CN107369337A - 桥梁主动防船撞监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桥梁主动防船撞监测预警系统及方法，系统包括视频监控装置、激光测高装置、报警装置以及主控机、集控中心，视频监控设备用于完成对通航船只的偏航监测；激光测高装置用于完成对通航船只的高度监测；主控机用于完成对通航船只运行状态的存储和处理；集控中心监测预警机制判断是否向船舶发布预警信息或其他信息，实现对船舶通航的远程监控。本发明利用船舶的实时数据与软件算法相结合，预警灵敏度更高，弥补了传统基于船舶交通管理系统和被动预防船舶撞击设施的在功能及效率上局限性。实现了全监控的自动化，减少了人的工作量并保证了事故预警的可靠性。实用性更强，探测距离更远，应急反应时间更长。

Description

桥梁主动防船撞监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁主动防船撞监测预警系统及方法。

背景技术

目前，通航水域的桥梁主动防撞技术和方法研究仍处于空白或起步阶段，尚无适用的设计规范或标准。国内外现有的桥梁防船舶撞击技术主要是基于被动防船撞系统和船舶交通管理系统(VTS)进行工作的。

目前被动防船撞系统主要是通过提高桥梁的抗力和增加缓冲装置的方式来保证桥梁在发生船撞事件后具有足够的抗力而不发生倒塌事故。这种方式从一定程度上降低了船撞桥事故对桥梁的损伤，但不能避免事故的发生，且导致桥梁修建费用过高，很不经济合理。船舶交通管理系统(VTS)的信息交换方法主要采用高频无线电话、传真、VHF(Very HighFrequency)通信等，系统信息交换流程重复繁琐，工作效率极低。同时大量船舶驾驶人员询问信息的电话咨询会影响到值班人员的正常工作，从而会造成交通安全问题。

发明内容

本发明提出了一种桥梁主动防船撞监测预警系统及方法，并利用上述系统实现对船舶通航偏航与超高的自动监测，为实现上述目的本发明的具体方案如下：

(暂略，同权利要求书)

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)利用船舶的实时数据与软件算法相结合，预警灵敏度更高，弥补了传统基于船舶交通管理系统(VTS)和被动预防船舶撞击设施的在功能及效率上局限性。

(2)相比现有的船舶交通管理系统，实现了全天24小时监控的自动化，减少了人的工作量并保证了事故预警的可靠性。

(3)防超高探测距离可随激光测距仪安装位置改变而改变，实用性更强，探测距离更远，应急反应时间更长。

(4)无需在船舶上安装任何装置，从而提高了普及性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例的系统结构示意图；

图2为本发明实施例的系统原理图；

图3为本发明实施例的桥梁主动防撞系统软件中的基于张正友棋盘格标定法的虚拟航道绘制算法流程；

图4为本发明实施例的桥梁主动防撞系统软件中的基于张正友棋盘格标定法的虚拟航道绘制算法中摄像机标定的空间结构；

图5为本发明实施例的桥梁主动防撞系统软件中的前景检测算法流程图；

图6为本发明实施例的红外摄像机的线缆及接口图；

图7、8为本发明实施例安装示意图；

图9为本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本实施例的一种桥梁主动防船撞监测预警系统。该系统包括系统硬件和系统软件两个部分。系统硬件包括视频监控设备、激光测高装置、报警装置、主控机、集控中心计算机。其中视频监控设备安装在桥梁上，包含有可见光成像系统、红外热成像系统和激光补光成像系统，采用多光谱联合检测，根据不同可见程度及环境情况选择不同的成像模式；激光测高装置安装于航道两侧岸堤上，采用激光反射原理，其激光束中心高度与通航孔允许最高净空高度相同；报警装置包括LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯，安装于桥梁上。

系统软件包括图像处理模块、超高监测模块、数据存储模块、预警信息发布模块。其中图像处理模块包括船舶检测算法、虚拟航道标定算法、测定船舶与桥梁相对位置算法、测定船舶与航道相对位置算法、预测船舶航线算法，完成对通航船只的偏航监测；超高监测模块完成对通航船只的高度监测；数据存储模块完成对通航船只运行状态的实时存储；预警信息发布模块包括信息发布App、无线电广播等形式。

如图2所示为本实施例的一种桥梁主动防船撞监测预警系统的系统原理图。主控机通过光纤数据线获取红外摄像仪、辅助摄像机及激光测高仪的图像及高度信息，并通过安装于主控机的桥梁主动防撞系统软件进行偏航及超高预测。DVR录像机记录船只通过通航口的过程并进行存档处理，便于事故鉴定与评价。若有船只偏航或超高的危险，主控机内的桥梁主动防撞系统软件实时存储数据船只航行的状态数据，包括时间、船只照片、航道状态和高度状态，并自动触发报警装置，包括LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯。集控中心通过网络与主控机进行通讯。集控中心计算机通过网络访问主机的监测预警系统，根据预警结果判断是否向船舶发布预警信息或其他信息，实现对船舶通航的远程监控。

如图3、图4所示为本实施例的桥梁主动防撞系统软件中的基于张正友棋盘格标定法的虚拟航道绘制算法。张正友标定算法该方法介于传统标定与自标定之间，标定过程操作简便且精确度高。具体算法步骤：本地调用25幅从不同方向拍摄标定板的图像，检测标定板上各个角点，通过现实标定板角点与图像平面中角点的关系计算摄像机的内参数、畸变系数，并优化求精；本地调用与摄像机光心距离为H1的水面放置的参考板(即标定板)的图像，计算摄像机外参数。

虚拟航道绘制算法：已知参考板平面到水面的距离△H，摄像头到水面的距离H2＝H1+△H；由用户桥梁通航口宽度L2和监测距离D2，假设Z＝0，以零平面内左上角为坐标系原点，水面上虚拟航道四端点的世界坐标为A(L2,D2,0)、B(L2,0,0)、C(0,0,0)D(0,D2,0)；根据相似定理H1/H2＝D1/D2＝L1/L2，L2、D2在参考板平面上对应的长度L1、D1，若标定面Z＝0，水面上A、B、C、D四点在参考板平面上的映射点世界坐标是a(L1,D1,0)、b(L1,0,0)、c(0,0,0)、d(0,D1,0),即参考板上虚拟航道端点的世界坐标；据摄像机内外参数、畸变系数以及a、b、c、d四点坐标，计算虚拟航道端点于图像中的映射点H、I、J、K的像素坐标，于图像中绘制虚拟航道。

如图5所示为本实施例中桥梁主动防撞系统软件中的前景检测算法流程图。在该算法实施之前首先进行图像预处理，将获取的图像从YUV色彩模型转换为RGB色彩模型，并灰度化忽略色彩信息；根据虚拟航道两边的端点坐标对图像进行ROI处理，限定检测范围并缩短处理时间；对图像进行高斯滤波处理，较平滑地滤除图像中由内河航道天气、光线等自然干扰产生的噪声；采用微分直方图法计算灰度图像的自适应阈值,根据阈值对图像进行Canny边缘检测，为消除三帧差分法检测结果中的前景噪声、假目标点做准备。

基于三帧差分法与混合高斯背景差分法的前景检测综合算法：

三帧差分法的算法：读取三帧相邻的预处理图像，即fk-2(x,y)、fk-1(x,y)、fk(x,y)，对其进行差分运算，将差分图像D1(x,y)、D2(x,y)自适应二值化OTSU、形态学处理、逻辑与运算后，得到三帧差分法的处理结果。

混合高斯背景法算法：输入预处理的图像，根据混合高斯背景模型进行背景建模，对图像中每个像素建立K个高斯模型；背景选取，把每个像素的K个高斯分布从大到小排列，若分布越靠前，则该分布描述背景的可能性越大，反之则可能性越小，按阈值H选择前面B个分布为背景像素模型(阈值H一般取经验值0.75)；混合高斯模型参数的更新和前景目标的提取，获取当前帧，使各个像素值分别与所述的K个高斯分布匹配，若当前帧像素值与前B个高斯分布的任意一个匹配，则为背景像素；反之则为前景像素；对运动前景进行二值化、形态学处理即得到GMM算法检测结果。

本算法对预处理后的图像进行边缘检测、与GMM检测结果与运算，再与三帧差分法检测结果与运算，最终将所述去噪结果和GMM检测结果或运算，由此连接断裂的目标轮廓、获取完整的运动目标并减少了空洞现象。

根据所述前景检测算法，检测运动前景目标，提取前景目标的轮廓，计算前景目标的外接矩形面积，根据所述面积初步筛除部分前景，计算剩余前景的其他几何特征值，包括外接矩形的长宽比、离散度、占空比等，进一步据已知船舶几何特征识别船舶目标，并为船舶目标绘制外接矩形，实时计算船舶与虚拟航道的距离。

如图6所示，本实施例中使用的红外摄像机为海康威视DS-2TD6166系列热成像双光谱网络中载云台摄像机。摄像机采用极佳的热成像图像效果，AGC自动增益调节、3D降噪、DDE图像细节增强。激光补光功能。且支持500米激光补光，根据倍率及距离匹配算法，调节激光亮度和角度。采用AC/24V交流供电。RS485控制线。ALARM-IN/OUT与GND构成一路报警输入/输出。AUDIO-IN/OUT与GND构成一路音频输入/输出。网线口用于视频信号输出。

如图7、图8所示，本实施例中红外摄像仪安装在桥梁上，包含有可见光成像系统、红外热成像系统和激光补光成像系统，采用多光谱联合检测，根据不同可见程度及环境情况选择不同的成像模式；辅助摄像机安装于通航口两侧，记录船只通过通航口的过程并进行存档处理，便于事故鉴定与评价；激光测高装置安装于距通航口500m处航道两侧岸堤上，采用激光反射原理，其激光束中心高度与通航孔允许最高净空高度相同；报警装置包括LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯，安装于桥梁上。主控机通过传输设备与视频监控设备、激光测高装置及报警装置相连。集控中心通过网络与主控机进行通讯。本实施例中通过桥梁上安装的红外摄像仪与激光测高装置将记录船舶运行状态的视频及高度信息发送至主控机，由主控机对接收到的信息进行处理并显示在系统软件界面，同时根据处理结果控制报警装置是否预警，并存储数据。集控中心计算机通过网络访问主机的监测预警系统，根据预警结果判断是否向船舶发布预警信息或其他信息，实现集控中心对船舶通航的远程监控。

如图9所示，本实施例一种桥梁主动防船撞监测预警方法的流程图，包括以下步骤:

(1)：安装于桥梁通航口的红外摄像仪将监控水域的视频信息传输至主控机内的监测预警软件，该软件通过船舶检测算法探测监控水域是否有船舶通行。若检测到有船舶通行，则转到步骤(2)和步骤(5)；否则继续执行步骤(1)。

(2)：当软件判断在监控水域有船舶通行，开启激光测高模块，主控机根据激光测高模块探测的高度数据判断目标船只是否超高。若检测到目标船只超高，则转到步骤(3)；否则转到步骤(4)。

(3)：当检测到目标船只超高时，主控机启动与其连接的报警装置，LED显示屏显示“超高”，高音喇叭响，照明灯、透雾灯、预警灯亮。同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态(超高)并存储至数据库。主控机发送船只超高信号至集控中心。集控中心计算机控制预警信息发布模块广播预警信息。

(4)：当检测到目标船只未超高时，主控机控制激光测高模块进入休眠状态。同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态(未超高)并存储至数据库。

(5)：当监控水域检测到有船舶通行，系统软件通过虚拟航道标定算法、测定船舶与桥梁相对位置算法、测定船舶与航道相对位置算法、预测船舶航线算法，判定目标船只是否有偏航(撞击桥墩)的风险。若判定目标船只无偏航风险，则继续执行步骤(5)，同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态(未偏航)并存储至数据库。待该船舶离开监测区域后，返回步骤(1)。否则转到步骤(6)。

(6)：若判定目标船只有偏航风险，主控机启动与其连接的报警装置，LED显示屏显示“偏航”，高音喇叭响，照明灯、透雾灯、预警灯亮。同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态(偏航)并存储至数据库。主控机发送船只偏航信号至集控中心。集控中心计算机控制预警信息发布模块广播预警信息。

本实施例中当船只通过通航口时辅助摄像机启动并录制船只通航过程，进行存档处理，便于事故鉴定预评价。本实例中船舶运行的状态信息(超高/不超高，偏航/不偏航)，LED显示屏显示信息，高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯状态，均显示于桥梁主动防船撞监测预警系统软件界面。本实施例中，所述集控中心计算机可通过网络访问主控机的监测预警系统，随时对船舶通航状况进行远程监控。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

包括视频监控装置、激光测高装置、报警装置以及主控机、集控中心，所述视频监控装置、激光测高装置、报警装置分别与所述主控机电连接，所述主控机与所述集控中心电连接，其中：

所述视频监控设备安装在桥梁上，用于完成对通航船只的偏航监测；

所述激光测高装置安装于航道两侧岸堤上，用于完成对通航船只的高度监测；

所述主控机用于完成对通航船只运行状态的存储和处理；

所述集控中心监测预警机制判断是否向船舶发布预警信息或其他信息，实现对船舶通航的远程监控。

2.如权利要求1所述的桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

所述视频监控装置包含有可见光成像系统、红外热成像系统和激光补光成像系统，以采用多光谱联合检测，根据不同可见程度及环境情况选择不同的成像模式。

3.如权利要求2所述的桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

所述视频监控装置还包括安装于通航口两侧桥梁的辅助摄像机，以录制船舶通航过程。

4.如权利要求1所述的桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

所述激光测高装置包括激光光束机，其激光束中心高度与通航孔允许最高净空高度相同，以采用激光反射原理实现对通航船只的高度监测。

5.如权利要求1所述的桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

所述报警装置包括LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯及/或预警灯。

6.如权利要求1所述的桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

所述通航船只的运行状态包括船舶检测、虚拟航道标定、船舶与桥梁相对位置、船舶与航道相对位置、预测船舶航线以及通航船只的偏航监测。

7.一种桥梁主动防船撞监测预警方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)安装于桥梁通航口的视频监控装置将监控水域的视频信息传输至主控机，主控机通过船舶检测算法探测监控水域是否有船舶通行，若检测到有船舶通行，则转到步骤(2)和步骤(5)，否则继续执行步骤(1)；

(2)当主控机判断在监控水域有船舶通行，开启激光测高装置，主控机根据激光测高装置探测的高度数据判断目标船只是否超高，若检测到目标船只超高，则转到步骤(3)，否则转到步骤(4)；

(3)当检测到目标船只超高时，主控机启动与其连接的报警装置，LED显示屏显示“超高”，高音喇叭响，照明灯、透雾灯、预警灯亮，同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态并存储至数据库，主控机发送船只超高信号至集控中心，集控中心计算机控制预警信息发布模块广播预警信息；

(4)当检测到目标船只未超高时，主控机控制激光测高装置进入休眠状态，同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态并存储至数据库；

(5)当监控水域检测到有船舶通行，主控机通过虚拟航道标定、测定船舶与桥梁相对位置、测定船舶与航道相对位置、预测船舶航线，判定目标船只是否有偏航的风险，若判定目标船只无偏航风险，则继续执行步骤(5)，同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态并存储至数据库，待该船舶离开监测区域后，返回步骤(1)，否则转到步骤(6)；

(6)若判定目标船只有偏航风险，主控机启动与其连接的报警装置，LED显示屏显示“偏航”，高音喇叭响，照明灯、透雾灯、预警灯亮，同时主控机记录当前时间、截取该船只现场照片、船只状态并存储至数据库，主控机发送船只偏航信号至集控中心，集控中心计算机控制预警信息发布模块广播预警信息。

8.如权利要求7所述的桥梁主动防船撞监测预警系统，其特征在于：

所述步骤(1)中，若检测到有船舶通行，则当船只通过通航口时辅助摄像机启动并录制船只通航过程，进行存档处理，便于事故鉴定与评价。