基于激光雷達(dá)技術(shù)的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)的研究

劉春雷，陳 杰，趙 莉，趙德英

(重慶工業(yè)自動化儀表研究所, 重慶 401121)

目前國內(nèi)外橋梁防撞技術(shù)主要分為兩大類：第一類是被動防撞模式，采用各種柔性耗能裝置，安裝在橋梁外側(cè)，當(dāng)發(fā)生撞擊，減輕撞擊產(chǎn)生的作用力，降低損失；第二類是主動防撞模式，在橋區(qū)周圍安裝各種傳感器或攝像頭等電子設(shè)備，建立防撞預(yù)警系統(tǒng)，通過監(jiān)視過往船舶，進(jìn)行航線預(yù)判，實現(xiàn)引導(dǎo)船舶航行，減少或避免撞擊事故的發(fā)生。由此可見采用主動防撞模式，通過預(yù)先防范，可最大程度保障橋梁安全。此次介紹橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)采用主動防撞模式，通過運(yùn)用激光雷達(dá)作為檢測工具，ASI、喇叭、燈光作為預(yù)警手段，再結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等實現(xiàn)過對往船舶監(jiān)視、對可能發(fā)生撞擊橋梁的船舶進(jìn)行預(yù)警。

為了實現(xiàn)橋梁防撞預(yù)警檢測目的，國內(nèi)外開展了大量研究，并得出了各種不同的解決辦法。綜合歸納，主要有以下3種方式：視頻監(jiān)控系統(tǒng)方式、AIS監(jiān)控方式、紅外線測距方式。

1) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)方式。視頻攝像頭被安裝在橋梁指定位置，通過全天候拍攝。對拍攝視頻文件采用數(shù)字圖像算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析，能自動檢測、識別在復(fù)雜環(huán)境中的船舶影像。但視頻監(jiān)控技術(shù)對光照條件依賴嚴(yán)重，白天光照良好情況下視頻監(jiān)控效果顯著，而黑夜或大霧情況下拍攝效果會受到嚴(yán)重影響。因此當(dāng)外部環(huán)境不理想的情況下目標(biāo)的獲取和判別需要人工輔助完成。

2) AIS監(jiān)控方式。AIS(船舶自動識別系統(tǒng))是現(xiàn)代船舶的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，具有船只識別、目標(biāo)追蹤、提供輔助信息避免碰撞事故發(fā)生等功能。AIS通過全球定位系統(tǒng)(GPS)將船舶實際位置、船速、航向等船舶動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合船名、呼號、船舶尺寸及運(yùn)輸貨物等船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)同時向附近水域其他船舶和岸臺廣播，從而實現(xiàn)船船之間，船與岸之間能及時進(jìn)行信息交流。使用AIS監(jiān)控方式，其區(qū)別于視頻監(jiān)控等手段的最大優(yōu)點是通過與船舶互動方式得到船舶完整信息，無需通過影像文件提取，減少了測量誤差。使檢測船舶更簡便，快捷，準(zhǔn)確。但該方式的主要缺點在于：通過橋梁的船舶是否都能安裝AIS，且AIS是否能正常工作。

3) 紅外線測距方式。將紅外線測距傳感器安裝在橋梁特定位置，通過控制發(fā)光元件發(fā)出信號(通常為紅外線)射向目標(biāo)物體，經(jīng)物體反射后傳回系統(tǒng)的接收端，再將接收信號通過光電轉(zhuǎn)換器，計算出目標(biāo)物體的距離。使用紅外線測距具有測量距離遠(yuǎn)、范圍廣、響應(yīng)時間快等優(yōu)點，能迅速檢測航道內(nèi)過往船舶。但在實際運(yùn)用中，紅外線測距雖然能檢測到航道內(nèi)船舶，但不能分辨被測船舶類型、大小，在這種情況下，不能采取準(zhǔn)確的報警方式進(jìn)行預(yù)警。

1 橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)介紹

橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)組成由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理控制中心、預(yù)警子系統(tǒng)三個部分組成。各子系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)框架圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，主要由場外激光雷達(dá)組成，安裝在橋梁特定位置和高度，安裝位置如圖2，利用激光對通航水域內(nèi)危險目標(biāo)進(jìn)行掃描，在一定距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)水面上航線的船舶，并測量船舶的方位、距離、高度，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)處理控制中心。

圖2 安裝位置

數(shù)據(jù)處理控制中心，通過無線網(wǎng)絡(luò)接收場外激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)計算分析，判斷即將通行船舶是否能安全通過橋梁。一旦分析結(jié)果表明可能發(fā)生撞擊，立即向預(yù)警子系統(tǒng)發(fā)送命令進(jìn)行預(yù)警。

預(yù)警子系統(tǒng)，由喇叭、ASI、燈光、人工預(yù)警四部分組成，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)處理控制中心傳遞的報警信號，根據(jù)當(dāng)時現(xiàn)場環(huán)境，采取適當(dāng)報警措施進(jìn)行報警。

2 橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與原理

2.1 激光雷達(dá)工作原理、特點

激光雷達(dá)將激光作為探測手段。其工作原理是通過激光發(fā)射與接收返回信號進(jìn)行對比得到結(jié)果。在激光雷達(dá)內(nèi)由許多個組件，每組都包含發(fā)射單元和接收單元。如圖3所示。

圖3 激光雷達(dá)工作原理圖

發(fā)射單元通過激光二極管發(fā)出探測信號(激光束)，當(dāng)激光束照射到被測物體后返射回來，接收單元收到返回信號，后根據(jù)發(fā)射信號和接收信號的時間差，計算被測物體與激光雷達(dá)距離。當(dāng)大量組件采集到的反射信號后，便能形成點云。分析點云，找到需要檢查的目標(biāo)，最終可以繪制出被測目標(biāo)輪廓。通過不間斷的檢測。根據(jù)點云繪制的目標(biāo)的變化，可以判斷被測目標(biāo)物體的大小、距離甚至運(yùn)行速度。激光雷達(dá)與其他檢測設(shè)備相比具有以下幾方面的優(yōu)勢：(1)高分辨率。激光雷達(dá)可以通過內(nèi)部許多個發(fā)射接收激光組件形成點云。組件越多，點云密度越高，形成的圖像就越清晰。得到被測目標(biāo)數(shù)據(jù)分辨率越高。(2)獲取信息量豐富。通過點云，可同時跟蹤多個被測目標(biāo)。(3)對外界環(huán)境依賴小。即使在夜晚，激光雷達(dá)也能正常工作。因此橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)采用激光雷達(dá)進(jìn)行水面船舶檢測。

2.2 船只特征辨識過程研究

由于激光雷達(dá)采集的點云數(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，沒有標(biāo)注任何被測物體特征和形態(tài)，只包含每個點的三維坐標(biāo)和其他附加信息。因此必須將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，再提取被測物特征進(jìn)行對比。主要由以下幾個步驟實現(xiàn)。其框圖如圖4所示。

圖4 船只特征辨識過程框圖

在實際檢測中，環(huán)境因素帶來的影響和數(shù)據(jù)拼接配準(zhǔn)操作過程，會使采集到的點云數(shù)據(jù)中存在一些不可避免的噪聲。數(shù)據(jù)處理控制中心收到激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)后，首先將點云數(shù)據(jù)采用雙邊濾波方式進(jìn)行濾波，避免對后續(xù)計算分析結(jié)果的干擾。

激光雷達(dá)采集點云數(shù)據(jù)包含大場景下各種目標(biāo)，它們相互混雜，既然要對水面目標(biāo)進(jìn)行識別，就需要有一個區(qū)分被測目標(biāo)的指標(biāo)來最大化不同目標(biāo)之前的區(qū)別。所以采用SIFT算法來提取關(guān)鍵點。

點云匹配與特征描述，要對一個三維點云進(jìn)行描述，除了點云位置信息是不夠的，還需要計算一些輔助數(shù)據(jù)，比如法線方向、曲率等等。利用點云的曲率不變性，通過k鄰域法以及最小二乘法擬合兩點云的每一點的所在曲面，然后算出其法向量，進(jìn)一步求取該點的曲率，然后通過曲率以及其他的一些手段，進(jìn)一步將兩點云分別簡化為特征點云。點云匹配采用ICP(迭代最近點)算法用于兩堆點云之間進(jìn)行配準(zhǔn)。把ICP方法看做一個點云位姿變換的過程，可以使用代數(shù)方法和非線性優(yōu)化方法。

假設(shè)有兩堆點云X(X1,X2,X3,X4,X5,…，Xm),Y(Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,…,Yn)分別記為兩個集合。其ICP公式為：

(1)

式(1)中，R,t兩參數(shù)分別表示旋轉(zhuǎn)變換和平移變換。

區(qū)域分割階段主要完成特征模式的分類及識別確定，即確定特征屬于哪類模式，如直線、圓弧等，并確定屬于該特征模式的區(qū)域及區(qū)域內(nèi)的激光數(shù)據(jù)點集。將點云分割成不同的區(qū)塊，如果連續(xù)兩個點云數(shù)據(jù)的距離小于一個閾值，這兩個掃描點屬于同一個區(qū)塊。如果連續(xù)兩個掃描點的距離大于一個閾值，點云數(shù)據(jù)幀就從這個地方分割開。

船舶識別檢索與變化檢測目的是識別點云中需要檢測的船舶，并根據(jù)采集到的被測船舶不同角度的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對分類。識別檢索功能采用Hausdorff距離計算方法。Hausdorff(豪斯多夫距離)是衡量兩組點云之間相似度的一種方式。它是兩個點云之間距離的一種定義形式。雖然通過分析得到可靠的結(jié)果，但在實際情況下由于部分船舶輪廓可能會發(fā)生目標(biāo)遮擋的情況，導(dǎo)致計算結(jié)果無法與真實船舶輪廓相匹配從而無法準(zhǔn)確分析船舶數(shù)據(jù)。因此，需要對部分檢測結(jié)果進(jìn)行變化檢測。結(jié)合形態(tài)學(xué)的相關(guān)理論，對因遮擋而未識別到的船舶進(jìn)行重構(gòu)，這樣能大大減少測量的誤差。通過計算分析，將采集數(shù)據(jù)成像如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集成像圖

2.3 船舶運(yùn)行軌跡計算

運(yùn)行軌跡計算,采用ZooTarcer軟件進(jìn)行描繪，ZooTarcer能識別并追蹤視頻中物體運(yùn)動軌跡。將每次采樣數(shù)據(jù)描繪圖像并保存。通過一段時間連續(xù)采樣。將多組成像按時間先后順序組合成視頻文件。當(dāng)被測物移動至橋墩安全區(qū)域內(nèi)時，通過ZooTarcer對視屏文件中移動物體體積、角度、運(yùn)行速度等進(jìn)行計算，得出是否會發(fā)生撞擊事故，描繪出被測物的運(yùn)行軌跡(見圖6)。

根據(jù)判斷結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)被測物不能安全通過，則將被測物相關(guān)數(shù)據(jù)通知預(yù)警子系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警。

圖6 船舶運(yùn)行軌跡

2.4 預(yù)警控制研究

預(yù)警子系統(tǒng)由ASI、喇叭、燈光組成。ASI是船舶自動識別系統(tǒng)，使用ASI接口，可以向指定船舶發(fā)送信息。喇叭與燈光由PLC控制。預(yù)警子系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)接收到數(shù)據(jù)處理控制中心報警信息，根據(jù)信息中被測物類型選擇預(yù)警方式。如判斷結(jié)果為船舶可能發(fā)生撞擊橋梁，將控制PLC啟動喇叭，若為夜晚還需開啟燈光對即將通過的船舶進(jìn)行警告。同時通過ASI搜索附近船只，發(fā)送預(yù)警信息。如被測物不為船舶，根據(jù)收到數(shù)據(jù)處理控制中心報警信息并評估其撞擊橋梁力度，得到結(jié)果后再決定是否通過4G網(wǎng)絡(luò)通知相關(guān)工作人員。

3 結(jié)論

基于激光雷達(dá)技術(shù)的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)。能夠克服現(xiàn)有的橋梁被動防撞的局限性，能實現(xiàn)全天候、穩(wěn)定、可靠地測量船只通行安全。自動對有潛在威脅的船舶進(jìn)行預(yù)警提示可極大地提高橋梁整體安全及航道航行安全，為橋梁主動防御提供參考模式，對實際運(yùn)用具有重要實際意義。