一個(gè)在航道平面坐標(biāo)系上的二維(x，y)時(shí)間序列，再對(duì)該時(shí)間序列進(jìn)行外推可以預(yù)測(cè)到船舶的過橋位置，當(dāng)有撞橋危險(xiǎn)時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)的告警裝置，系統(tǒng)可以提前采取警戒措施防止船撞橋事故的發(fā)生，保護(hù)橋梁和船舶的安全。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于紅外、可見光、激光信息融合的橋梁防船撞主動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)方案，能夠克服現(xiàn)有的橋梁防船撞措施的局限性。分析了系統(tǒng)工作原理和總體方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，開展了初步實(shí)驗(yàn)研究和性能分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和有效性。系統(tǒng)最終可以實(shí)現(xiàn)全天候，全天時(shí)和全自動(dòng)地對(duì)有撞橋趨勢(shì)的船舶進(jìn)行聲光告警，滿足穩(wěn)定性和可靠性要求。伴隨著光電傳感器技術(shù)的發(fā)展和研制成本的降低，基于多源數(shù)據(jù)融合的橋梁防船撞主動(dòng)預(yù)警技術(shù)將在橋梁防船撞領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

［1］ Weng Weijun．The application andmethods study on largebridge piers against ship collison［J］．Journal of Ningbo University，2011，24(4):106 －111．(in Chinese)

翁衛(wèi)軍．大型橋梁防撞方法及應(yīng)用研究［J］．寧波大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，24(4):106 －111．

［2］ Wei Ren，Guangzheng Li，Jing Lü．Analysis of adopting mobile position system based on GPSOne technique in VTS system［C］．IEEE International Conference on Intelligent System Design and Engineering Application，2010:281－283．

［3］ Zhang Qian，Gen Bo．Study and design on bridge piers against ship collision system in westmountain area［J］．Highway Traffic Technology，2010，(5):62 －65．(in Chinese)

張茜，耿波．西部山區(qū)橋梁防船撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］．公路交通技術(shù)，2010，(5):62 －65．

［4］ Yang Junhong，Zhang Qiang，Zhou Bing．Moving objects detection algorithm in video sequences［J］．Control and Automation Publication Group，2007，23(7):226 － 227．(in Chinese)

楊俊紅，張強(qiáng)，周兵．視頻序列中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)［J］．微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(7):226 －227．

［5］ Li Yu，Xiao Gang．Study and design on FOD detection and surveillance system for airport runway［J］．Laser ＆ Infrared，2011，41(8):910 －915．(in Chinese)

李煜，肖剛．機(jī)場(chǎng)跑道異物檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究［J］．激光與紅外，2011，41(8):910 －915．

［6］ Li Junshan，Yang Wei，Zhang Xiongmei．Infrared image processing，analysis and fusion［M］．Beijing:Science Press，2009．(in Chinese)

李俊山，楊威，張雄美．紅外圖像處理、分析與融合［M］．北京:科學(xué)出版社，2009．

［7］ Gonzalez．Digital image processing［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2011．(in Chinese)

岡薩雷斯．?dāng)?shù)字圖像處理［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011．

［8］ Zhang Yu，et al．Method of infrared and visible image fusion based on multifeatures［J］．Laser ＆ Infrared，2008，38(12):1262 －1265．(in Chinese)

張宇，等．基于多特征的紅外與可見光圖像融合方法的研究［J］．激光與紅外，2008，38(12):1262 －1265．

［9］ Yun Xiao，Xiao Gang．Camshift ship tracking algorithm based onmulti-feature adaptive fusion［J］．Opto-Electronic Engineering，2011，38(5):53 －62．(in Chinese)

云霄，肖剛．基于Camshift的多特征自適應(yīng)融合船舶跟蹤算法［J］．光電工程，2011，38(5):53 －62．