船舶異常行為的界定與仿真分析

王瑩

x摘 要：參考了內(nèi)河橋區(qū)船舶的通航規(guī)范，針對(duì)現(xiàn)下的船舶在內(nèi)河橋區(qū)航道所有可能產(chǎn)生的異常航跡，提出了以視頻檢測(cè)為基礎(chǔ)的內(nèi)河橋區(qū)船舶異常行為模型，與此同時(shí)，為了判斷船舶航行行為的異常與否，首先制定了指標(biāo)信息，主要包括船舶航速、船舶領(lǐng)域、船隊(duì)大小、運(yùn)動(dòng)方向、風(fēng)力、能見度、浪高和人為因素。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是處理速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，還能夠準(zhǔn)確快速地判斷是否屬于異常航跡。

關(guān)鍵詞：船舶 異常模型 判定準(zhǔn)則 仿真分析

中圖分類號(hào)：U692 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（a）-0142-02

1 船舶異常行為準(zhǔn)則

船橋相撞事故在我國(guó)總是頻繁的發(fā)生。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1968—1995年南京長(zhǎng)江大橋共發(fā)生重大撞橋事故25起；建橋至今武漢長(zhǎng)江大橋已發(fā)生撞橋事故81起；更有甚者在2007年6月中旬，九江大橋坍塌也是因被船只撞擊導(dǎo)致的。根據(jù)資料來(lái)看，在汛期順流航行時(shí)發(fā)生船橋相撞事故的比例為65%；在航道彎曲度大的橋區(qū)河道中和水流方向與橋軸法線方向之間的夾角處發(fā)生事故的比例有60%；人為過(guò)失因素有關(guān)的事故率有70%。

自然和人為因素都會(huì)影響內(nèi)河橋區(qū)船舶的安全航行?，F(xiàn)以上海黃浦江段奉浦大橋水域?yàn)槔M(jìn)行討論，結(jié)合《上海黃浦江通航安全管理規(guī)定》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)定》）[1]，遵循分道通航、大船小船分流、各自靠右航行的原則，假定影響船舶安全航行的因素并可定為評(píng)判準(zhǔn)則的主要有船隊(duì)大小、運(yùn)動(dòng)方向、能見度、船舶航速、風(fēng)力、浪高、船舶領(lǐng)域和人為因素這八個(gè)方面。

1.1 船舶航速

影響船舶安全航行的重要因素是航速，在天氣不好的時(shí)候，如霧天、可視距離短、能見度低的情況下，引發(fā)船舶事故的罪魁禍?zhǔn)字饕呛剿佟Ｐ∮诘扔?節(jié)約4 m/s的船速是船舶正常航行時(shí)的船速，在橋區(qū)河道上小于等于5，節(jié)約2.6 m/s的速度是安全航速，這是由于船只進(jìn)入橋區(qū)河道前需要提前減速，同時(shí)船只在橋區(qū)河道上不得無(wú)故任意停船，主要是為了對(duì)其他船舶的正常通行不產(chǎn)生影響，所以，根據(jù)上述內(nèi)容船只的航行速度的安全行駛范圍為0

1.2 能見度

根據(jù)資料表明，70%的碰撞事故發(fā)生是能見度不良導(dǎo)致的，不良的能見度在《航道與引航》中被界定在50～2000 m之間的能見距離。在《規(guī)定》中，黃浦江水域的能見度不足100 m的情況下，嚴(yán)禁所有船只的通行；不足500 m的，嚴(yán)禁大型船只通行；不足1000 m的，船只應(yīng)當(dāng)緩速慢行通過(guò)。所以，禁止船舶過(guò)橋的安全視距是在100～500 m之間時(shí)。

1.3 運(yùn)動(dòng)方向

為減少甚至避免船相撞和船撞橋等事故的發(fā)生，船舶要遵循各自靠右航行、分道通航、大船小船分流的原則。按照《長(zhǎng)江江蘇段船舶定線制規(guī)定》第十九條所說(shuō)的：橫越的船舶要在不妨礙其他船只行駛時(shí)，盡可能與通航分道成直角就近進(jìn)行，同時(shí)需要注意周圍環(huán)境和航道情況。同時(shí)，《規(guī)定》中也對(duì)船只可掉頭的區(qū)域和橫穿航道的行為等有著明確的說(shuō)明。

1.4 船隊(duì)大小

為了達(dá)到省時(shí)省力的目的，多有拖帶船隊(duì)和頂推船隊(duì)在內(nèi)河水路中行駛，這種情況下船隊(duì)的裝貨高度、總長(zhǎng)度及寬度都會(huì)對(duì)橋梁和其他甚至自身船只的行駛造成一定程度的影響。因此，參考后在這里設(shè)定，船只載貨后總長(zhǎng)應(yīng)小于等于165 m，寬度小于等于32 m，高度需小于等于29.5 m，對(duì)船只的長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控可以根據(jù)檢測(cè)階段測(cè)量出的船只尺寸進(jìn)行。

1.5 船舶領(lǐng)域

船舶領(lǐng)域的概念在1963年被著名學(xué)者藤井弭平提出，其開創(chuàng)了日本的海上交通工程學(xué)。從幾何學(xué)的概念上來(lái)說(shuō)船舶碰撞就是指會(huì)遇船舶的距離為零。假如船只與船只之間總是保持一定的安全距離，那么則可以確保船只安全有效的航行并防止碰撞事故的發(fā)生。這一安全距離即船舶領(lǐng)域半徑[2]，在避碰規(guī)則中我們可以理解為“寬”的概念。船舶的航道寬度、動(dòng)態(tài)及靜態(tài)特性、風(fēng)流等因素對(duì)船舶領(lǐng)域有著重大的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在內(nèi)河橋區(qū)河道上，船只的基本領(lǐng)域長(zhǎng)度可以定為3 m，綜合考慮船速、風(fēng)、流等因素后，船舶領(lǐng)域長(zhǎng)度可以增加到4 m。

1.6 風(fēng)力

船舶交通安全和效率會(huì)在大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)天氣中收到很大的影響，比如造成航行船只發(fā)生偏航的大風(fēng)，偏航會(huì)產(chǎn)生巨大的危害，特別是在航道受限水域。船舶產(chǎn)生搖擺是由大風(fēng)引起的水面波浪造成的，大風(fēng)還能使船員對(duì)船只的操縱能力受到一定程度的限制，還影響船員觀察周圍環(huán)境情況。我們知道4～5級(jí)的風(fēng)浪在長(zhǎng)江下游就會(huì)對(duì)船隊(duì)的行駛造成一定的阻礙影響，而當(dāng)大風(fēng)浪達(dá)到5～6級(jí)以上時(shí)就會(huì)對(duì)船隊(duì)的行駛起到很大的威脅作用。根據(jù)浦福式風(fēng)級(jí)表我們可以知道，5級(jí)大風(fēng)的風(fēng)速V5大約為8～10.7 m/s。故此，在這里我們規(guī)定V風(fēng)<9m/s為風(fēng)力的安全范圍。

1.7 浪高

浪頭越來(lái)越大主要是由風(fēng)力越來(lái)越強(qiáng)引起的，如果是在海面上，2 m的中浪僅需由5級(jí)的清風(fēng)就能引起，轉(zhuǎn)而到內(nèi)河航道中，與浪高有復(fù)雜而緊密關(guān)聯(lián)的主要有河道的寬度、風(fēng)浪的相對(duì)速度以及河岸對(duì)河道的遮蔽等一系列條件；另一方面，由于快速客輪高速行駛而引起的浪，往往會(huì)使得周圍船只發(fā)生橫向漂移，這是因?yàn)榭焖倏洼唽?duì)途徑船只有著側(cè)向推力。所以我們可以知道，不可忽視的因素之一就是浪的大小。

1.8 人為因素

導(dǎo)致船舶事故發(fā)生的很大一部分原因是由人為因素或者操作不當(dāng)引起的，因?yàn)槿藶橐蛩厥菬o(wú)法避免和無(wú)法估計(jì)的，所以在本文中不做贅述。

2 船舶異常的模型

通過(guò)船只行駛的影響原因和內(nèi)河橋區(qū)水路船只的通航規(guī)范，船只正常航行的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息（如航跡寬度、速度、運(yùn)動(dòng)方向以及風(fēng)力等）范圍可以被制定出，船只航行的異常與否主要是由船只的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)信息是否滿足上一節(jié)中規(guī)定的范圍來(lái)判斷。使用這種方法能夠準(zhǔn)確快速地判斷船舶的異常行為，而且它實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，處理速度也夠快。

2.1 船舶航跡的異常

為了獲取船只的航行軌跡，需要在檢測(cè)到了運(yùn)動(dòng)船舶之后展開跟蹤處理，以便得到在每幀視頻圖像序列中目標(biāo)的定位點(diǎn)，進(jìn)一步可以描繪出船只的行駛痕跡。運(yùn)用的跟蹤算法是以Camshift為基礎(chǔ)的多特征自適應(yīng)融合算法，解決一系列由于復(fù)雜背景的干擾以及天氣、光照等的變化和內(nèi)河船只的遮擋、重疊等造成的問(wèn)題，如圖1所示，選用紋理特征信息、顏色以及形狀同時(shí)作用于通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)獲得的目標(biāo)，并進(jìn)行建模工作，而對(duì)船只跟蹤方面，采用的更新系數(shù)是基于多特征信息的融合系數(shù)。

通過(guò)船只跟蹤得到的船舶航跡若符合安全準(zhǔn)則，在河面通航區(qū)域內(nèi)，則為正常船舶航跡，不存在船撞橋的事故；反之，若航跡超出了通航區(qū)域進(jìn)入危險(xiǎn)或警告區(qū)域，則為異常航跡，有可能會(huì)發(fā)生船撞橋的事故，需要發(fā)出警報(bào)。

2.2 船舶速度的異常

實(shí)際中的船舶速度為：

（1）

實(shí)際中的船舶位置與視頻圖像中的船舶位置存在以下關(guān)系：

（2）

由式（1）和（2）可以得到船舶的實(shí)際速度為：（VX，VY），則在實(shí)際中船舶的真實(shí)速度V船為：。

通過(guò)與之前得到的安全船舶航行速度范圍0

2.3 船舶異常行為的仿真分析

就運(yùn)動(dòng)軌跡方面，為了驗(yàn)證上述方法，通過(guò)實(shí)際視頻數(shù)據(jù)展開，如圖2所示，視頻為上海A4奉浦大橋，于2008年11月12日拍攝，陰天，溫度為16℃，風(fēng)力3～4級(jí)，視頻總幀數(shù)為1086，幀大小為352×288像素，圖中目標(biāo)檢測(cè)數(shù)量顯示為3。

如圖2所示，為左側(cè)下行航道中兩船舶正常航行時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)獲取航跡的方法獲得船舶航跡后對(duì)航跡進(jìn)行分析，船沿運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)行時(shí)有微小偏移量，但此偏移量在正常范圍內(nèi)，故判定此航跡為正常航跡，船舶在規(guī)定航道內(nèi)正常行駛。

如圖3所示，視頻為上海閔浦大橋，于2012年3月21日拍攝，晴天，溫度12℃，風(fēng)力為4級(jí)，能見度大于10 km，幀大小為320×240像素，圖中目標(biāo)檢測(cè)數(shù)量顯示為4。如圖所示，video窗口（左上）顯示原始視頻并標(biāo)有被檢測(cè)船只的行駛軌跡、background窗口（右上）為視頻的背景、foreground窗口（左下）為視頻前景即被檢測(cè)船只、R窗口（右下）為檢測(cè)區(qū)域劃分及實(shí)時(shí)檢測(cè)到的船只，視頻中河道右側(cè)為上行航道左側(cè)為下行航道，圖中在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)并顯示其航跡的共有A、B、C、D四條船只，其中在上行航道范圍內(nèi)有三條船舶的運(yùn)行軌跡，按照航道的分布以及船舶的運(yùn)動(dòng)方向可以推測(cè)出，A船的正常運(yùn)動(dòng)軌跡因以黑色運(yùn)動(dòng)軌跡線X為中心，允許產(chǎn)生一定量的小偏移，但在圖中可以看出，A船的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如灰色運(yùn)動(dòng)軌跡線所示，船頭方向已發(fā)生大量偏移，明顯偏離原定軌跡，故此產(chǎn)生船只橫穿航道的警告，同時(shí)，B、C、D船均為正常行駛，沒(méi)有觸發(fā)警報(bào)，如圖4所示。后由事實(shí)證明，A船的確橫穿航道，A船的航跡屬于異常航跡。本實(shí)驗(yàn)為單觸發(fā)實(shí)例，在多目標(biāo)異常的情況下，警報(bào)觸發(fā)可能為多觸發(fā)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文在橋區(qū)內(nèi)河水路交通建立異常船只航跡模型，以運(yùn)用視頻檢測(cè)手段為基礎(chǔ)，通過(guò)分析船舶航速、運(yùn)動(dòng)方向、船舶領(lǐng)域、能見度、船隊(duì)大小、浪高、風(fēng)力和人為因素這八個(gè)指標(biāo)信息，然后對(duì)比于所制定的行為評(píng)判準(zhǔn)則并進(jìn)行分析，可以知道船只的行駛是否異常，在有異常發(fā)生的時(shí)候?yàn)榱吮苊獯瑯蛳嘧彩鹿实陌l(fā)生還能實(shí)時(shí)給出預(yù)警信號(hào)。對(duì)于被認(rèn)定為有發(fā)生事故可能性或者有異常的船舶來(lái)講，該方法對(duì)船只的監(jiān)控和警告行為是及時(shí)有效的，此外，因長(zhǎng)時(shí)間工作，監(jiān)控人員造成的疏忽能被更多的避免掉，全天候的視頻監(jiān)控問(wèn)題也能被更好的實(shí)行，船船相撞事故以及船橋相撞的發(fā)生從而還能行之有效的被避免。經(jīng)實(shí)驗(yàn)及性能分析，該模型具的高準(zhǔn)確性被及時(shí)驗(yàn)證了，得到船只異常行為軌跡后還可以啟動(dòng)主動(dòng)告警決策。

參考文獻(xiàn)

[1]交通部.上海黃浦江通航安全管理規(guī)定[EB/OL].http：//www.shmsa.gov.cn/.