□ 文/吕洪涛

基于视频分析的桥梁防船舶碰撞预警系统设计与实现

□ 文/吕洪涛

本文针对桥梁防撞研究这一工程界的热点问题，分析了典型桥梁船撞事故产生原因。以此为基础，提出了基于视频分析技术的桥梁防撞系统解决方案。通过摄像机与激光测距仪的递次架设及智能视频分析完成了从发现、监视到报警的全方位 立 体 监 控 预 警 体 系 ，对 目 标 船 舶 进 行 实 时 、准 确的监控，为桥梁的船舶碰撞问题提供了可行有效的解决方案。

引言

桥梁建设与航运业发展一样，在国民经济发展中占有举足轻重的地位。人们在享受桥梁建设为经济腾飞带来的巨大便利的同时，也不得不面对因桥梁的修建带来的种种困境。这些困境包括：因桥墩占用原有航道水域，导致船舶可航水域通航净宽、净高受限，从而直接或间接引发水上交通安全事故或造成安全隐患；因桥壤的修建改变原有水道的流场特征，从而导致船舶在桥壤水域航行困难，更进一步增加了船舶碰撞桥缴的风险性。船舶桥梁碰撞事故一旦发生，造成的损失将是无法估量。轻则造成船、桥损 伤 ，重 则 造 成 船 毁 桥 塌 以 及 重 大 人 员 伤 亡 与 环 境 污染事故。纵观相关文献和报道，人们不难发现，国内外重大船桥碰撞事故时有发生。

据美国的统计数字表明 , 在通航的大型桥梁运营期间，约有10%的桥梁会发生不同程度的船舶撞击事故。在国内，航行船舶撞击桥梁的事故长期、普遍地存在 ，对 桥 梁 安 全 运 营 造 成 了 很 大 的 危 害 。南 京 长 江 大 桥自建桥至今己经发生了约30起船撞桥事故；重庆白沙沱大桥被船撞已达上百次之多；东海大桥在施工期间基础就曾遭受船撞而断裂；2013年6月15 日5 时左右，325 国道广东佛山九江大桥发生了一起运砂船撞击桥墩事件，大桥桥墩当场被撞断,桥面随之垮塌，长度大约有140m，交通中断，造成了巨大的经济损失和社会影响，并且桥梁结 构、使用寿 命、安全 性 及抗震能力受到了极大的影响；2015年8月29日，江苏昆山市大洋桥水域，一艘货船因避让船只撞上大洋桥桥墩，致使大桥部分桥面发生坍塌；2016 年 3月27日，浙江轮船在航行至在建的宁波金塘大桥时，船舶桅杆与该桥面发生碰 撞 致 使 桥 面 箱 梁 塌 ，4 人 被 困 。

船撞桥事故的原因主要归结为三大类：第一大类是人员失误，如疏忽、操纵失误等；第二大类是机械故障，如主机熄火、舵机失灵、船队断缆等；第三大类是恶劣的自然环境，如坏天气、大洪水等。分析表明，由人员失误、机械故障以及恶劣自然环境造成的船 -桥碰撞事故占事故总数的比例分别为80%，8%，12%；仅广东省自2013年至2016年已经发生多起严重碰撞事件。造成人民生命财产的重大损失，严重危害公共安全；在当前经济社会转型升级时期，迫切需要针对桥梁安全建设一整套桥梁防船舶碰撞预警系统来保障大桥安全。

近些年来，国内相关学者在桥梁防撞预警领域也做 出 了 一 些 有 益 探 索 ：如 周 鑫 在 2 0 1 3 年 通 过 研 究 桥 梁的主动防撞问题，从船舶与船舶操作者、管理人员的角度出发针对性提出防止船撞桥的预警和监管与监控措施；张文娟针对单船在桥区的航行碰撞事故的预瞀方法进行了研究与探索，提出基于船舶航迹预测的桥区 水 域 船 舶 航 行 风 险 预 警 方 法 ；华 南 理 工 大 学 的 吴 震采用红外视频与VHF自动播报技术相结合的方式针对内河航道岔道口大桥防撞预警做出了有益的探索；武汉理工大学的郑元洲博士将船舶操纵仿真技术与图像识别技术相结合，提出了基于操纵推理与视频检测的船桥主动避碰系统，实现了对特定船型在特

定桥区主动避碰的最小纵距参数的预报和船舶桥区航迹预判与避碰决策选取。这些研究对推动桥梁防撞预警学科的发展起到了积极作用。

本项目建设的桥梁防撞预警系统是利用现代化检测手段来提高航道运行的安全性，精确检测出船舶是否超高与诱导超高船舶安全行驶路线，并及时进行警示和录像，其核心技术为激光及视频分析技术：当有船舶高度超过预先设定好的高度时，激光检测设备立即发出指令让前方的示警LED显示屏提示船长船舶超高警示（声光报警），船长处理船舶超高部分后方可通 过 ，如 果 超 高 船 舶 继 续 前 进 ，监 控 人 员 可 以 从 视 频录像里看清现场情况，并通过对讲功能对现场船只进行喊话通知，同时平台可以帮助管理部门进行事后违章取证。而桥区视频检测系统可以在离桥墩较远的距离范围内识别船舶航迹，通过相应的算法并比对相关通航规范，对具体船舶航迹带的“合法性”进行预判和预警，可以在碰撞危险发生的早期阶段对船桥避碰风险进行消除。

桥梁防船舶碰撞预警系统工作原理与架构设计

系统工作原理与流程

桥梁防船舶碰撞预警系统工作原理如下图所示：

▲图1：桥梁防船舶碰撞预警系统工作原理示意图

▲图2：系统总体设计架构示意图

在监控区域方位的左右桥墩处并列安装多个摄像头与激光测距仪，通过高清摄像头的图像识别功能，对江面、隧道上运动的物体进行识别，当船舶穿越“驶入”预警区域后，启动一级预警，对于船只进行重点监控，包括调取船只相关信息等。两束与通航高度水平的激光形成一定夹角射出为在河面上实现主要航道的全覆盖；若船舶超高，则在船舶行进过程中会依次触碰两束激光，此时激光测距仪将会依次收到反射信号从而确认船舶超高；若船舶并未超高，则激光测距仪将不会收到反射信号，当摄像头侦测到船舶穿越“驶出”线（黑色）后，完成本次监控。

若船只由于超高触碰到阈值上限时，系统实施报警。触发前端桥梁上的告警设备开始工作，高音广播对船只进行语音告警，LED显示屏进行信息图像告警；若在夜间则启动桥墩高清夜视视频探头进行录像，同时开启辅助照明灯以辅助照明。监控中心采集到监测数据后进行分析并给管理人员发送报警信息，同时监控中心弹出告警现场的实时画面，管理人员手机也将会收到报警桥梁的视频链接；前端和监控中心同时进行录像以现场取证。

系统架构设计

系统架构总体规划如下图2所示，主要包含以下四个 部分：

如上图所示，系统主要包括：外部关联子系统、接口子系统、桥梁防撞预警子系统、用户终端子系统这四大部分。其中桥梁防撞预警子系统与接口子系统作为系统结构的核心模块，在桥梁防撞预警子系统中主要是通过高清摄像机并综合运用视频检测与分析手段对驶入桥梁监测区域的船只进行识别、跟踪与基于运动视频的信息融合与分析，运用LED显示屏和信号灯对超高船舶进行安全行驶发出警示；同时通过录像功能帮助监管人员在监控中心实时监测江面情况。并通过在桥梁两侧安装的两组并列的桥梁防碰撞产品在限高水平面按照一定夹角进行激光发射，超高船舶碰触激光即可实现预警。

管理平台的主要功能是对预警数据及上传的视频进行统一合理化调度管理、提供设备远程维护及远程信息发布；并且能够与海事A IS（船舶自动识别系统 ）系 统 相 接 驳 。

系统主要硬件核心设备

该系统的构成的核心设备主要包含：激光超高检测器、数据控制器、高清网络摄像机、LED屏、大功率喇叭及警示灯、信息管理系统、高清夜视视频头、辅助照 明 设 备 等 ；其 中 ：

激光超高检测器主要部署于通航的两个桥洞（每个桥洞两个）并位于桥洞的顶部。激光束水平发射并形成一定的夹角，根据船只航道、隧道大小进行一定角度的范围扫描，对船舶进行超高监测及距离确认（ 双 重 确 认 ）。

高清网络摄像机可实施24小时不间断录像，激光 仪 触 发 警 报 后 可 自 动 启 动 预 警 功 能 ，提 示 管 理 人员并把录像保存在本地及后台服务器端。该系统的视频质量可达到1080P；

高清夜视视频探头主要部署在通航桥洞两侧用于拍摄过往船舶。

数据控制器主要安装在桥梁护栏上，作用是接收激光测距仪的信号并驱动LED屏和大功率喇叭发出警报，并对接管理后台。

信息管理系统主要是用于监控信息的管理、视频智能分析。

大功率喇叭及警示灯主要是部署于桥梁两侧，为船舶提供声音警示信息。

LED屏主要部署于桥梁两侧，为船舶提供图像警示和提示信息。

辅助照明设备主要部署在通航桥洞两侧用于辅助照明以便拍摄过往船舶。

系统后台管理平台的功能实现

后台管理系统主要包含：视频监控系统、视频数 据智能分析、激 光 扫描 数 据 分析、告警与存 储。主 要 功 能 如下：

视频监控系统：提供电脑终端高清1080P的视频 观 看，手 机 C I F 画 面 观 看，为监 管人 员提 供 监 控 中心电视墙高清监控画面，出外手机终端应急观看；

视频数据智能分析：进行视频分析可通过视频画面进行智能分析，通过范围、界限进行运算分析；

激光扫描数据分析：由于视频智能分析会受到视频画面质量不同，分析的准确度不同，所以通过激光扫描设备提供数据精准度；

告警系统：进行船只超高告警显示，告警信息推 送 给相关管 理 人 员；

存储系统：根据需要进行录像存储和调阅。

系统稳定性和环境适应性设计

本系统采用超低功耗设计，系统供电采用市电及太阳能备份的双电源系统：停电时自动切换至太阳能以保障供电；设备箱体采用防水性能好、铝压铸全密封外壳以适应户外安装，具有较高的稳定性和环境 适应能力。

系统测试

该系统自试运行以来，按要求进行了日常值守和现场专项考核；对系统功能、警情测报、可靠性、报 警 联 动 、供 电 能 力 等 诸 多 方 面 进 行 了 严 格 测 试 。经测试：晴天天气下，全天候误报率与漏报率都为0，实现了100%准确预警；而在极端大雾天气、大雨天气系统的准确预警率达99.7，同时建议封锁航道。

结束语

桥梁防撞的研究在我国处于起步阶段，越来越多的桥梁防撞事故使得该研究的必要性和紧迫性日益显现。因此，建立一套机制灵活、安全可靠的桥梁防撞预警系统是一项刻不容缓的工作；本文以满 足 大 桥 防 撞 的 实 际 应 用 为 出 发 点 ，提 出 了 基 于 视频分析技术的系统解决方案；通过摄像机的递次架设及视频分析处理完成了从发现、监视到报警的立体监控预警体系，对目标船舶进行实时、准确的监控，为桥梁的船舶碰撞问题提供了可行有效的解决方 案 。随 着 智 能 视 频 分 析 理 论 的 不 断 完 善 ，基 于 视频监控技术的桥梁防撞技术将会在这一研究领域发挥更重要的作用。

作者单位：广州港股份有限公司铁路分公司