基于激光雷達技術的橋梁防撞預警系統的研究

劉春雷，陳 杰，趙 莉，趙德英

(重慶工業自動化儀表研究所, 重慶 401121)

目前國內外橋梁防撞技術主要分為兩大類：第一類是被動防撞模式，采用各種柔性耗能裝置，安裝在橋梁外側，當發生撞擊，減輕撞擊產生的作用力，降低損失；第二類是主動防撞模式，在橋區周圍安裝各種傳感器或攝像頭等電子設備，建立防撞預警系統，通過監視過往船舶，進行航線預判，實現引導船舶航行，減少或避免撞擊事故的發生。由此可見采用主動防撞模式，通過預先防范，可最大程度保障橋梁安全。此次介紹橋梁防撞預警系統采用主動防撞模式，通過運用激光雷達作為檢測工具，ASI、喇叭、燈光作為預警手段，再結合互聯網技術、計算機技術等實現過對往船舶監視、對可能發生撞擊橋梁的船舶進行預警。

為了實現橋梁防撞預警檢測目的，國內外開展了大量研究，并得出了各種不同的解決辦法。綜合歸納，主要有以下3種方式：視頻監控系統方式、AIS監控方式、紅外線測距方式。

1) 視頻監控系統方式。視頻攝像頭被安裝在橋梁指定位置，通過全天候拍攝。對拍攝視頻文件采用數字圖像算法進行數據處理、分析，能自動檢測、識別在復雜環境中的船舶影像。但視頻監控技術對光照條件依賴嚴重，白天光照良好情況下視頻監控效果顯著，而黑夜或大霧情況下拍攝效果會受到嚴重影響。因此當外部環境不理想的情況下目標的獲取和判別需要人工輔助完成。

2) AIS監控方式。AIS(船舶自動識別系統)是現代船舶的標準設備，具有船只識別、目標追蹤、提供輔助信息避免碰撞事故發生等功能。AIS通過全球定位系統(GPS)將船舶實際位置、船速、航向等船舶動態數據，結合船名、呼號、船舶尺寸及運輸貨物等船舶靜態數據同時向附近水域其他船舶和岸臺廣播，從而實現船船之間，船與岸之間能及時進行信息交流。使用AIS監控方式，其區別于視頻監控等手段的最大優點是通過與船舶互動方式得到船舶完整信息，無需通過影像文件提取，減少了測量誤差。使檢測船舶更簡便，快捷，準確。但該方式的主要缺點在于：通過橋梁的船舶是否都能安裝AIS，且AIS是否能正常工作。

3) 紅外線測距方式。將紅外線測距傳感器安裝在橋梁特定位置，通過控制發光元件發出信號(通常為紅外線)射向目標物體，經物體反射后傳回系統的接收端，再將接收信號通過光電轉換器，計算出目標物體的距離。使用紅外線測距具有測量距離遠、范圍廣、響應時間快等優點，能迅速檢測航道內過往船舶。但在實際運用中，紅外線測距雖然能檢測到航道內船舶，但不能分辨被測船舶類型、大小，在這種情況下，不能采取準確的報警方式進行預警。

1 橋梁防撞預警系統介紹

橋梁防撞預警系統組成由現場數據采集子系統、數據處理控制中心、預警子系統三個部分組成。各子系統之間通過無線網絡技術進行數據傳輸，系統框架圖如圖1。

圖1 系統框架圖

現場數據采集子系統，主要由場外激光雷達組成，安裝在橋梁特定位置和高度，安裝位置如圖2，利用激光對通航水域內危險目標進行掃描，在一定距離內發現水面上航線的船舶，并測量船舶的方位、距離、高度，通過無線網絡傳輸至數據處理控制中心。

圖2 安裝位置

數據處理控制中心，通過無線網絡接收場外激光雷達采集數據，對數據計算分析，判斷即將通行船舶是否能安全通過橋梁。一旦分析結果表明可能發生撞擊，立即向預警子系統發送命令進行預警。

預警子系統，由喇叭、ASI、燈光、人工預警四部分組成，當接收到數據處理控制中心傳遞的報警信號，根據當時現場環境，采取適當報警措施進行報警。

2 橋梁防撞預警系統關鍵技術研究與原理

2.1 激光雷達工作原理、特點

激光雷達將激光作為探測手段。其工作原理是通過激光發射與接收返回信號進行對比得到結果。在激光雷達內由許多個組件，每組都包含發射單元和接收單元。如圖3所示。

圖3 激光雷達工作原理圖

發射單元通過激光二極管發出探測信號(激光束)，當激光束照射到被測物體后返射回來，接收單元收到返回信號，后根據發射信號和接收信號的時間差，計算被測物體與激光雷達距離。當大量組件采集到的反射信號后，便能形成點云。分析點云，找到需要檢查的目標，最終可以繪制出被測目標輪廓。通過不間斷的檢測。根據點云繪制的目標的變化，可以判斷被測目標物體的大小、距離甚至運行速度。激光雷達與其他檢測設備相比具有以下幾方面的優勢：(1)高分辨率。激光雷達可以通過內部許多個發射接收激光組件形成點云。組件越多，點云密度越高，形成的圖像就越清晰。得到被測目標數據分辨率越高。(2)獲取信息量豐富。通過點云，可同時跟蹤多個被測目標。(3)對外界環境依賴小。即使在夜晚，激光雷達也能正常工作。因此橋梁防撞預警系統采用激光雷達進行水面船舶檢測。

2.2 船只特征辨識過程研究

由于激光雷達采集的點云數據為離散數據，沒有標注任何被測物體特征和形態，只包含每個點的三維坐標和其他附加信息。因此必須將點云數據進行計算分析，再提取被測物特征進行對比。主要由以下幾個步驟實現。其框圖如圖4所示。

圖4 船只特征辨識過程框圖

在實際檢測中，環境因素帶來的影響和數據拼接配準操作過程，會使采集到的點云數據中存在一些不可避免的噪聲。數據處理控制中心收到激光雷達采集數據后，首先將點云數據采用雙邊濾波方式進行濾波，避免對后續計算分析結果的干擾。

激光雷達采集點云數據包含大場景下各種目標，它們相互混雜，既然要對水面目標進行識別，就需要有一個區分被測目標的指標來最大化不同目標之前的區別。所以采用SIFT算法來提取關鍵點。

點云匹配與特征描述，要對一個三維點云進行描述，除了點云位置信息是不夠的，還需要計算一些輔助數據，比如法線方向、曲率等等。利用點云的曲率不變性，通過k鄰域法以及最小二乘法擬合兩點云的每一點的所在曲面，然后算出其法向量，進一步求取該點的曲率，然后通過曲率以及其他的一些手段，進一步將兩點云分別簡化為特征點云。點云匹配采用ICP(迭代最近點)算法用于兩堆點云之間進行配準。把ICP方法看做一個點云位姿變換的過程，可以使用代數方法和非線性優化方法。

假設有兩堆點云X(X1,X2,X3,X4,X5,…，Xm),Y(Y1,Y2,Y3,Y4,Y5,…,Yn)分別記為兩個集合。其ICP公式為：

(1)

式(1)中，R,t兩參數分別表示旋轉變換和平移變換。

區域分割階段主要完成特征模式的分類及識別確定，即確定特征屬于哪類模式，如直線、圓弧等，并確定屬于該特征模式的區域及區域內的激光數據點集。將點云分割成不同的區塊，如果連續兩個點云數據的距離小于一個閾值，這兩個掃描點屬于同一個區塊。如果連續兩個掃描點的距離大于一個閾值，點云數據幀就從這個地方分割開。

船舶識別檢索與變化檢測目的是識別點云中需要檢測的船舶，并根據采集到的被測船舶不同角度的點云數據，進行比對分類。識別檢索功能采用Hausdorff距離計算方法。Hausdorff(豪斯多夫距離)是衡量兩組點云之間相似度的一種方式。它是兩個點云之間距離的一種定義形式。雖然通過分析得到可靠的結果，但在實際情況下由于部分船舶輪廓可能會發生目標遮擋的情況，導致計算結果無法與真實船舶輪廓相匹配從而無法準確分析船舶數據。因此，需要對部分檢測結果進行變化檢測。結合形態學的相關理論，對因遮擋而未識別到的船舶進行重構，這樣能大大減少測量的誤差。通過計算分析，將采集數據成像如圖5所示。

圖5 數據采集成像圖

2.3 船舶運行軌跡計算

運行軌跡計算,采用ZooTarcer軟件進行描繪，ZooTarcer能識別并追蹤視頻中物體運動軌跡。將每次采樣數據描繪圖像并保存。通過一段時間連續采樣。將多組成像按時間先后順序組合成視頻文件。當被測物移動至橋墩安全區域內時，通過ZooTarcer對視屏文件中移動物體體積、角度、運行速度等進行計算，得出是否會發生撞擊事故，描繪出被測物的運行軌跡(見圖6)。

根據判斷結果，如發現被測物不能安全通過，則將被測物相關數據通知預警子系統進行預警。

圖6 船舶運行軌跡

2.4 預警控制研究

預警子系統由ASI、喇叭、燈光組成。ASI是船舶自動識別系統，使用ASI接口，可以向指定船舶發送信息。喇叭與燈光由PLC控制。預警子系統通過無線網絡接收到數據處理控制中心報警信息，根據信息中被測物類型選擇預警方式。如判斷結果為船舶可能發生撞擊橋梁，將控制PLC啟動喇叭，若為夜晚還需開啟燈光對即將通過的船舶進行警告。同時通過ASI搜索附近船只，發送預警信息。如被測物不為船舶，根據收到數據處理控制中心報警信息并評估其撞擊橋梁力度，得到結果后再決定是否通過4G網絡通知相關工作人員。

3 結論

基于激光雷達技術的橋梁防撞預警系統。能夠克服現有的橋梁被動防撞的局限性，能實現全天候、穩定、可靠地測量船只通行安全。自動對有潛在威脅的船舶進行預警提示可極大地提高橋梁整體安全及航道航行安全，為橋梁主動防御提供參考模式，對實際運用具有重要實際意義。