（上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125）

一、概述

目前上海市橋梁主動防撞預警系統(tǒng)主要由可見光攝像系統(tǒng)、雷達掃描系統(tǒng)采集船舶航跡數(shù)據(jù)，并在此基礎上對橋梁附近船舶的碰撞風險評價和預警。由于技術手段的限制，目前可見光攝像系統(tǒng)、雷達掃描系統(tǒng)采集船舶位置信息仍然存在一定誤差。采用精準度更好的激光傳感系統(tǒng)校準，可以幫助預警系統(tǒng)更精確地繪制船舶航跡信息，并提前準確預警，船舶及時調(diào)整運行速度和方向，有效防止撞擊。

二、系統(tǒng)的設計

為了滿足內(nèi)河通航河道橋梁防撞一般要求，首先需研究激光測距掃描與雷達／可見光圖像融合的監(jiān)測校準系統(tǒng)總體設計參數(shù)要求，包括探測距離，探測范圍，工作溫濕度范圍最低要求、防水等級，防雷裝置要求，系統(tǒng)電源要求，系統(tǒng)響應時間要求等；明確系統(tǒng)參數(shù)需求后，根據(jù)該需求研究相應激光測距校準系統(tǒng)方案合理組成與相互關系及配置方式，包括選用哪些探測設備，如何更好的結合實現(xiàn)全天候、全天時、全自動下的告警。橋梁防撞激光校準系統(tǒng)的主要技術路線如圖1所示。

圖1 橋梁防撞激光校準系統(tǒng)技術路線圖

校準系統(tǒng)技術指標要求：系統(tǒng)監(jiān)控視場能覆蓋全部航道；系統(tǒng)實現(xiàn)對雷達/可見光圖像采集系統(tǒng)的校準功能；單套系統(tǒng)在無遮擋情況下檢測范圍為直線距離2公里內(nèi)；具備抗強風、防雨水和防感應雷能力(三防),工作溫度-10℃至40℃；系統(tǒng)能夠存儲相應檢測數(shù)據(jù),具有檢索功能。

三、系統(tǒng)的組成

根據(jù)校準系統(tǒng)的技術要求和路線，確定該系統(tǒng)由激光測距儀、三維掃描儀或數(shù)字全站儀、高精度云臺、數(shù)據(jù)處理軟件及控制電腦組成，系統(tǒng)軟件通過分析處理激光測距儀和全站儀傳回的數(shù)據(jù)，為其他目標船舶圖像采集系統(tǒng)提供校準功能。

四、摸底試驗

該激光校準系統(tǒng)采用的是多特征自適應融合的多目標跟蹤算法。為了解橋梁防撞系統(tǒng)的探測特性，更好地規(guī)劃校準系統(tǒng)軟硬件設計，同時比較校準系統(tǒng)跟蹤算法與傳統(tǒng)基于顏色直方圖的Camshift跟蹤算法的優(yōu)勢，該系統(tǒng)進行了三次防橋撞系統(tǒng)的摸底試驗。

第一次試驗為2018年10月在上海S4高速公路奉浦大橋上對黃浦江上的航行船舶進行連續(xù)拍攝、航跡跟蹤和識別。溫度16℃，陰天，風力3級～4級，用可見光攝像機拍攝。試驗記錄了船舶檢測、航跡跟蹤的全部過程。首先提取船舶周圍水體的背景像素，進行背景減除操作得到目標船只的前景像素圖，船舶目標的顏色直方圖；然后依據(jù)顏色直方圖進行圖像跟蹤；接著連續(xù)觀測船舶，得到目標船只的數(shù)值化航跡；最后通過攝像系統(tǒng)的坐標校準，連續(xù)實時地得到航道上目標船只的航跡時間序列。用camshift跟蹤船舶，由于內(nèi)河航道中背景比較復雜，河岸背景的顏色和船舶目標很相近，但是船舶是在河道中航行，因而劃定跟蹤范圍，人為剔除背景的干擾，船舶基本上是按直線運動。

第二次試驗為2018年12月19日上海同三高速公路G1501橫潦涇大橋?qū)S浦江上的航行船舶進行連續(xù)拍攝、航跡跟蹤和識別。溫度16℃，陰天，風力3級～4級，用紅外和可見光攝像機分別拍攝。該試驗船舶是下行的，隨著船舶的駛近，船舶在圖像中所占的像素數(shù)變多，但是camshift能夠自動調(diào)節(jié)窗口大小以適應被跟蹤目標在圖像中的大小，可以有效地解決目標變形問題。

第三次試驗為2018年12月20日夜晚于同三高速公路G1501橫潦涇大橋拍攝，溫度12℃，陰天，風力4級～5級，使用紅外和可見光攝像機，同時啟用了激光測距儀測試距離。該次試驗為了獲得橋區(qū)探測到的船舶距離、運動速度信息，利用激光測距儀獲得目標實時距離并利用激光采用周期或頻率換算成目標實時運動速度，計算航道上目標船只在時間序列上的航跡，實現(xiàn)基于激光測距的多船舶目標檢測、跟蹤。采用背景減除加canny邊緣檢測檢測船舶目標，之后用camshift算法跟蹤目標，即多特征自適應融合的多目標跟蹤算法。

上述試驗顯示，基于顏色直方圖的Camshift跟蹤算法在復雜氣象條件下無法得到準確的跟蹤結果，而多特征自適應融合的多目標跟蹤算法的目標模型由顏色、形狀及紋理多特征自適應融合實現(xiàn)，增加了描述目標模型的可靠性和魯棒性；在跟蹤目標時，將融合信息目標模型結合到Camshift跟蹤算法中，具有更高的準確性和可靠性。

五、外場驗證

為了驗證系統(tǒng)的設備、軟件和數(shù)據(jù)是否滿足校準的技術指標要求，通過該防撞校準系統(tǒng)采集兩次航道位置數(shù)據(jù)。第一次位于泖港新橋，時間2018年11月20日10時～13時；第二次位于東海大橋，時間2019年5月25日13時～16時。以泖港新橋試驗數(shù)據(jù)為例，共測了7個點位，每個點位的誤差比（差值/平均（‰））如表1所示。

表1 測量點誤差分析

各點位不同指標的數(shù)據(jù)測量最大誤差為6.757‰，誤差極小，符合使用要求。

六、系統(tǒng)的創(chuàng)新

該橋梁防撞激光校準系統(tǒng)主要創(chuàng)新點有：1.用于標定防橋撞系統(tǒng)的測試精度，由于觀測視角較低，視場較大，需要標定的點位較多，因此該標定系統(tǒng)設計采用云臺加軟件控制，可以根據(jù)設置的采集條件，通過算法采樣區(qū)域分隔點位，進行自動線性掃描。2.在系統(tǒng)標定過程中，如果僅僅標定河道中航道上預設點位，由于河水的流動性和水面漲落，會照成標定的誤差，為了減小這種誤差，標定時采用在河道周邊建立采樣參照點，通過數(shù)據(jù)對比的方法減小誤差影響。3.標定試驗過程中，標定的采樣數(shù)據(jù)較多，由于采用軟件控制云臺加全站儀自動采樣，為了防止系統(tǒng)問題出現(xiàn)原始采樣數(shù)據(jù)的錯誤，采用多次采樣,對每個采樣點進行2次或多次采樣測量，并通過算法判斷合理值。

七、結語

該橋梁防撞激光校準系統(tǒng)是一款性價比有優(yōu)勢的橋梁主動防撞系統(tǒng)產(chǎn)品，深受橋梁建設單位的歡迎，對航道或跨航道橋梁建設及管理、設計施工部門都具有積極有效的影響。