基于深度學習和傳感技術的航道橋墩防護及船撞自動預警裝置

張永康，孫濤，喬通

（鄭州大學，河南 鄭州 450001）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展，我國交通運輸行業(yè)蓬勃發(fā)展，興建了大量跨江、跨河的橋梁，一方面給人們的生活帶來了便利，另一方面也帶來了一些安全隱患。同時隨著航運業(yè)的快速發(fā)展，船舶種類日益增多，船橋碰撞事故也在不斷增加。雖然船橋碰撞屬于小概率事件，但是船只和橋墩一旦發(fā)生碰撞，就會導致水運交通癱瘓和人民生命財產(chǎn)的重大損失等諸多嚴重的后果。因此，確定船舶撞擊力以及其防撞裝置的防撞性能，一直成為許多專家關注的問題[1]。研究駁船和散裝貨輪撞擊力的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，船首幾何形狀和內部構造不同對撞擊力有較大影響。冒一峰等知名學者結合工程實例提出了船橋碰撞過程中復合材料防船撞系統(tǒng)的設計理念，能夠有效保護橋墩安全[2]。近年來，鋼結構防撞裝置的橋墩防撞裝置已經(jīng)應用到了大型橋梁的基礎防撞當中，但該裝置的材料以及結構特性決定一旦發(fā)生了撞擊，其結構必定會發(fā)生塑性形變，因此需要不斷進行后期維修工作，而且鋼結構具有較大剛度，碰撞過程中吸收能量作用小，難以保證船舶安全。部分新型防撞設施的設計思路中也僅局限于被動撞擊保護，而我們所研究的新型橋墩防撞欄，融入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的輪船識別技術判斷船只的電子警報系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在撞擊事件發(fā)生前對船舶予以警報，提前做出預防措施來降低損失。

基于深度學習和先進傳感技術的新型橋墩防撞欄具有降低船舶與橋墩損害的功能，并且能夠美化橋梁建筑。目前已經(jīng)大量投入應用的橋墩防護欄為鋼套箱防護欄，然而，現(xiàn)有的橋墩防撞欄裝置存在安裝步驟復雜、安裝不牢固等問題，這些問題會大大降低防撞欄的防護效果。此外，由于各方面對防撞欄的侵蝕導致的風化腐蝕，使得防撞欄的耐久性降低。因此，在發(fā)生意外事故時，提供的防護效果很有限，存在嚴重的安全隱患。為了解決這些問題，我們正在研究一種以聚氨酯高聚物為外裹的涂料。這種涂料可以增強防撞欄的抗震性能，提高防撞欄的抗腐蝕性能的同時幾乎不對環(huán)境產(chǎn)生任何影響。通過使用這種涂料，我們希望在削弱巨大航運交通事故的破壞力、減小航運事故帶來莫大的財產(chǎn)損失的同時提高防撞欄的抗沖擊性能，并提高其環(huán)境保護能力。未來，我們計劃將成熟的預警預報系統(tǒng)融入國家交通應急響應系統(tǒng)，以提高交通事故救援的實用性和時效性，最大程度地保護人民的生命財產(chǎn)安全。

2 設計原理

我們設計了一種基于深度學習和先進傳感技術的新型橋墩防撞欄，它包括防撞欄本體、聚氨酯外裹涂料、計算機視覺模塊、太陽能電池板、超聲波測距、警報器、連接結構、卡槽、滑槽和緩沖裝置。該系統(tǒng)的作用是在橋墩上安裝視頻采集系統(tǒng)，全天候監(jiān)測航道中的船只和其他危險因素，并通過運行YOLOv5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡對船只進行視覺識別和判斷，若有船只經(jīng)過，則提前進入預警狀態(tài)。預警系統(tǒng)實時檢測船只與橋墩的距離，并綜合考慮船只的速度、行進方向和距離等因素來判斷是否會發(fā)生撞擊。當船只撞擊防撞欄時，首先接觸到防撞柱桶。該柱桶可以繞中心軸轉動，從而抵消一部分壓力，并讓船舶繼續(xù)靠著護欄向前滾動摩擦，減少對船體的損傷。同時，防撞欄中安裝的壓力感應器可以采集壓力數(shù)據(jù)，并通過智能分析判斷事故情況，并立即通知相關部門進行救援，以最大限度地爭取急救時間，減少傷亡。

該防撞欄采用了新型高分子材料聚氨基甲酸酯（PU）作為中間圓柱形空心桶的材料，旨在盡可能減少撞擊對橋墩的沖擊力。為了增加緩沖性能，我們在桶的夾層內添加了彈簧或其他具有良好緩沖性能的材料，并在桶與支撐鋼柱的接觸面上安裝了壓力傳感器，用于感知壓力大小。通過使用這種新型橋墩防撞欄裝置，高速公路的管理水平得到了顯著提高，交通事故發(fā)生率也大大降低，從而最大限度地保障了交通運輸?shù)陌踩珪惩ā＿@一成果實現(xiàn)了交通運輸高速、高效、智能和高管理水平的目標。基于當前深度學習算法技術和先進傳感技術的人機交互、萬物互聯(lián)以及識別技術的特點，本研究提出了一種基于深度學習和先進傳感技術的新型橋墩防撞欄優(yōu)化模型。該模型旨在設立一個綜合性裝置，能夠在船舶-橋墩撞擊發(fā)生之前發(fā)出警報，并在撞擊發(fā)生后減少損害，并及時有效地通報給相關部門進行處理。這一研究屬于水路交通科學技術領域。

同時該裝置也加上基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡船舶識別技術的計算機視覺系統(tǒng)，電子警報系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)。通過平臺不斷采集橋墩周圍環(huán)境并運行YOLOv5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡判斷船只，并接入計算機非線性有元化程序作為警報系統(tǒng)，在減少船舶損傷以及人員財產(chǎn)傷害的同時及時通過互聯(lián)網(wǎng)道路系統(tǒng)發(fā)出警報和求救信號，減輕我國水上交通的公共交通事故損害。通過使用定制的PU 高分子材料，增加了物理性能和防撞特性。防撞欄的核心是可旋轉的外圍結構，在碰撞過程中能夠降低沖擊力的大小，無論是對于高速運行的船只還是對于過載船只的碰撞均具有泄力消能的能力，從而對船只和橋梁進行了全方面的保護，保障了社會公共安全和橋梁的使用壽命。

計算機視覺識別模塊采用基于深度學習卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的輪船檢測算法，常見目標檢測模型有AlexNet、VGG、Inception、ResNet、MobileNet、DenseNet 等。本項目具體使用的是YOLOv5 檢測算法，其主要特點是速度快、準確率高，可以在較短時間內對圖像中的多個物體進行檢測。為保證良好的閱讀體驗，該算法的核心原理是將圖像分成若于個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格預測出若下個檢測框，并對其進行分類和定位。這種分割方式使得算法能夠快速處理大量圖像數(shù)據(jù)，并且在保證準確率的同時減少了計算量。YOLOv5 網(wǎng)絡結構可以高準確率快速檢測，同時具有一定魯棒性，可適用于實時目標檢測[3]。首先輸入圖像視頻進行判定是否為輪船，通過對訓練集數(shù)據(jù)不斷迭代進行訓練、學習，調整網(wǎng)絡模型參數(shù)，保存模型最優(yōu)權重文件，通過網(wǎng)絡模型推理預測最終實現(xiàn)輪船的檢測任務。

該裝置的防撞結構設計為外層鋼套箱組成的鋼板，內部填充PU 材料，并涂有聚氨酯高聚物涂料。創(chuàng)新地采用旋轉式物理結構，增強了抗震性能和化學抗腐蝕性能。在惡劣天氣和高鹽海水環(huán)境中仍能保持良好的物理化學性能。本項目采用太陽能電池板提供可靠的能源供應，通過自主控制裝置調節(jié)太陽能電池板輸出功率，實現(xiàn)能源高效利用。節(jié)省下來的電能可用于交通基礎設施的路燈照明等。每個防撞欄都配備信息傳輸裝置和視覺識別警報器。信息傳輸裝置可將事故詳情通過交通網(wǎng)絡發(fā)送給交通部門或醫(yī)院救急部門。視覺識別警報器會在船舶靠近時發(fā)出警報。

該裝置通過基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和計算機視覺識別的電子警報系統(tǒng)和壓感系統(tǒng)，實現(xiàn)了智能識別船舶并在危險范圍內發(fā)出碰撞警告的主動防撞系統(tǒng)。當碰撞發(fā)生后，壓感系統(tǒng)將收集詳細的碰撞區(qū)域受力數(shù)據(jù)匯總于人機交互界面形成可觀的受損分析，同時向河務局和消防部門等有關部門予以警報，便于及時開展相關部門的救助援助。主動防撞系統(tǒng)設有基于數(shù)據(jù)庫的船舶識別系統(tǒng)，當有物體處于危險范圍內，會先通過攝像頭進行識別，識別為船舶后才會發(fā)出警報，因此該系統(tǒng)具有一定的防誤判能力。為解決傳統(tǒng)鋼套箱結構護欄施工中的拼縫多和線性不平順問題，我們通過某高架橋橋墩防撞欄工程案例，論述了護欄整體移模施工技術。該技術包括模板系統(tǒng)和電動模板車系統(tǒng)的構成，以及模板移動就位、模板調整等施工操作要點。同時總結了護欄鋼筋及預埋件施工、混凝土施工、脫模施工和養(yǎng)生施工技術要點。研究結果表明，橋墩防撞護欄整體移模施工技術顯著提高了施工效率和安全性，并可為后續(xù)同類工程施工提供借鑒。每個圓柱桶內都安裝有壓力裝置。

該裝置創(chuàng)新性地加入超聲波測速裝置，確定是否需要激發(fā)出相關警報予以船舶單位。該裝置通過AI 分析警報系統(tǒng)，分析船舶預計行進方向速度以及運行軌跡判斷等，同時對大裝置進行機器學習不斷訓練其對于船只運行軌跡的判斷力從而提早出置信度，當置信度達到一定程度可以發(fā)出警告及時發(fā)出電子警報提醒，規(guī)避常規(guī)風險駕駛。

易知，當鋼板厚度變大時，鋼套箱的剛度隨之變大，變形能力減弱，鋼板吸收能量少，吸能效果差；當鋼板厚度變小時，鋼套箱的剛度隨之變小，變形能力增強，鋼板吸收能量多，吸能效果得到改善。防撞裝置以鋼材吸收能量為主，PU 層吸收能量占裝置的吸收能量的20%左右。

由上述分析可知，該裝置能進行良好泄力消能作用，對于保護船只以及減小橋梁受損具有良好預警規(guī)避和保護作用，同時能對撞擊數(shù)據(jù)進行保存。

3 創(chuàng)新特色

3.1 新型防護材料與結構

PU 材料具有物理性能好，耐曲折、柔軟度好、抗拉強度大、輕質高強、快凝高膨脹，有一定的抗撕裂強度及抗剝離強度等特征，在工程非開挖修復和工程結構的抗震防護等方面應用廣泛。該裝置是由鋼套箱與PU 填充材料共同組成的復合防撞裝置，以PU 為外裹涂料加上獨特的旋轉式物理結構，大大地增強了橋墩的防護性能，可以有效降低船撞時船體和橋墩的損傷。

3.2 深度學習識別與判斷

該裝置通過融合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和機器視覺識別算法，建立了船舶智能判別防撞預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了航道船舶識別及其在危險范圍內主動防撞預警預報。同時，在碰撞發(fā)生后，感應系統(tǒng)將收集的詳細碰撞區(qū)域受力數(shù)據(jù)匯總于人機交互界面，形成可視化的受損分析報告，同時向河務局和消防等有關部門予以警報和反饋，便于及時開展相關部門的救助搶險和事故處理。

3.3 先進傳感技術提升

該裝置創(chuàng)新性地加入紅外測距和超聲測速裝置以及壓力傳感器，通過數(shù)據(jù)終端，將采集到的距離和速度數(shù)據(jù)，結合深度學習算法，建立智能分析警報系統(tǒng)，分析船舶預計行進方向和速度等，得到是否發(fā)生船撞事故的可能性和發(fā)生概率，決定是否需要激發(fā)電子警報提醒、將潛在危險信息反饋給相關管理單位，及時規(guī)避風險、保障航運安全，同時壓力傳感器在發(fā)生碰撞事故時可以準確收集撞擊壓力數(shù)據(jù)并及時傳給用戶終端，為后期事故調查時提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 用戶終端顯示

該裝置后期將實現(xiàn)實時信息在用戶終端顯示的功能，實時顯示裝置所處環(huán)境情況，給橋梁管養(yǎng)單位、監(jiān)管單位等提供實時信息，方便其管理，同時在發(fā)生碰撞后，能迅速在用戶終端顯示報警，便于管理者及時做出反應，派出救援及現(xiàn)場保護等，在后期，可以向管理者準確顯示各種碰撞信息如撞擊前橋梁駛向、撞擊速度以及撞擊壓力等，使得管理者更加準確地判斷事故責任等。

4 應用前景

在當下船舶撞擊橋墩事故頻繁發(fā)生的背景下，老式鋼套箱防撞護欄有著難安裝、易受損、保護性能弱等缺點，基于深度學習和先進傳感技術的新型橋墩防撞欄采用高性能的聚氨酯高分子減震和緩沖材料，與基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡和計算機視覺識別相結合，建立了船撞智能識別和警報預警系統(tǒng)，通過新型減震材料與提前預警功能以分別達到減輕事故破壞程度減小事故發(fā)生率，可以降低船撞事故中橋墩、船舶的損壞，保護相關人員的生命財產(chǎn)安全；可以及時發(fā)出警報和求救信息，減少我國水運上的公共交通事故發(fā)生，提高事故處理效率，同時能夠保存撞擊數(shù)據(jù)，極大地利于后期事故分析以及后期保護措施改進。本團隊研發(fā)的智能預警預報系統(tǒng)和新型船撞防護裝置，是一種新型、安全、智能、高效的水路航運保護裝置。該系統(tǒng)和裝置的研發(fā)對于船撞事故的預判預警、船撞事故中船只以及橋墩橋梁損傷降低提出了新方法和新思路，對于保障航運安全和暢通具有重要意義。