基于操縱推理與視頻檢測的船橋主動避碰系統(tǒng)研究.pdf

1、自有統(tǒng)計橋梁事故的報告公布以來，因船舶和橋梁相撞事故造成的損失乃至災(zāi)難便常常見諸報端，船橋碰撞問題已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點。目前，國內(nèi)外大量的學(xué)者在橋梁防撞領(lǐng)域做出了大量的研究和努力，但其研究重點集中在對橋梁墩身結(jié)構(gòu)的加強及橋墩防護裝置的研究設(shè)計、對船舶碰撞橋梁的風(fēng)險概率研究以及碰撞事故發(fā)生后的致因分析上，這些研究均屬于被動避碰的范疇。并未較好的關(guān)注船舶操縱人員本身的因素。比較而言，在碰撞未發(fā)生之前，通過有效的預(yù)警預(yù)控手段對船舶駕駛?cè)藛T進

2、行關(guān)鍵時刻船舶關(guān)鍵操作上的提示與指導(dǎo)以達到主動避碰的效果，則是更有意義的研究課題。
　　 本文基于學(xué)科交叉融合的思想，將船舶操縱仿真技術(shù)與圖像識別技術(shù)相結(jié)合，提出了基于操縱推理與視頻檢測的船橋主動避碰系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括船橋碰撞危險態(tài)勢預(yù)報和船舶操縱避碰兩個部分：船橋碰撞危險態(tài)勢預(yù)報是對橋區(qū)船舶航跡偏移的預(yù)警和船舶碰撞橋梁(橋墩)風(fēng)險態(tài)勢分析；船舶操縱避碰則是結(jié)合船舶操縱運動及其仿真知識的船舶運動智能控制方法。實現(xiàn)了對特定船型在特定

3、橋區(qū)主動避碰的最小縱距參數(shù)的預(yù)報和船舶橋區(qū)航跡預(yù)判與避碰決策選取的主要功能。
　　 論文完成了以下工作：
　　 (1)綜述國內(nèi)外研究相關(guān)文獻，統(tǒng)計船橋碰撞事故發(fā)生的原因，闡述當(dāng)前船橋碰撞問題的研究方法，介紹視頻檢測以及操縱模擬在橋梁防撞領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，引出本文的技術(shù)路線和創(chuàng)新點。
　　 (2)運用船舶操縱運動理論，依據(jù)分離式操縱運動建模思想并且考慮實際操縱過程中各種外界條件影響，建立了適合橋區(qū)船舶控制的操縱運動模

4、型。針對橋區(qū)水域通航船舶受風(fēng)、流影響較大的特點，建立了橋區(qū)水域船舶在風(fēng)、流作用下的漂移運動數(shù)學(xué)模型。提出了以《內(nèi)河通航規(guī)范》為前提的橋區(qū)船舶航跡預(yù)報模型，并采用傳統(tǒng)經(jīng)驗算法以及ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)方法進行船舶停車沖程的計算研究。研究結(jié)果顯示，該算法能夠準(zhǔn)確的計算出不同船型在變化風(fēng)、流條件下的停車沖程值。
　　 (3)以武橋水道鸚鵡洲至武漢長江大橋航道段作為研究水域、3000DWT江

5、海直達代表船型為研究船型，利用第2章建立的橋區(qū)水域操縱運動數(shù)學(xué)模型開展橋區(qū)水域船舶航行仿真實驗。依據(jù)船舶自身的車、舵、錨等控制方式的使用情況以及其失控的可能性，進行了9種典型的橋區(qū)船舶操縱避碰橋墩的數(shù)值模擬工況實驗，對該9種工況下從接受系統(tǒng)指令到操縱結(jié)束時船舶運行時程曲線進行了分析。實驗結(jié)果表明，選定的3000DWT在武橋水道避碰橋墩的極限安全距離為346m，該距離參數(shù)可以為武橋水道同類船型的安全避碰橋墩提供參考。
　　 (4)

6、根據(jù)選定的代表船型的各型尺度參數(shù)，按照自由自航船模實驗的相似準(zhǔn)則要求并結(jié)合船舶性能露天操縱水池的尺度，選用1:40縮尺比制作了3000DWT江海直達代表船型的物理模型，并依照模型制作縮尺比搭建了物模實驗的模擬航道硬件環(huán)境設(shè)施。結(jié)合實際物理模型的實驗條件進行了7種船模航行控制避碰橋墩工況的實驗。對物模實驗工況的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并對第3章數(shù)模實驗各工況的結(jié)果進行相似準(zhǔn)則變換。分析比較結(jié)論顯示，采用物理模型實驗和數(shù)模實驗相結(jié)合的研究方法能夠

7、有效確定特定船型在特定橋區(qū)水域的最小避碰縱距值。
　　 (5)研究并開發(fā)了基于計算機視覺檢測的船橋主動避碰系統(tǒng)。首先對智能船橋避碰系統(tǒng)ICAS(Intelligent Collision Avoidance System)的構(gòu)建框架、關(guān)鍵技術(shù)進行闡述，研究了橋區(qū)復(fù)雜動態(tài)背景下船舶等運動物標(biāo)的檢測與航跡關(guān)聯(lián)技術(shù)，采用現(xiàn)場手動拍攝視頻導(dǎo)入預(yù)置檢測算法的方式檢測所建立的船橋主動避碰算法平臺的有效性。實驗結(jié)果表明，船舶在正常通過橋梁航行

8、狀態(tài)下，主動避碰平臺有較好的適用性。
　　 本文在綜合相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)合操縱運動理論模型和計算機視覺信息處理與圖像人工智能識別技術(shù)的橋區(qū)船舶航跡預(yù)報和預(yù)控的模型，并建立基于該模型的船橋主動避碰的綜合系統(tǒng)。通過對部分現(xiàn)場實船航行視頻檢測來檢驗所建立的主動避碰系統(tǒng)的有效性。本文的研究成果為船舶駕駛?cè)藛T和橋梁管理部門提供了一種新的橋梁安全保障途徑。
　　 本文的創(chuàng)新點主要有以下幾點：
　　 (1)運用船舶

9、操縱仿真技術(shù)與圖像識別技術(shù)，研發(fā)出了一個船橋主動避碰系統(tǒng)，通過計算機軟件編程，實現(xiàn)了智能化、可視化的船橋主動避碰功能，提出了一種全新的橋梁主動避碰方法。
　　 (2)將數(shù)值模擬仿真實驗與物理模型實驗相結(jié)合，通過相似換算推導(dǎo)出船舶橋區(qū)避碰距離參數(shù)，提出了特定橋區(qū)特定船型的最小避碰縱距值的預(yù)報方法。
　　 (3)將ALE算法引入船舶停車沖程的計算中，對不同船型船舶在各類橋區(qū)及各種風(fēng)、流等外界影響下的停車沖程進行了良好預(yù)報。<