□ 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)計與實現(xiàn)

□ 文/呂洪濤

本文針對橋梁防撞研究這一工程界的熱點問題，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)視到報警的全方位 立 體 監(jiān) 控 預(yù) 警 體 系 ，對 目 標 船 舶 進 行 實 時 、準 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)與航運業(yè)發(fā)展一樣，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占有舉足輕重的地位。人們在享受橋梁建設(shè)為經(jīng)濟騰飛帶來的巨大便利的同時，也不得不面對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；因橋壤的修建改變原有水道的流場特征，從而導(dǎo)致船舶在橋壤水域航行困難，更進一步增加了船舶碰撞橋繳的風(fēng)險性。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?？v觀相關(guān)文獻和報道，人們不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外重大船橋碰撞事故時有發(fā)生。

據(jù)美國的統(tǒng)計數(shù)字表明 , 在通航的大型橋梁運營期間，約有10%的橋梁會發(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 橋 梁 安 全 運 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 時左右，325 國道廣東佛山九江大橋發(fā)生了一起運砂船撞擊橋墩事件，大橋橋墩當場被撞斷,橋面隨之垮塌，長度大約有140m，交通中斷，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會影響，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，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歸結(jié)為三大類：第一大類是人員失誤，如疏忽、操縱失誤等；第二大類是機械故障，如主機熄火、舵機失靈、船隊斷纜等；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)生多起嚴重碰撞事件。造成人民生命財產(chǎn)的重大損失，嚴重危害公共安全；在當前經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型升級時期，迫切需要針對橋梁安全建設(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；張文娟針對單船在橋區(qū)的航行碰撞事故的預(yù)瞀方法進行了研究與探索，提出基于船舶航跡預(yù)測的橋區(qū) 水 域 船 舶 航 行 風(fēng) 險 預(yù) 警 方 法 ；華 南 理 工 大 學(xué) 的 吳 震采用紅外視頻與VHF自動播報技術(shù)相結(jié)合的方式針對內(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避碰系統(tǒng)，實現(xiàn)了對特定船型在特

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

本項目建設(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，并及時進行警示和錄像，其核心技術(shù)為激光及視頻分析技術(shù)：當有船舶高度超過預(yù)先設(shè)定好的高度時，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 ，監(jiān) 控 人 員 可 以 從 視 頻錄像里看清現(xiàn)場情況，并通過對講功能對現(xiàn)場船只進行喊話通知，同時平臺可以幫助管理部門進行事后違章取證。而橋區(qū)視頻檢測系統(tǒng)可以在離橋墩較遠的距離范圍內(nèi)識別船舶航跡，通過相應(yīng)的算法并比對相關(guān)通航規(guī)范，對具體船舶航跡帶的“合法性”進行預(yù)判和預(yù)警，可以在碰撞危險發(fā)生的早期階段對船橋避碰風(fēng)險進行消除。

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

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攝像頭與激光測距儀，通過高清攝像頭的圖像識別功能，對江面、隧道上運動的物體進行識別，當船舶穿越“駛?cè)搿鳖A(yù)警區(qū)域后，啟動一級預(yù)警，對于船只進行重點監(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現(xiàn)主要航道的全覆蓋；若船舶超高，則在船舶行進過程中會依次觸碰兩束激光，此時激光測距儀將會依次收到反射信號從而確認船舶超高；若船舶并未超高，則激光測距儀將不會收到反射信號，當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，系統(tǒng)實施報警。觸發(fā)前端橋梁上的告警設(shè)備開始工作，高音廣播對船只進行語音告警，LED顯示屏進行信息圖像告警；若在夜間則啟動橋墩高清夜視視頻探頭進行錄像，同時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)后進行分析并給管理人員發(fā)送報警信息，同時監(jiān)控中心彈出告警現(xiàn)場的實時畫面，管理人員手機也將會收到報警橋梁的視頻鏈接；前端和監(jiān)控中心同時進行錄像以現(xiàn)場取證。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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 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并綜合運用視頻檢測與分析手段對駛?cè)霕蛄罕O(jiān)測區(qū)域的船只進行識別、跟蹤與基于運動視頻的信息融合與分析，運用LED顯示屏和信號燈對超高船舶進行安全行駛發(fā)出警示；同時通過錄像功能幫助監(jiān)管人員在監(jiān)控中心實時監(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行激光發(fā)射，超高船舶碰觸激光即可實現(xiàn)預(yù)警。

管理平臺的主要功能是對預(yù)警數(shù)據(jù)及上傳的視頻進行統(tǒng)一合理化調(diào)度管理、提供設(shè)備遠程維護及遠程信息發(fā)布；并且能夠與海事A IS（船舶自動識別系統(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、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橋洞（每個橋洞兩個）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、隧道大小進行一定角度的范圍掃描，對船舶進行超高監(jiān)測及距離確認（ 雙 重 確 認 ）。

高清網(wǎng)絡(luò)攝像機可實施24小時不間斷錄像，激光 儀 觸 發(fā) 警 報 后 可 自 動 啟 動 預(yù) 警 功 能 ，提 示 管 理 人員并把錄像保存在本地及后臺服務(wù)器端。該系統(tǒng)的視頻質(zhì)量可達到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欄上，作用是接收激光測距儀的信號并驅(qū)動LED屏和大功率喇叭發(fā)出警報，并對接管理后臺。

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)后臺管理平臺的功能實現(xiàn)

后臺管理系統(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。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 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，出外手機終端應(yīng)急觀看；

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

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

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

存儲系統(tǒng)：根據(jù)需要進行錄像存儲和調(diào)閱。

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

本系統(tǒng)采用超低功耗設(shè)計，系統(tǒng)供電采用市電及太陽能備份的雙電源系統(tǒng)：停電時自動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)自試運行以來，按要求進行了日常值守和現(xiàn)場專項考核；對系統(tǒng)功能、警情測報、可靠性、報 警 聯(lián) 動 、供 電 能 力 等 諸 多 方 面 進 行 了 嚴 格 測 試 。經(jīng)測試：晴天天氣下，全天候誤報率與漏報率都為0，實現(xiàn)了100%準確預(yù)警；而在極端大霧天氣、大雨天氣系統(tǒng)的準確預(yù)警率達99.7，同時建議封鎖航道。

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，建立一套機制靈活、安全可靠的橋梁防撞預(yù)警系統(tǒng)是一項刻不容緩的工作；本文以滿 足 大 橋 防 撞 的 實 際 應(yīng) 用 為 出 發(fā) 點 ，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)視到報警的立體監(jiān)控預(yù)警體系，對目標船舶進行實時、準確的監(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