任 慧，王 瑩，2，肖 剛，閆興非

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

1 引言

水運交通的發(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，給人民的生命財產(chǎn)以及環(huán)境和社會造成了極大的損害。2007年6月15日，一艘佛山籍運沙船“南桂機035”行航經(jīng)325國道九江大橋時撞擊九江大橋橋墩，造成325國道九江大橋約200 m橋面坍塌，4輛汽車墜江，9人死亡，直接經(jīng)濟損失達到3億元人民幣。廣東九江大橋的后續(xù)評估、修復(fù)工作持續(xù)了1年時間［1］。具不完全統(tǒng)計，截止到2011年底，我國主要通航河流上的橋梁已經(jīng)達到470多座，僅長江上的大型橋梁達到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))。因此對這些橋梁的通航環(huán)境進行研究并采取防撞措施具有重大意義。

在我國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)合探測為主要手段并將探測到數(shù)據(jù)進行融合的橋梁防船撞主動預(yù)警系統(tǒng)方案，可以滿足全天候、全天時、全自動和穩(wěn)定可靠的防撞預(yù)警需求，該系統(tǒng)區(qū)別于被動防船撞系統(tǒng)，具有易于安裝和維護、對環(huán)境影響小的特點;區(qū)別于以雷達為主要傳感器的船舶交通管理系統(tǒng)(VTS)，具有實時性、可靠性和成本低的特點。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預(yù)警系統(tǒng)的工作原理，進行了系統(tǒng)總體、硬件和軟件的方案設(shè)計，并開展了初步的實驗研究和性能分析。

2 國外現(xiàn)有的橋梁防撞系統(tǒng)分析

國內(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、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、行進方向、速度、船舶相互交行等，以向船舶迅速地提供進出港時所需的安全航行信息，是海事部門實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中的雷達采用微波波段工作，以目標前沿跟蹤和目標重心跟蹤兩種方式工作。其缺點在于:①建立跟蹤的時間太長，達一個天線掃描周期，不利于對港區(qū)機動目標快速建立穩(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用于兩船檢測和跟蹤的空間分辨率較低，目標跟蹤混跡現(xiàn)象較嚴重，因此不適應(yīng)對交通密集的內(nèi)河航道水域目標進行跟蹤與預(yù)警。

2．2 被動防船撞系統(tǒng)

國內(nèi)外現(xiàn)有的橋梁防船撞設(shè)施大多是基于被動式的設(shè)計，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，來保護橋梁的結(jié)構(gòu)安全。從通航橋梁被動防船撞現(xiàn)狀看，被動防撞主要限于碰撞事故的發(fā)生概率風險評估、碰撞力確定方法、碰撞后橋梁的動力特性分析以及橋墩防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)安全等方面。目前國內(nèi)外采用的被動防撞系統(tǒng)主要有附著式防撞系統(tǒng)、獨立式防撞系統(tǒng)、人工島防撞系統(tǒng)三類［3］。

被動防船撞主要是保護橋梁安全，沒有考慮對船舶的保護。此外，被動防船撞裝置對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，使裝置的防護能力不能有效發(fā)揮，同時滑軌存在養(yǎng)護和失效問題。

3 主動防船撞系統(tǒng)工作原理

相對于VTS系統(tǒng)和被動防船撞系統(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，對設(shè)施不會產(chǎn)生破壞，且對通航水路的影響小;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)拍攝的目標特征不明顯。紅外熱像儀是被動接受目標自身的紅外熱輻射，紅外線的波長較長，克服雨、雪、霧的能力較高，因此可以在完全無光時對物體成像，也可以在濃厚的煙幕、云霧中探測船舶目標［5］，然而紅外熱像儀所成圖像沒有紋理和顏色信息［6］。同時可見光傳感器具有硬件成本較低，易于維護等優(yōu)點，紅外成像傳感器具有測溫度場、夜間連續(xù)觀測的優(yōu)點，激光可以完成運動目標測速和測距的功能。所以本系統(tǒng)采用紅外、可見光及激光三類傳感器復(fù)合探測并將探測到的信息進行融合的體制模式。

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

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

4 主動防船撞系統(tǒng)設(shè)計

4．1 系統(tǒng)的功能要求及性能指標

當傳感器采集到現(xiàn)場數(shù)據(jù)后，利用系統(tǒng)軟件模塊進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析，對航行異常和三維尺寸超限的船舶進行告警，告警后船舶進行航跡自校正，當自校正失敗后，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，將整個內(nèi)河監(jiān)測區(qū)劃分為三段，即檢測區(qū)(距橋1．5 ～1 km)、監(jiān)視區(qū)(距橋1 ～0．5 km)、危險區(qū)(距橋小于0．5 km)。系統(tǒng)應(yīng)滿足如下的功能要求:①對通航橋梁上下游的船舶進行24 h監(jiān)測;②對超高超寬的船舶進行告警;③對有撞橋趨勢的船舶提前進行告警;④對違規(guī)事件和相應(yīng)的視頻數(shù)據(jù)進行記錄，便于事后進行事故評估和責任認定;⑤當告警船舶航跡自校正失敗后，能夠人工進行航跡干預(yù)，解除撞橋威脅。相應(yīng)地系統(tǒng)性能指標:①滿足全天候、全天時、全自動的橋梁防船撞主動預(yù)警需求，同時對船舶目標的探測距離不低于1．5 km，報警距離不低于0．5 km;②對進入監(jiān)視區(qū)的所有船舶能進行實時跟蹤;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目標探測與告警模塊;②數(shù)據(jù)處理與分析模塊;③監(jiān)控與人機交互模塊組成?？梢詫崿F(xiàn)全天候、全天時、全自動或者人機交互模式下的告警，對通航橋梁下的船舶實行有效的主動監(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，即船舶的三維尺寸測量和船撞橋趨勢預(yù)測。系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)的設(shè)計架構(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)各傳感器可同時工作，具備晝夜監(jiān)控能力，并具有目標搜索定位功能;

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

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

(4)具備抗強風、防雨水和防感應(yīng)雷能力;

(5)系統(tǒng)可在室內(nèi)對室外設(shè)備進行遠距離控制;

(6)系統(tǒng)能夠存儲海量視頻圖像，具有報警功能。

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，調(diào)用Intel OpenCV圖像庫進行開發(fā)，同時用SQLsever進行數(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)場圖像的采集、顯示與存儲。

(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［7］、紅外和可見光圖像融合［8］。

(3)船舶的三維尺寸測量模塊，能夠基于監(jiān)控視頻對進入監(jiān)視區(qū)的船舶進行三維尺寸非接觸測量。

(4)船舶的檢測跟蹤模塊，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出船舶目標，并進行目標跟蹤［9］。

(5)船舶的航跡預(yù)測模塊，在船舶檢測跟蹤的基礎(chǔ)上進行航跡預(yù)測，對船過橋的位置進行預(yù)測并檢測出有撞橋危險的船舶進而能夠觸發(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)對告警事件進行記錄，并能回調(diào)告警事件記錄數(shù)據(jù)庫中的視頻，從而進行事件分析。

(7)人機交互模塊，對傳感器拍攝的視頻進行監(jiān)視，當發(fā)現(xiàn)某個船舶目標航行不正常時，可以手動觸發(fā)進行告警。

5 實驗研究及性能分析

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

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

圖5 船舶目標的檢測跟蹤和航跡識別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，進行背靜取出操作得到目標船只的前景像素圖，然后進行輪廓識別和特征點定位，最后，連續(xù)對特征點進行觀測，即可得到目標船只的數(shù)值化航跡，再通過攝像系統(tǒng)的坐標校準，可以連續(xù)實時地得到航道上目標船只的航跡時間序列，該時間序列是一個在航道平面坐標系上的二維(x，y)時間序列，再對該時間序列進行外推可以預(yù)測到船舶的過橋位置，當有撞橋危險時觸發(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，保護橋梁和船舶的安全。

6 結(jié)束語

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，并進行了相應(yīng)的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，開展了初步實驗研究和性能分析，驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性。系統(tǒng)最終可以實現(xiàn)全天候，全天時和全自動地對有撞橋趨勢的船舶進行聲光告警，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預(yù)警技術(shù)將在橋梁防船撞領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

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