基于激光雷達技術(shù)的橋梁防撞預警系統(tǒng)的研究

劉春雷，陳 杰，趙 莉，趙德英

(重慶工業(yè)自動化儀表研究所, 重慶 401121)

目前國內(nèi)外橋梁防撞技術(shù)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(cè)，當發(fā)生撞擊，減輕撞擊產(chǎn)生的作用力，降低損失；第二類是主動防撞模式，在橋區(qū)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(tǒng)，通過監(jiān)視過往船舶，進行航線預判，實現(xiàn)引導船舶航行，減少或避免撞擊事故的發(fā)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(tǒng)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(jié)合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)等實現(xiàn)過對往船舶監(jiān)視、對可能發(fā)生撞擊橋梁的船舶進行預警。

為了實現(xiàn)橋梁防撞預警檢測目的，國內(nèi)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(jiān)控系統(tǒng)方式、AIS監(jiān)控方式、紅外線測距方式。

1) 視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(shù)字圖像算法進行數(shù)據(jù)處理、分析，能自動檢測、識別在復雜環(huán)境中的船舶影像。但視頻監(jiān)控技術(shù)對光照條件依賴嚴重，白天光照良好情況下視頻監(jiān)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(huán)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(jiān)控方式。AIS(船舶自動識別系統(tǒng))是現(xiàn)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(fā)生等功能。AIS通過全球定位系統(tǒng)(GPS)將船舶實際位置、船速、航向等船舶動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合船名、呼號、船舶尺寸及運輸貨物等船舶靜態(tài)數(shù)據(jù)同時向附近水域其他船舶和岸臺廣播，從而實現(xiàn)船船之間，船與岸之間能及時進行信息交流。使用AIS監(jiān)控方式，其區(qū)別于視頻監(jiān)控等手段的最大優(yōu)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(fā)光元件發(fā)出信號(通常為紅外線)射向目標物體，經(jīng)物體反射后傳回系統(tǒng)的接收端，再將接收信號通過光電轉(zhuǎn)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(yōu)點，能迅速檢測航道內(nèi)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(nèi)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(tǒng)介紹

橋梁防撞預警系統(tǒng)組成由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理控制中心、預警子系統(tǒng)三個部分組成。各子系統(tǒng)之間通過無線網(wǎng)絡技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)框架圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，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(nèi)危險目標進行掃描，在一定距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)處理控制中心。

圖2 安裝位置

數(shù)據(jù)處理控制中心，通過無線網(wǎng)絡接收場外激光雷達采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)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(jié)果表明可能發(fā)生撞擊，立即向預警子系統(tǒng)發(fā)送命令進行預警。

預警子系統(tǒng)，由喇叭、ASI、燈光、人工預警四部分組成，當接收到數(shù)據(jù)處理控制中心傳遞的報警信號，根據(jù)當時現(xiàn)場環(huán)境，采取適當報警措施進行報警。

2 橋梁防撞預警系統(tǒng)關鍵技術(shù)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(fā)射與接收返回信號進行對比得到結(jié)果。在激光雷達內(nèi)由許多個組件，每組都包含發(fā)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(fā)射單元通過激光二極管發(fā)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(jù)發(fā)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(jù)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(yōu)勢：(1)高分辨率。激光雷達可以通過內(nèi)部許多個發(fā)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(shù)據(jù)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(huán)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(tǒng)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(shù)據(jù)為離散數(shù)據(jù)，沒有標注任何被測物體特征和形態(tài)，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(shù)據(jù)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(xiàn)。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(huán)境因素帶來的影響和數(shù)據(jù)拼接配準操作過程，會使采集到的點云數(shù)據(jù)中存在一些不可避免的噪聲。數(shù)據(jù)處理控制中心收到激光雷達采集數(shù)據(jù)后，首先將點云數(shù)據(jù)采用雙邊濾波方式進行濾波，避免對后續(xù)計算分析結(jié)果的干擾。

激光雷達采集點云數(shù)據(jù)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(qū)分被測目標的指標來最大化不同目標之前的區(qū)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(shù)據(jù)，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(shù)方法和非線性優(yōu)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(shù)分別表示旋轉(zhuǎn)變換和平移變換。

區(qū)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(qū)域及區(qū)域內(nèi)的激光數(shù)據(jù)點集。將點云分割成不同的區(qū)塊，如果連續(xù)兩個點云數(shù)據(jù)的距離小于一個閾值，這兩個掃描點屬于同一個區(qū)塊。如果連續(xù)兩個掃描點的距離大于一個閾值，點云數(shù)據(jù)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(jù)采集到的被測船舶不同角度的點云數(shù)據(jù)，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(jié)果，但在實際情況下由于部分船舶輪廓可能會發(fā)生目標遮擋的情況，導致計算結(jié)果無法與真實船舶輪廓相匹配從而無法準確分析船舶數(shù)據(jù)。因此，需要對部分檢測結(jié)果進行變化檢測。結(jié)合形態(tài)學的相關理論，對因遮擋而未識別到的船舶進行重構(gòu)，這樣能大大減少測量的誤差。通過計算分析，將采集數(shù)據(jù)成像如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)描繪圖像并保存。通過一段時間連續(xù)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(qū)域內(nèi)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(fā)生撞擊事故，描繪出被測物的運行軌跡(見圖6)。

根據(jù)判斷結(jié)果，如發(fā)現(xiàn)被測物不能安全通過，則將被測物相關數(shù)據(jù)通知預警子系統(tǒng)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(tǒng)由ASI、喇叭、燈光組成。ASI是船舶自動識別系統(tǒng)，使用ASI接口，可以向指定船舶發(fā)送信息。喇叭與燈光由PLC控制。預警子系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡接收到數(shù)據(jù)處理控制中心報警信息，根據(jù)信息中被測物類型選擇預警方式。如判斷結(jié)果為船舶可能發(fā)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(fā)送預警信息。如被測物不為船舶，根據(jù)收到數(shù)據(jù)處理控制中心報警信息并評估其撞擊橋梁力度，得到結(jié)果后再決定是否通過4G網(wǎng)絡通知相關工作人員。

3 結(jié)論

基于激光雷達技術(shù)的橋梁防撞預警系統(tǒng)。能夠克服現(xiàn)有的橋梁被動防撞的局限性，能實現(xiàn)全天候、穩(wěn)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。