一種新型的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

劉暢 周曙 張彩云

摘要：本文介紹一種橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括視頻監(jiān)控裝置、激光測高裝置、報(bào)警裝置以及主控機(jī)、集控中心。系統(tǒng)利用船舶的實(shí)時數(shù)據(jù)與軟件算法相結(jié)合，預(yù)警靈敏度更高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的基于船舶交通管理系統(tǒng)和被動預(yù)防船舶撞擊設(shè)施在功能及效率上的局限性，實(shí)現(xiàn)了全監(jiān)控的自動化，減少了人的工作量并保證了事故預(yù)警的可靠性。實(shí)用性更強(qiáng)，探測距離更遠(yuǎn)，應(yīng)急反應(yīng)時間更長。

Abstract： This paper introduces a bridge active anti-ship collision monitoring and warning system， which includes video monitoring device， laser altimeter， alarm device， main control unit and centralized control center. The system combines ship real-time data with software algorithm， the warning sensitivity is higher， and it makes up for the limitation of traditional function and efficiency based on ship traffic management system and passive prevention of ship collision facilities， realizes the automatic monitoring， reduces the workload and ensures the reliability of accident warning. The utility model has the advantages of stronger practicability， longer detection distance and longer emergency response time.

關(guān)鍵詞：預(yù)警系統(tǒng)；視頻監(jiān)控；激光測高；主控機(jī)；算法

Key words： warning system；video monitoring；laser altimeter；main control unit；algorithm

中圖分類號：TN954 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0187-03

0 引言

目前通航水域的橋梁主動防撞技術(shù)和方法研究仍處于空白或起步階段[1]，尚無適用的設(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外現(xiàn)有的橋梁防船舶撞擊技術(shù)主要是基于被動防船撞系統(tǒng)和船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）進(jìn)行工作的。

被動防船撞系統(tǒng)主要是通過提高橋梁的抗力和增加緩沖裝置的方式來保證橋梁在發(fā)生船撞事件后具有足夠的抗力而不發(fā)生倒塌事故[2，3]。這種方式從一定程度上降低了船撞橋事故對橋梁的損傷，但不能避免事故的發(fā)生，且導(dǎo)致橋梁修建費(fèi)用過高，很不經(jīng)濟(jì)合理。船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）的信息交換方法[4]主要采用高頻無線電話、傳真、VHF（Very High Frequency）通信等，系統(tǒng)信息交換流程重復(fù)繁瑣，工作效率極低。同時大量船舶駕駛?cè)藛T詢問信息的電話咨詢會影響到值班人員的正常工作，從而會造成交通安全問題。

隨著計(jì)算機(jī)視覺、人工智能的發(fā)展，智能化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸普及，廣泛應(yīng)用于人力監(jiān)管范圍外的領(lǐng)域?；谟?jì)算機(jī)視覺的橋梁防撞主動預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，采用可見光與紅外光結(jié)合的復(fù)合探測、計(jì)算機(jī)視覺處理、電子信息技術(shù)等，實(shí)時獲取處理現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，在復(fù)雜的內(nèi)河航道背景下，監(jiān)測船舶航行狀況，以主動預(yù)警的方式提前提醒船員及時輔助船舶航行，保證船舶正常通航，減小船撞橋事故發(fā)生的概率，避免事故所導(dǎo)致的巨額財(cái)產(chǎn)損失甚至生命損失。

1 橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文介紹的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)框架如圖1所示，系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控裝置、激光測高裝置、報(bào)警裝置以及主控機(jī)、集控中心，所述視頻監(jiān)控裝置、激光測高裝置、報(bào)警裝置分別與主控機(jī)電連接，主控機(jī)與集控中心電連接，其中視頻監(jiān)控設(shè)備用于完成對通航船只的偏航監(jiān)測；激光測高裝置用于完成對通航船只的高度監(jiān)測；主控機(jī)用于完成對通航船只運(yùn)行狀態(tài)的存儲和處理；集控中心監(jiān)測預(yù)警機(jī)制判斷是否向船舶發(fā)布預(yù)警信息或其他信息，實(shí)現(xiàn)對船舶通航的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文給出的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其視頻監(jiān)控裝置包含有可見光成像系統(tǒng)、紅外熱成像系統(tǒng)和激光補(bǔ)光成像系統(tǒng)，以采用多光譜聯(lián)合檢測，根據(jù)不同可見程度及環(huán)境情況選擇不同的成像模式。視頻監(jiān)控裝置還包括安裝于通航口兩側(cè)橋梁的輔助攝像機(jī)，以錄制船舶通航過程。激光測高裝置包括激光光束機(jī)，其激光束中心高度與通航孔允許最高凈空高度相同，以采用激光反射原理實(shí)現(xiàn)對通航船只的高度監(jiān)測。報(bào)警裝置包括LED顯示屏、高音喇叭、照明燈、透霧燈及/或預(yù)警燈。通航船只的運(yùn)行狀態(tài)包括船舶檢測、虛擬航道標(biāo)定、船舶與橋梁相對位置、船舶與航道相對位置、預(yù)測船舶航線以及通航船只的偏航監(jiān)測。

2 橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警算法

2.1 橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警算法流程

如圖2所示，本文提出一種新型的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警算法，具體流程實(shí)施如下：

①安裝于橋梁通航口的紅外攝像儀將監(jiān)控水域的視頻信息傳輸至主控機(jī)內(nèi)的監(jiān)測預(yù)警軟件，該軟件通過船舶檢測算法探測監(jiān)控水域是否有船舶通行[5]。若檢測到有船舶通行，則轉(zhuǎn)到步驟②和步驟⑤；否則繼續(xù)執(zhí)行步驟①。

②當(dāng)軟件判斷在監(jiān)控水域有船舶通行，開啟激光測高模塊，主控機(jī)根據(jù)激光測高模塊探測的高度數(shù)據(jù)判斷目標(biāo)船只是否超高。若檢測到目標(biāo)船只超高，則轉(zhuǎn)到步驟③；否則轉(zhuǎn)到步驟④。

③當(dāng)檢測到目標(biāo)船只超高時，主控機(jī)啟動與其連接的報(bào)警裝置，LED顯示屏顯示“超高”，高音喇叭響，照明燈、透霧燈、預(yù)警燈亮。同時主控機(jī)記錄當(dāng)前時間、截取該船只現(xiàn)場照片、船只狀態(tài)（超高）并存儲至數(shù)據(jù)庫。主控機(jī)發(fā)送船只超高信號至集控中心。集控中心計(jì)算機(jī)控制預(yù)警信息發(fā)布模塊廣播預(yù)警信息。

④當(dāng)檢測到目標(biāo)船只未超高時，主控機(jī)控制激光測高模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)。同時主控機(jī)記錄當(dāng)前時間、截取該船只現(xiàn)場照片、船只狀態(tài)（未超高）并存儲至數(shù)據(jù)庫。

⑤當(dāng)監(jiān)控水域檢測到有船舶通行，系統(tǒng)軟件通過虛擬航道標(biāo)定算法、測定船舶與橋梁相對位置算法、測定船舶與航道相對位置算法、預(yù)測船舶航線算法，判定目標(biāo)船只是否有偏航（撞擊橋墩）的風(fēng)險(xiǎn)。若判定目標(biāo)船只無偏航風(fēng)險(xiǎn)，則繼續(xù)執(zhí)行步驟⑤，同時主控機(jī)記錄當(dāng)前時間、截取該船只現(xiàn)場照片、船只狀態(tài)（未偏航）并存儲至數(shù)據(jù)庫。待該船舶離開監(jiān)測區(qū)域后，返回步驟①。否則轉(zhuǎn)到步驟⑥。

⑥若判定目標(biāo)船只有偏航風(fēng)險(xiǎn)，主控機(jī)啟動與其連接的報(bào)警裝置，LED顯示屏顯示“偏航”，高音喇叭響，照明燈、透霧燈、預(yù)警燈亮。同時主控機(jī)記錄當(dāng)前時間、截取該船只現(xiàn)場照片、船只狀態(tài)（偏航）并存儲至數(shù)據(jù)庫。主控機(jī)發(fā)送船只偏航信號至集控中心。集控中心計(jì)算機(jī)控制預(yù)警信息發(fā)布模塊廣播預(yù)警信息。

當(dāng)船只通過通航口時輔助攝像機(jī)啟動并錄制船只通航過程，進(jìn)行存檔處理，便于事故鑒定預(yù)評價(jià)。本實(shí)例中船舶運(yùn)行的狀態(tài)信息（超高/不超高，偏航/不偏航），LED顯示屏顯示信息，高音喇叭、照明燈、透霧燈、預(yù)警燈狀態(tài)，均顯示于橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)軟件界面。本實(shí)施例中，所述集控中心計(jì)算機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)訪問主控機(jī)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，隨時對船舶通航狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 基于張正友棋盤格標(biāo)定法的虛擬航道繪制算法

張正友標(biāo)定算法該方法介于傳統(tǒng)標(biāo)定與自標(biāo)定之間，標(biāo)定過程操作簡便且精確度高。具體算法步驟：本地調(diào)用25幅從不同方向拍攝標(biāo)定板的圖像，檢測標(biāo)定板上各個角點(diǎn)，通過現(xiàn)實(shí)標(biāo)定板角點(diǎn)與圖像平面中角點(diǎn)的關(guān)系計(jì)算攝像機(jī)的內(nèi)參數(shù)、畸變系數(shù)，并優(yōu)化求精；本地調(diào)用與攝像機(jī)光心距離為H1的水面放置的參考板（即標(biāo)定板）的圖像，計(jì)算攝像機(jī)外參數(shù)。

2.3 前景檢測算法

在該前景檢測算法實(shí)施之前首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，限定檢測范圍并縮短處理時間，濾除圖像中由內(nèi)河航道天氣、光線等自然干擾產(chǎn)生的噪聲。

基于三幀差分法與混合高斯背景差分法的前景檢測綜合算法[6]：三幀差分法的算法：讀取三幀相鄰的預(yù)處理圖像，即fk-2（x，y）、fk-1（x，y）、fk（x，y），對其進(jìn)行差分運(yùn)算，將差分圖像D1（x，y）、D2（x，y）自適應(yīng)二值化OTSU、形態(tài)學(xué)處理、邏輯與運(yùn)算后，得到三幀差分法的處理結(jié)果。

混合高斯背景法算法：輸入預(yù)處理的圖像，根據(jù)混合高斯背景模型進(jìn)行背景建模，對圖像中每個像素建立K個高斯模型；背景選取，把每個像素的K個高斯分布從大到小排列，若分布越靠前，則該分布描述背景的可能性越大，反之則可能性越小，按閾值H選擇前面B個分布為背景像素模型（閾值H一般取經(jīng)驗(yàn)值0.75）；混合高斯模型參數(shù)的更新和前景目標(biāo)的提取，獲取當(dāng)前幀，使各個像素值分別與所述的K個高斯分布匹配，若當(dāng)前幀像素值與前B個高斯分布的任意一個匹配，則為背景像素；反之則為前景像素；對運(yùn)動前景進(jìn)行二值化、形態(tài)學(xué)處理即得到GMM算法檢測結(jié)果[7，8]。

3 橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具體實(shí)施方式

在本文所描述的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)施中，紅外攝像儀安裝在橋梁上，能根據(jù)不同可見程度及環(huán)境情況選擇不同的成像模式；輔助攝像機(jī)安裝于通航口兩側(cè)，記錄船只通過通航口的過程并進(jìn)行存檔處理，便于事故鑒定與評價(jià)。激光測高裝置安裝于距通航口500m處航道兩側(cè)岸堤上，其激光束中心高度與通航孔允許最高凈空高度相同；報(bào)警裝置包括LED顯示屏、高音喇叭、照明燈、透霧燈、預(yù)警燈，安裝于橋梁上。主控機(jī)通過傳輸設(shè)備與視頻監(jiān)控設(shè)備、激光測高裝置及報(bào)警裝置相連。集控中心通過網(wǎng)絡(luò)與主控機(jī)進(jìn)行通訊。

4 創(chuàng)新性分析

本文提出的一種新型的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，相較于現(xiàn)有的橋梁防撞技術(shù)，利用船舶的實(shí)時數(shù)據(jù)與軟件算法相結(jié)合，預(yù)警靈敏度更高，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)基于船舶交通管理系統(tǒng)（VTS）和被動預(yù)防船舶撞擊設(shè)施的在功能及效率上局限性；實(shí)現(xiàn)了全天24小時監(jiān)控的自動化，減少了人的工作量并保證了事故預(yù)警的可靠性；防超高探測距離可隨激光測距儀安裝位置改變而改變，實(shí)用性更強(qiáng)，探測距離更遠(yuǎn)，應(yīng)急反應(yīng)時間更長；無需在船舶上安裝任何裝置，從而提高了普及性。

5 結(jié)語

本文提出新型的基于視頻監(jiān)控的橋梁主動防船撞監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)施方案，采用硬件測量與算法分析相結(jié)合的主動預(yù)警的方式，達(dá)到提前提醒船員及時采取措施，輔助船舶航行，從而保證船舶正常通航，減小船撞橋事故發(fā)生的概率，為我國現(xiàn)有的橋梁防船舶撞擊技術(shù)領(lǐng)域提供了新思路，具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李華文.關(guān)于防范船橋碰撞事故的思考[J].珠江水運(yùn)，2011（24）：73-74.

[2]沈自力.橋梁防船撞措施研究進(jìn)展綜述[J].交通科技，2015（3）：73-76.

[3]夏飛.橋梁防撞系統(tǒng)的發(fā)展[J].中國水運(yùn)：理論版，2008，6（1）：70-71.

[4]戚群.成山頭VTS中心雷達(dá)存在的問題和解決方案[C]//中國航海學(xué)會通信導(dǎo)航專業(yè)委員會2003學(xué)術(shù)年會論文集，2003.

[5]劉龍.基于海事監(jiān)控平臺的船舶目標(biāo)檢測與自主跟蹤系統(tǒng)的研究[D].湖南師范大學(xué)，2014.

[6]徐衛(wèi)星，王蘭英，李秀娟.一種基于OpenCV實(shí)現(xiàn)的三幀差分運(yùn)動目標(biāo)檢測算法研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（11）：141-144.

[7]王麗娟.基于OpenCV與混合高斯建模的運(yùn)動目標(biāo)檢測[J].電子測試，2009（9）：86-90.

[8]張文，李榕，朱建武.基于混合高斯模型與三幀差分的目標(biāo)檢測算法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（8）：57-60.