基于視頻分析的橋梁防船舶碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□ 文/呂洪濤

基于視頻分析的橋梁防船舶碰撞預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□ 文/呂洪濤

本文針對(duì)橋梁防撞研究這一工程界的熱點(diǎn)問題，分析了典型橋梁船撞事故產(chǎn)生原因。以此為基礎(chǔ)，提出了基于視頻分析技術(shù)的橋梁防撞系統(tǒng)解決方案。通過攝像機(jī)與激光測距儀的遞次架設(shè)及智能視頻分析完成了從發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視到報(bào)警的全方位 立 體 監(jiān) 控 預(yù) 警 體 系 ，對(duì) 目 標(biāo) 船 舶 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 、準(zhǔn) 確的監(jiān)控，為橋梁的船舶碰撞問題提供了可行有效的解決方案。

引言

橋梁建設(shè)與航運(yùn)業(yè)發(fā)展一樣，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。人們?cè)谙硎軜蛄航ㄔO(shè)為經(jīng)濟(jì)騰飛帶來的巨大便利的同時(shí)，也不得不面對(duì)因橋梁的修建帶來的種種困境。這些困境包括：因橋墩占用原有航道水域，導(dǎo)致船舶可航水域通航凈寬、凈高受限，從而直接或間接引發(fā)水上交通安全事故或造成安全隱患；因橋壤的修建改變?cè)兴赖牧鲌鎏卣?，從而?dǎo)致船舶在橋壤水域航行困難，更進(jìn)一步增加了船舶碰撞橋繳的風(fēng)險(xiǎn)性。船舶橋梁碰撞事故一旦發(fā)生，造成的損失將是無法估量。輕則造成船、橋損 傷 ，重 則 造 成 船 毀 橋 塌 以 及 重 大 人 員 傷 亡 與 環(huán) 境 污染事故。縱觀相關(guān)文獻(xiàn)和報(bào)道，人們不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外重大船橋碰撞事故時(shí)有發(fā)生。

據(jù)美國的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明 , 在通航的大型橋梁運(yùn)營期間，約有10%的橋梁會(huì)發(fā)生不同程度的船舶撞擊事故。在國內(nèi)，航行船舶撞擊橋梁的事故長期、普遍地存在 ，對(duì) 橋 梁 安 全 運(yùn) 營 造 成 了 很 大 的 危 害 。南 京 長 江 大 橋自建橋至今己經(jīng)發(fā)生了約30起船撞橋事故；重慶白沙沱大橋被船撞已達(dá)上百次之多；東海大橋在施工期間基礎(chǔ)就曾遭受船撞而斷裂；2013年6月15 日5 時(shí)左右，325 國道廣東佛山九江大橋發(fā)生了一起運(yùn)砂船撞擊橋墩事件，大橋橋墩當(dāng)場被撞斷,橋面隨之垮塌，長度大約有140m，交通中斷，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，并且橋梁結(jié) 構(gòu)、使用壽 命、安全 性 及抗震能力受到了極大的影響；2015年8月29日，江蘇昆山市大洋橋水域，一艘貨船因避讓船只撞上大洋橋橋墩，致使大橋部分橋面發(fā)生坍塌；2016 年 3月27日，浙江輪船在航行至在建的寧波金塘大橋時(shí)，船舶桅桿與該橋面發(fā)生碰 撞 致 使 橋 面 箱 梁 塌 ，4 人 被 困 。

船撞橋事故的原因主要?dú)w結(jié)為三大類：第一大類是人員失誤，如疏忽、操縱失誤等；第二大類是機(jī)械故障，如主機(jī)熄火、舵機(jī)失靈、船隊(duì)斷纜等；第三大類是惡劣的自然環(huán)境，如壞天氣、大洪水等。分析表明，由人員失誤、機(jī)械故障以及惡劣自然環(huán)境造成的船 -橋碰撞事故占事故總數(shù)的比例分別為80%，8%，12%；僅廣東省自2013年至2016年已經(jīng)發(fā)生多起嚴(yán)重碰撞事件。造成人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失，嚴(yán)重危害公共安全；在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)轉(zhuǎn)型升級(jí)時(shí)期，迫切需要針對(duì)橋梁安全建設(shè)一整套橋梁防船舶碰撞預(yù)警系統(tǒng)來保障大橋安全。

近些年來，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在橋梁防撞預(yù)警領(lǐng)域也做 出 了 一 些 有 益 探 索 ：如 周 鑫 在 2 0 1 3 年 通 過 研 究 橋 梁的主動(dòng)防撞問題，從船舶與船舶操作者、管理人員的角度出發(fā)針對(duì)性提出防止船撞橋的預(yù)警和監(jiān)管與監(jiān)控措施；張文娟針對(duì)單船在橋區(qū)的航行碰撞事故的預(yù)瞀方法進(jìn)行了研究與探索，提出基于船舶航跡預(yù)測的橋區(qū) 水 域 船 舶 航 行 風(fēng) 險(xiǎn) 預(yù) 警 方 法 ；華 南 理 工 大 學(xué) 的 吳 震采用紅外視頻與VHF自動(dòng)播報(bào)技術(shù)相結(jié)合的方式針對(duì)內(nèi)河航道岔道口大橋防撞預(yù)警做出了有益的探索；武漢理工大學(xué)的鄭元洲博士將船舶操縱仿真技術(shù)與圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，提出了基于操縱推理與視頻檢測的船橋主動(dòng)避碰系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定船型在特

定橋區(qū)主動(dòng)避碰的最小縱距參數(shù)的預(yù)報(bào)和船舶橋區(qū)航跡預(yù)判與避碰決策選取。這些研究對(duì)推動(dòng)橋梁防撞預(yù)警學(xué)科的發(fā)展起到了積極作用。

本項(xiàng)目建設(shè)的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)是利用現(xiàn)代化檢測手段來提高航道運(yùn)行的安全性，精確檢測出船舶是否超高與誘導(dǎo)超高船舶安全行駛路線，并及時(shí)進(jìn)行警示和錄像，其核心技術(shù)為激光及視頻分析技術(shù)：當(dāng)有船舶高度超過預(yù)先設(shè)定好的高度時(shí)，激光檢測設(shè)備立即發(fā)出指令讓前方的示警LED顯示屏提示船長船舶超高警示（聲光報(bào)警），船長處理船舶超高部分后方可通 過 ，如 果 超 高 船 舶 繼 續(xù) 前 進(jìn) ，監(jiān) 控 人 員 可 以 從 視 頻錄像里看清現(xiàn)場情況，并通過對(duì)講功能對(duì)現(xiàn)場船只進(jìn)行喊話通知，同時(shí)平臺(tái)可以幫助管理部門進(jìn)行事后違章取證。而橋區(qū)視頻檢測系統(tǒng)可以在離橋墩較遠(yuǎn)的距離范圍內(nèi)識(shí)別船舶航跡，通過相應(yīng)的算法并比對(duì)相關(guān)通航規(guī)范，對(duì)具體船舶航跡帶的“合法性”進(jìn)行預(yù)判和預(yù)警，可以在碰撞危險(xiǎn)發(fā)生的早期階段對(duì)船橋避碰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行消除。

橋梁防船舶碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作原理與架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作原理與流程

橋梁防船舶碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作原理如下圖所示：

▲圖1：橋梁防船舶碰撞預(yù)警系統(tǒng)工作原理示意圖

▲圖2：系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

在監(jiān)控區(qū)域方位的左右橋墩處并列安裝多個(gè)攝像頭與激光測距儀，通過高清攝像頭的圖像識(shí)別功能，對(duì)江面、隧道上運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)船舶穿越“駛?cè)搿鳖A(yù)警區(qū)域后，啟動(dòng)一級(jí)預(yù)警，對(duì)于船只進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，包括調(diào)取船只相關(guān)信息等。兩束與通航高度水平的激光形成一定夾角射出為在河面上實(shí)現(xiàn)主要航道的全覆蓋；若船舶超高，則在船舶行進(jìn)過程中會(huì)依次觸碰兩束激光，此時(shí)激光測距儀將會(huì)依次收到反射信號(hào)從而確認(rèn)船舶超高；若船舶并未超高，則激光測距儀將不會(huì)收到反射信號(hào)，當(dāng)攝像頭偵測到船舶穿越“駛出”線（黑色）后，完成本次監(jiān)控。

若船只由于超高觸碰到閾值上限時(shí)，系統(tǒng)實(shí)施報(bào)警。觸發(fā)前端橋梁上的告警設(shè)備開始工作，高音廣播對(duì)船只進(jìn)行語音告警，LED顯示屏進(jìn)行信息圖像告警；若在夜間則啟動(dòng)橋墩高清夜視視頻探頭進(jìn)行錄像，同時(shí)開啟輔助照明燈以輔助照明。監(jiān)控中心采集到監(jiān)測數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析并給管理人員發(fā)送報(bào)警信息，同時(shí)監(jiān)控中心彈出告警現(xiàn)場的實(shí)時(shí)畫面，管理人員手機(jī)也將會(huì)收到報(bào)警橋梁的視頻鏈接；前端和監(jiān)控中心同時(shí)進(jìn)行錄像以現(xiàn)場取證。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)總體規(guī)劃如下圖2所示，主要包含以下四個(gè) 部分：

如上圖所示，系統(tǒng)主要包括：外部關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)、接口子系統(tǒng)、橋梁防撞預(yù)警子系統(tǒng)、用戶終端子系統(tǒng)這四大部分。其中橋梁防撞預(yù)警子系統(tǒng)與接口子系統(tǒng)作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心模塊，在橋梁防撞預(yù)警子系統(tǒng)中主要是通過高清攝像機(jī)并綜合運(yùn)用視頻檢測與分析手段對(duì)駛?cè)霕蛄罕O(jiān)測區(qū)域的船只進(jìn)行識(shí)別、跟蹤與基于運(yùn)動(dòng)視頻的信息融合與分析，運(yùn)用LED顯示屏和信號(hào)燈對(duì)超高船舶進(jìn)行安全行駛發(fā)出警示；同時(shí)通過錄像功能幫助監(jiān)管人員在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測江面情況。并通過在橋梁兩側(cè)安裝的兩組并列的橋梁防碰撞產(chǎn)品在限高水平面按照一定夾角進(jìn)行激光發(fā)射，超高船舶碰觸激光即可實(shí)現(xiàn)預(yù)警。

管理平臺(tái)的主要功能是對(duì)預(yù)警數(shù)據(jù)及上傳的視頻進(jìn)行統(tǒng)一合理化調(diào)度管理、提供設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)及遠(yuǎn)程信息發(fā)布；并且能夠與海事A IS（船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) ）系 統(tǒng) 相 接 駁 。

系統(tǒng)主要硬件核心設(shè)備

該系統(tǒng)的構(gòu)成的核心設(shè)備主要包含：激光超高檢測器、數(shù)據(jù)控制器、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、LED屏、大功率喇叭及警示燈、信息管理系統(tǒng)、高清夜視視頻頭、輔助照 明 設(shè) 備 等 ；其 中 ：

激光超高檢測器主要部署于通航的兩個(gè)橋洞（每個(gè)橋洞兩個(gè)）并位于橋洞的頂部。激光束水平發(fā)射并形成一定的夾角，根據(jù)船只航道、隧道大小進(jìn)行一定角度的范圍掃描，對(duì)船舶進(jìn)行超高監(jiān)測及距離確認(rèn)（ 雙 重 確 認(rèn) ）。

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可實(shí)施24小時(shí)不間斷錄像，激光 儀 觸 發(fā) 警 報(bào) 后 可 自 動(dòng) 啟 動(dòng) 預(yù) 警 功 能 ，提 示 管 理 人員并把錄像保存在本地及后臺(tái)服務(wù)器端。該系統(tǒng)的視頻質(zhì)量可達(dá)到1080P；

高清夜視視頻探頭主要部署在通航橋洞兩側(cè)用于拍攝過往船舶。

數(shù)據(jù)控制器主要安裝在橋梁護(hù)欄上，作用是接收激光測距儀的信號(hào)并驅(qū)動(dòng)LED屏和大功率喇叭發(fā)出警報(bào)，并對(duì)接管理后臺(tái)。

信息管理系統(tǒng)主要是用于監(jiān)控信息的管理、視頻智能分析。

大功率喇叭及警示燈主要是部署于橋梁兩側(cè)，為船舶提供聲音警示信息。

LED屏主要部署于橋梁兩側(cè)，為船舶提供圖像警示和提示信息。

輔助照明設(shè)備主要部署在通航橋洞兩側(cè)用于輔助照明以便拍攝過往船舶。

系統(tǒng)后臺(tái)管理平臺(tái)的功能實(shí)現(xiàn)

后臺(tái)管理系統(tǒng)主要包含：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、視頻數(shù) 據(jù)智能分析、激 光 掃描 數(shù) 據(jù) 分析、告警與存 儲(chǔ)。主 要 功 能 如下：

視頻監(jiān)控系統(tǒng)：提供電腦終端高清1080P的視頻 觀 看，手 機(jī) C I F 畫 面 觀 看，為監(jiān) 管人 員提 供 監(jiān) 控 中心電視墻高清監(jiān)控畫面，出外手機(jī)終端應(yīng)急觀看；

視頻數(shù)據(jù)智能分析：進(jìn)行視頻分析可通過視頻畫面進(jìn)行智能分析，通過范圍、界限進(jìn)行運(yùn)算分析；

激光掃描數(shù)據(jù)分析：由于視頻智能分析會(huì)受到視頻畫面質(zhì)量不同，分析的準(zhǔn)確度不同，所以通過激光掃描設(shè)備提供數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度；

告警系統(tǒng)：進(jìn)行船只超高告警顯示，告警信息推 送 給相關(guān)管 理 人 員；

存儲(chǔ)系統(tǒng)：根據(jù)需要進(jìn)行錄像存儲(chǔ)和調(diào)閱。

系統(tǒng)穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用超低功耗設(shè)計(jì)，系統(tǒng)供電采用市電及太陽能備份的雙電源系統(tǒng)：停電時(shí)自動(dòng)切換至太陽能以保障供電；設(shè)備箱體采用防水性能好、鋁壓鑄全密封外殼以適應(yīng)戶外安裝，具有較高的穩(wěn)定性和環(huán)境 適應(yīng)能力。

系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)自試運(yùn)行以來，按要求進(jìn)行了日常值守和現(xiàn)場專項(xiàng)考核；對(duì)系統(tǒng)功能、警情測報(bào)、可靠性、報(bào) 警 聯(lián) 動(dòng) 、供 電 能 力 等 諸 多 方 面 進(jìn) 行 了 嚴(yán) 格 測 試 。經(jīng)測試：晴天天氣下，全天候誤報(bào)率與漏報(bào)率都為0，實(shí)現(xiàn)了100%準(zhǔn)確預(yù)警；而在極端大霧天氣、大雨天氣系統(tǒng)的準(zhǔn)確預(yù)警率達(dá)99.7，同時(shí)建議封鎖航道。

結(jié)束語

橋梁防撞的研究在我國處于起步階段，越來越多的橋梁防撞事故使得該研究的必要性和緊迫性日益顯現(xiàn)。因此，建立一套機(jī)制靈活、安全可靠的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)是一項(xiàng)刻不容緩的工作；本文以滿 足 大 橋 防 撞 的 實(shí) 際 應(yīng) 用 為 出 發(fā) 點(diǎn) ，提 出 了 基 于 視頻分析技術(shù)的系統(tǒng)解決方案；通過攝像機(jī)的遞次架設(shè)及視頻分析處理完成了從發(fā)現(xiàn)、監(jiān)視到報(bào)警的立體監(jiān)控預(yù)警體系，對(duì)目標(biāo)船舶進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)控，為橋梁的船舶碰撞問題提供了可行有效的解決方 案 。隨 著 智 能 視 頻 分 析 理 論 的 不 斷 完 善 ，基 于 視頻監(jiān)控技術(shù)的橋梁防撞技術(shù)將會(huì)在這一研究領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

作者單位：廣州港股份有限公司鐵路分公司