船舶吃水自動檢測技術在水利船閘調(diào)度安全管理中的應用

陳志宏，唐 雋，程思欽

（1.江蘇省泰州引江河管理處，江蘇 泰州 225300；2.南京暢淼科技有限責任公司，江蘇 南京 211100）

1 研究現(xiàn)狀

船舶吃水自動檢測技術主要方式有船載設備檢測法、水下設備檢測法和岸基檢測方法等。船載設備檢測法需要在船舶上安裝設備，不利于船閘管理單位管理和推廣，水下設備檢測法安裝成本高，維護難度大，難以長期使用，現(xiàn)有的岸基檢測法尚無較成熟可行的落地方案。

船載設備是指在船舶上安裝傳感器達到測量吃水的目標。管利廣等［1］提出基于壓力傳感器與船載陀螺儀相結合監(jiān)測船舶吃水方法，采用壓力傳感器測得水深，利用船載陀螺儀獲得傾斜狀態(tài)，并結合船體結構求得船舶吃水。王鵬皓等［2］提出一種利用雷達探測技術測量船舶吃水深度的儀器，利用高頻雷達測距技術，測量得到船舶吃水深度，實現(xiàn)船舶吃水高精度測量。

水下設備檢測法是指在水下安裝傳感器，對船底或者船舶側面進行掃描達到測量船舶吃水的目標。劉占民設計了浮動式船舶吃水檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括船舶吃水檢測子系統(tǒng)、速度檢測子系統(tǒng)和靜態(tài)信息子系統(tǒng)，通過誤差補償模塊消除外界不利因素對測量結果的影響。楊衛(wèi)忠等［3］研制了基于單波束測量原理的船體輪廓掃描吃水檢測設施，采用闕值濾波剔除聲納信號的異常數(shù)據(jù)，并得到聲吶到目標船舶的距離，同時使用單波束聲納的測量數(shù)據(jù)歸納總結出水下部署平臺姿態(tài)，用水下平臺的水深值減去此距離得到船舶的實時吃水值。韓偉［4］結合超聲波衍射原理,設計一種基于側掃單波束陣列的吃水檢測系統(tǒng)，能夠有效檢測船舶動態(tài)吃水。

岸基設備檢測法是指在岸邊安裝傳感器，對船舶吃水進行檢測和識別。謝磊等［5］提出采用岸基檢測法獲取船舶激光點云數(shù)據(jù)，通過船舶水面輪廓重構方法完成船舶水上部分三維重構，結合船舶靜態(tài)信息推算出船舶吃水狀態(tài)。彭將輝等［6］提出一種基于圖像處理的船舶吃水線檢測方法，確定水面邊緣線與水跡邊緣線相對于固定字符的最小距離是否變化，從而得到真實的水面邊緣線來確定船舶吃水線的準確數(shù)值。

2 船舶吃水自動檢測裝置

從成本、技術難度、安裝維護難度和推廣應用等角度綜合分析考慮，本文提出一種基于視頻圖像的在航船舶吃水自動檢測裝置。

2.1 系統(tǒng)架構

船舶吃水自動檢測裝置分為吃水檢測設備和圖像處理設備2個部分，見圖1。吃水檢測設備通過立桿安裝于檢測點岸邊，圖像處理設備為帶顯卡的專用服務器安裝在機房。吃水檢測設備主要以相機設備為主，包括晝間檢測相機1臺、夜間檢測相機1 臺、全貌固定式抓拍單元1 臺、細節(jié)固定式抓拍單元1臺、補光燈2臺、AIS接收機1臺和水運視頻分析儀1臺。

圖1 船舶吃水自動檢測裝置架構

其中船舶檢測相機用于感知船舶到達檢測點的時間和位置，白天采用星光槍型攝像機進行檢測，夜間采用熱成像槍型攝像機進行檢測；固定式抓拍單元主要用于船舶高清照片的抓拍和采集，兩個抓拍單元分為全貌和細節(jié)；補光燈用于夜間補光，夜間觸發(fā)抓拍時自動補光；AIS接收機用于接收附近的船舶AIS 信號；水運視頻分析儀作為前端控制設備，用于部署控制程序，聯(lián)動各設備信號和數(shù)據(jù)。水運視頻分析儀將前端采集的照片等信息傳輸至圖像處理工作站，圖像處理工作站進行后續(xù)的船舶吃水智能識別。

2.2 關鍵技術

2.2.1 技術思路

本文提出的吃水檢測技術不直接測量船舶水面以下尺寸，而是基于高清的船舶抓拍圖像測量船舶干舷高度，即甲板與船水分界線高度，再用船舶型深減去干舷高度得到船舶吃水深度，具體思路見圖2。

圖2 船舶吃水檢測技術思路

一方面，基于船舶抓拍技術，抓拍經(jīng)過檢測點的船舶高清照片，確保照片能看清船舶船名和干舷，隨后基于高清照片和船舶AIS，識別船舶身份，根據(jù)身份從船舶數(shù)據(jù)庫里獲取型深數(shù)據(jù)；另一方面，基于機器視覺和深度學習技術，定位船水分界線和甲板線位置，根據(jù)圖像與世界坐標系的轉換關系，計算兩條線垂直距離即為干舷距離水面高度。

2.2.2 船舶高清抓拍和身份識別技術

通過多相機聯(lián)動技術，實現(xiàn)7×24h 高清抓拍。多相機聯(lián)動采用圖像識別和處理技術，在實現(xiàn)對閘口監(jiān)控的同時，配合移動目標檢測算法，對監(jiān)控范圍內(nèi)的任何運動目標依次進行單個地、持續(xù)地特寫跟蹤和捕捉目標細節(jié)特征信息。多相機聯(lián)動技術，通過船舶檢測相機，檢測到目標船舶，并鎖定跟蹤，確認目標為船舶后，觸發(fā)細節(jié)抓拍相機和全景抓拍相機拍照。

船舶照片抓拍之后，采用AIS+船名字符識別融合的船舶身份識別方法，主動、精準感知船舶身份。利用深度學習、模糊匹配、自動糾錯、OCR等技術，融合AIS數(shù)據(jù)在船舶圖像上定位船名字符，并識別船名船號，獲取船舶最終身份。

2.2.3 船舶干舷檢測和計算技術

通過深度學習、邊緣檢測技術相融合，構建船舶甲板線、船水分界線識別模型，研究波浪補償算法，自動剔除受波浪影響大的異常數(shù)據(jù)，實時校正波浪對吃水測量結果的影響，最終識別船舶干舷的精準檢測，得到船舶干舷在圖像中的坐標位置。

根據(jù)相機內(nèi)參、相機安裝高度、角度等參數(shù)，構建圖像坐標與實際世界坐標的轉換模型，模型構建好后，計算船舶干舷實際高度。

3 應用案例

泰州引江河是國家南水北調(diào)東線水源工程之一，為三級航道，可行千噸級船舶，與新通揚運河、泰東河、通榆河等一起，溝通里下河和江蘇東部沿海地區(qū)，形成一條長300 km 的三級航道，實現(xiàn)江海聯(lián)運。

隨著船舶大型化的推進，引江河高港船閘過閘的大型船舶、重載吃水船舶的調(diào)度成為一大難題。高港船閘率先采用吃水檢測裝置對過閘船舶自動吃水檢測。吃水檢測得到的數(shù)據(jù)用于輔助過閘船舶調(diào)度，調(diào)度時依據(jù)實測吃水深度，結合水位潮汐規(guī)律，科學調(diào)度，減少船舶超深風險，提升船舶過閘效率，保障船閘運行安全。

高港船閘吃水檢測系統(tǒng)具有以下應用功能：

（1）對所有經(jīng)過檢測點的待閘船舶吃水自動檢測，并結合水位變化給出船舶的推薦過閘時間，研判船舶過閘風險等級。（2）對引江河水位進行精準監(jiān)測，結合潮汐數(shù)據(jù)預測未來水位，給船舶調(diào)度提供數(shù)據(jù)基礎。（3）所有船舶按照型深進行分級分類賦碼，對不同類型船舶差異化調(diào)度。

根據(jù)高港船閘的實測數(shù)據(jù)表明，本論文提出的船舶吃水檢測算法誤差在±5 cm范圍內(nèi)的準確率高達95%以上，具有較好的推廣應用意義。

4 結 語

吃水檢測技術是航閘管理中的“老大難”問題，是保障船閘安全、航道安全的關鍵技術。隨著人工智能、機器視覺等技術的發(fā)展，吃水檢測技術精度將更加精準，除水利行業(yè)以外，可推廣應用至港航、海事、執(zhí)法等涉水單位，為整個涉水行業(yè)提供吃水檢測服務和應用。