基于視頻分析的橋梁防船舶碰撞預警系統設計與實現

□ 文/呂洪濤

基于視頻分析的橋梁防船舶碰撞預警系統設計與實現

□ 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生原因。以此為基礎，提出了基于視頻分析技術的橋梁防撞系統解決方案。通過攝像機與激光測距儀的遞次架設及智能視頻分析完成了從發現、監視到報警的全方位 立 體 監 控 預 警 體 系 ，對 目 標 船 舶 進 行 實 時 、準 確的監控，為橋梁的船舶碰撞問題提供了可行有效的解決方案。

引言

橋梁建設與航運業發展一樣，在國民經濟發展中占有舉足輕重的地位。人們在享受橋梁建設為經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，導致船舶可航水域通航凈寬、凈高受限，從而直接或間接引發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險性。船舶橋梁碰撞事故一旦發生，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 境 污染事故。縱觀相關文獻和報道，人們不難發現，國內外重大船橋碰撞事故時有發生。

據美國的統計數字表明 , 在通航的大型橋梁運營期間，約有10%的橋梁會發生不同程度的船舶撞擊事故。在國內，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 橋自建橋至今己經發生了約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，造成了巨大的經濟損失和社會影響，并且橋梁結 構、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境造成的船 -橋碰撞事故占事故總數的比例分別為80%，8%，12%；僅廣東省自2013年至2016年已經發生多起嚴重碰撞事件。造成人民生命財產的重大損失，嚴重危害公共安全；在當前經濟社會轉型升級時期，迫切需要針對橋梁安全建設一整套橋梁防船舶碰撞預警系統來保障大橋安全。

近些年來，國內相關學者在橋梁防撞預警領域也做 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針對性提出防止船撞橋的預警和監管與監控措施；張文娟針對單船在橋區的航行碰撞事故的預瞀方法進行了研究與探索，提出基于船舶航跡預測的橋區 水 域 船 舶 航 行 風 險 預 警 方 法 ；華 南 理 工 大 學 的 吳 震采用紅外視頻與VHF自動播報技術相結合的方式針對內河航道岔道口大橋防撞預警做出了有益的探索；武漢理工大學的鄭元洲博士將船舶操縱仿真技術與圖像識別技術相結合，提出了基于操縱推理與視頻檢測的船橋主動避碰系統，實現了對特定船型在特

定橋區主動避碰的最小縱距參數的預報和船舶橋區航跡預判與避碰決策選取。這些研究對推動橋梁防撞預警學科的發展起到了積極作用。

本項目建設的橋梁防撞預警系統是利用現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，其核心技術為激光及視頻分析技術：當有船舶高度超過預先設定好的高度時，激光檢測設備立即發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 前 進 ，監 控 人 員 可 以 從 視 頻錄像里看清現場情況，并通過對講功能對現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。而橋區視頻檢測系統可以在離橋墩較遠的距離范圍內識別船舶航跡，通過相應的算法并比對相關通航規范，對具體船舶航跡帶的“合法性”進行預判和預警，可以在碰撞危險發生的早期階段對船橋避碰風險進行消除。

橋梁防船舶碰撞預警系統工作原理與架構設計

系統工作原理與流程

橋梁防船舶碰撞預警系統工作原理如下圖所示：

▲圖1：橋梁防船舶碰撞預警系統工作原理示意圖

▲圖2：系統總體設計架構示意圖

在監控區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“駛入”預警區域后，啟動一級預警，對于船只進行重點監控，包括調取船只相關信息等。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，完成本次監控。

若船只由于超高觸碰到閾值上限時，系統實施報警。觸發前端橋梁上的告警設備開始工作，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。監控中心采集到監測數據后進行分析并給管理人員發送報警信息，同時監控中心彈出告警現場的實時畫面，管理人員手機也將會收到報警橋梁的視頻鏈接；前端和監控中心同時進行錄像以現場取證。

系統架構設計

系統架構總體規劃如下圖2所示，主要包含以下四個 部分：

如上圖所示，系統主要包括：外部關聯子系統、接口子系統、橋梁防撞預警子系統、用戶終端子系統這四大部分。其中橋梁防撞預警子系統與接口子系統作為系統結構的核心模塊，在橋梁防撞預警子系統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入橋梁監測區域的船只進行識別、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出警示；同時通過錄像功能幫助監管人員在監控中心實時監測江面情況。并通過在橋梁兩側安裝的兩組并列的橋梁防碰撞產品在限高水平面按照一定夾角進行激光發射，超高船舶碰觸激光即可實現預警。

管理平臺的主要功能是對預警數據及上傳的視頻進行統一合理化調度管理、提供設備遠程維護及遠程信息發布；并且能夠與海事A IS（船舶自動識別系統 ）系 統 相 接 駁 。

系統主要硬件核心設備

該系統的構成的核心設備主要包含：激光超高檢測器、數據控制器、高清網絡攝像機、LED屏、大功率喇叭及警示燈、信息管理系統、高清夜視視頻頭、輔助照 明 設 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。激光束水平發射并形成一定的夾角，根據船只航道、隧道大小進行一定角度的范圍掃描，對船舶進行超高監測及距離確認（ 雙 重 確 認 ）。

高清網絡攝像機可實施24小時不間斷錄像，激光 儀 觸 發 警 報 后 可 自 動 啟 動 預 警 功 能 ，提 示 管 理 人員并把錄像保存在本地及后臺服務器端。該系統的視頻質量可達到1080P；

高清夜視視頻探頭主要部署在通航橋洞兩側用于拍攝過往船舶。

數據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動LED屏和大功率喇叭發出警報，并對接管理后臺。

信息管理系統主要是用于監控信息的管理、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，為船舶提供聲音警示信息。

LED屏主要部署于橋梁兩側，為船舶提供圖像警示和提示信息。

輔助照明設備主要部署在通航橋洞兩側用于輔助照明以便拍攝過往船舶。

系統后臺管理平臺的功能實現

后臺管理系統主要包含：視頻監控系統、視頻數 據智能分析、激 光 掃描 數 據 分析、告警與存 儲。主 要 功 能 如下：

視頻監控系統：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 管人 員提 供 監 控 中心電視墻高清監控畫面，出外手機終端應急觀看；

視頻數據智能分析：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；

激光掃描數據分析：由于視頻智能分析會受到視頻畫面質量不同，分析的準確度不同，所以通過激光掃描設備提供數據精準度；

告警系統：進行船只超高告警顯示，告警信息推 送 給相關管 理 人 員；

存儲系統：根據需要進行錄像存儲和調閱。

系統穩定性和環境適應性設計

本系統采用超低功耗設計，系統供電采用市電及太陽能備份的雙電源系統：停電時自動切換至太陽能以保障供電；設備箱體采用防水性能好、鋁壓鑄全密封外殼以適應戶外安裝，具有較高的穩定性和環境 適應能力。

系統測試

該系統自試運行以來，按要求進行了日常值守和現場專項考核；對系統功能、警情測報、可靠性、報 警 聯 動 、供 電 能 力 等 諸 多 方 面 進 行 了 嚴 格 測 試 。經測試：晴天天氣下，全天候誤報率與漏報率都為0，實現了100%準確預警；而在極端大霧天氣、大雨天氣系統的準確預警率達99.7，同時建議封鎖航道。

結束語

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。因此，建立一套機制靈活、安全可靠的橋梁防撞預警系統是一項刻不容緩的工作；本文以滿 足 大 橋 防 撞 的 實 際 應 用 為 出 發 點 ，提 出 了 基 于 視頻分析技術的系統解決方案；通過攝像機的遞次架設及視頻分析處理完成了從發現、監視到報警的立體監控預警體系，對目標船舶進行實時、準確的監控，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 視頻監控技術的橋梁防撞技術將會在這一研究領域發揮更重要的作用。

作者單位：廣州港股份有限公司鐵路分公司