橋梁防撞激光校準(zhǔn)系統(tǒng)探究

（上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200125）

一、概述

目前上海市橋梁主動(dòng)防撞預(yù)警系統(tǒng)主要由可見光攝像系統(tǒng)、雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集船舶航跡數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上對橋梁附近船舶的碰撞風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)和預(yù)警。由于技術(shù)手段的限制，目前可見光攝像系統(tǒng)、雷達(dá)掃描系統(tǒng)采集船舶位置信息仍然存在一定誤差。采用精準(zhǔn)度更好的激光傳感系統(tǒng)校準(zhǔn)，可以幫助預(yù)警系統(tǒng)更精確地繪制船舶航跡信息，并提前準(zhǔn)確預(yù)警，船舶及時(shí)調(diào)整運(yùn)行速度和方向，有效防止撞擊。

二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了滿足內(nèi)河通航河道橋梁防撞一般要求，首先需研究激光測距掃描與雷達(dá)／可見光圖像融合的監(jiān)測校準(zhǔn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)參數(shù)要求，包括探測距離，探測范圍，工作溫濕度范圍最低要求、防水等級，防雷裝置要求，系統(tǒng)電源要求，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求等；明確系統(tǒng)參數(shù)需求后，根據(jù)該需求研究相應(yīng)激光測距校準(zhǔn)系統(tǒng)方案合理組成與相互關(guān)系及配置方式，包括選用哪些探測設(shè)備，如何更好的結(jié)合實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)、全自動(dòng)下的告警。橋梁防撞激光校準(zhǔn)系統(tǒng)的主要技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 橋梁防撞激光校準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)路線圖

校準(zhǔn)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求：系統(tǒng)監(jiān)控視場能覆蓋全部航道；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)/可見光圖像采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)功能；單套系統(tǒng)在無遮擋情況下檢測范圍為直線距離2公里內(nèi)；具備抗強(qiáng)風(fēng)、防雨水和防感應(yīng)雷能力(三防),工作溫度-10℃至40℃；系統(tǒng)能夠存儲相應(yīng)檢測數(shù)據(jù),具有檢索功能。

三、系統(tǒng)的組成

根據(jù)校準(zhǔn)系統(tǒng)的技術(shù)要求和路線，確定該系統(tǒng)由激光測距儀、三維掃描儀或數(shù)字全站儀、高精度云臺、數(shù)據(jù)處理軟件及控制電腦組成，系統(tǒng)軟件通過分析處理激光測距儀和全站儀傳回的數(shù)據(jù)，為其他目標(biāo)船舶圖像采集系統(tǒng)提供校準(zhǔn)功能。

四、摸底試驗(yàn)

該激光校準(zhǔn)系統(tǒng)采用的是多特征自適應(yīng)融合的多目標(biāo)跟蹤算法。為了解橋梁防撞系統(tǒng)的探測特性，更好地規(guī)劃校準(zhǔn)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)比較校準(zhǔn)系統(tǒng)跟蹤算法與傳統(tǒng)基于顏色直方圖的Camshift跟蹤算法的優(yōu)勢，該系統(tǒng)進(jìn)行了三次防橋撞系統(tǒng)的摸底試驗(yàn)。

第一次試驗(yàn)為2018年10月在上海S4高速公路奉浦大橋上對黃浦江上的航行船舶進(jìn)行連續(xù)拍攝、航跡跟蹤和識別。溫度16℃，陰天，風(fēng)力3級～4級，用可見光攝像機(jī)拍攝。試驗(yàn)記錄了船舶檢測、航跡跟蹤的全部過程。首先提取船舶周圍水體的背景像素，進(jìn)行背景減除操作得到目標(biāo)船只的前景像素圖，船舶目標(biāo)的顏色直方圖；然后依據(jù)顏色直方圖進(jìn)行圖像跟蹤；接著連續(xù)觀測船舶，得到目標(biāo)船只的數(shù)值化航跡；最后通過攝像系統(tǒng)的坐標(biāo)校準(zhǔn)，連續(xù)實(shí)時(shí)地得到航道上目標(biāo)船只的航跡時(shí)間序列。用camshift跟蹤船舶，由于內(nèi)河航道中背景比較復(fù)雜，河岸背景的顏色和船舶目標(biāo)很相近，但是船舶是在河道中航行，因而劃定跟蹤范圍，人為剔除背景的干擾，船舶基本上是按直線運(yùn)動(dòng)。

第二次試驗(yàn)為2018年12月19日上海同三高速公路G1501橫潦涇大橋?qū)S浦江上的航行船舶進(jìn)行連續(xù)拍攝、航跡跟蹤和識別。溫度16℃，陰天，風(fēng)力3級～4級，用紅外和可見光攝像機(jī)分別拍攝。該試驗(yàn)船舶是下行的，隨著船舶的駛近，船舶在圖像中所占的像素?cái)?shù)變多，但是camshift能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口大小以適應(yīng)被跟蹤目標(biāo)在圖像中的大小，可以有效地解決目標(biāo)變形問題。

第三次試驗(yàn)為2018年12月20日夜晚于同三高速公路G1501橫潦涇大橋拍攝，溫度12℃，陰天，風(fēng)力4級～5級，使用紅外和可見光攝像機(jī)，同時(shí)啟用了激光測距儀測試距離。該次試驗(yàn)為了獲得橋區(qū)探測到的船舶距離、運(yùn)動(dòng)速度信息，利用激光測距儀獲得目標(biāo)實(shí)時(shí)距離并利用激光采用周期或頻率換算成目標(biāo)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算航道上目標(biāo)船只在時(shí)間序列上的航跡，實(shí)現(xiàn)基于激光測距的多船舶目標(biāo)檢測、跟蹤。采用背景減除加canny邊緣檢測檢測船舶目標(biāo)，之后用camshift算法跟蹤目標(biāo)，即多特征自適應(yīng)融合的多目標(biāo)跟蹤算法。

上述試驗(yàn)顯示，基于顏色直方圖的Camshift跟蹤算法在復(fù)雜氣象條件下無法得到準(zhǔn)確的跟蹤結(jié)果，而多特征自適應(yīng)融合的多目標(biāo)跟蹤算法的目標(biāo)模型由顏色、形狀及紋理多特征自適應(yīng)融合實(shí)現(xiàn)，增加了描述目標(biāo)模型的可靠性和魯棒性；在跟蹤目標(biāo)時(shí)，將融合信息目標(biāo)模型結(jié)合到Camshift跟蹤算法中，具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。

五、外場驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的設(shè)備、軟件和數(shù)據(jù)是否滿足校準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)要求，通過該防撞校準(zhǔn)系統(tǒng)采集兩次航道位置數(shù)據(jù)。第一次位于泖港新橋，時(shí)間2018年11月20日10時(shí)～13時(shí)；第二次位于東海大橋，時(shí)間2019年5月25日13時(shí)～16時(shí)。以泖港新橋試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，共測了7個(gè)點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位的誤差比（差值/平均（‰））如表1所示。

表1 測量點(diǎn)誤差分析

各點(diǎn)位不同指標(biāo)的數(shù)據(jù)測量最大誤差為6.757‰，誤差極小，符合使用要求。

六、系統(tǒng)的創(chuàng)新

該橋梁防撞激光校準(zhǔn)系統(tǒng)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：1.用于標(biāo)定防橋撞系統(tǒng)的測試精度，由于觀測視角較低，視場較大，需要標(biāo)定的點(diǎn)位較多，因此該標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用云臺加軟件控制，可以根據(jù)設(shè)置的采集條件，通過算法采樣區(qū)域分隔點(diǎn)位，進(jìn)行自動(dòng)線性掃描。2.在系統(tǒng)標(biāo)定過程中，如果僅僅標(biāo)定河道中航道上預(yù)設(shè)點(diǎn)位，由于河水的流動(dòng)性和水面漲落，會照成標(biāo)定的誤差，為了減小這種誤差，標(biāo)定時(shí)采用在河道周邊建立采樣參照點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)對比的方法減小誤差影響。3.標(biāo)定試驗(yàn)過程中，標(biāo)定的采樣數(shù)據(jù)較多，由于采用軟件控制云臺加全站儀自動(dòng)采樣，為了防止系統(tǒng)問題出現(xiàn)原始采樣數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，采用多次采樣,對每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行2次或多次采樣測量，并通過算法判斷合理值。

七、結(jié)語

該橋梁防撞激光校準(zhǔn)系統(tǒng)是一款性價(jià)比有優(yōu)勢的橋梁主動(dòng)防撞系統(tǒng)產(chǎn)品，深受橋梁建設(shè)單位的歡迎，對航道或跨航道橋梁建設(shè)及管理、設(shè)計(jì)施工部門都具有積極有效的影響。