基于操縱推理與視頻檢測的船橋主動(dòng)避碰系統(tǒng)研究.pdf

1、自有統(tǒng)計(jì)橋梁事故的報(bào)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(bào)端，船橋碰撞問題已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。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(diǎn)集中在對橋梁墩身結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)及橋墩防護(hù)裝置的研究設(shè)計(jì)、對船舶碰撞橋梁的風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)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(jìn)

2、行關(guān)鍵時(shí)刻船舶關(guān)鍵操作上的提示與指導(dǎo)以達(dá)到主動(dòng)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(shí)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(dòng)避碰系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括船橋碰撞危險(xiǎn)態(tài)勢預(yù)報(bào)和船舶操縱避碰兩個(gè)部分：船橋碰撞危險(xiǎn)態(tài)勢預(yù)報(bào)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(xiǎn)態(tài)勢分析；船舶操縱避碰則是結(jié)合船舶操縱運(yùn)動(dòng)及其仿真知識(shí)的船舶運(yùn)動(dòng)智能控制方法。實(shí)現(xiàn)了對特定船型在特定

3、橋區(qū)主動(dòng)避碰的最小縱距參數(shù)的預(yù)報(bào)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(xiàn)，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)。
　　 (2)運(yùn)用船舶操縱運(yùn)動(dòng)理論，依據(jù)分離式操縱運(yùn)動(dòng)建模思想并且考慮實(shí)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)，建立了橋區(qū)水域船舶在風(fēng)、流作用下的漂移運(yùn)動(dòng)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(bào)模型，并采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)算法以及ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)方法進(jìn)行船舶停車沖程的計(jì)算研究。研究結(jié)果顯示，該算法能夠準(zhǔn)確的計(jì)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(dá)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(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型開展橋區(qū)水域船舶航行仿真實(shí)驗(yàn)。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(jìn)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(shí)驗(yàn)，對該9種工況下從接受系統(tǒng)指令到操縱結(jié)束時(shí)船舶運(yùn)行時(shí)程曲線進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)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(shí)驗(yàn)的模擬航道硬件環(huán)境設(shè)施。結(jié)合實(shí)際物理模型的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了7種船模航行控制避碰橋墩工況的實(shí)驗(yàn)。對物模實(shí)驗(yàn)工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并對第3章數(shù)模實(shí)驗(yàn)各工況的結(jié)果進(jìn)行相似準(zhǔn)則變換。分析比較結(jié)論顯示，采用物理模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)模實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)視覺檢測的船橋主動(dòng)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(jìn)行闡述，研究了橋區(qū)復(fù)雜動(dòng)態(tài)背景下船舶等運(yùn)動(dòng)物標(biāo)的檢測與航跡關(guān)聯(lián)技術(shù)，采用現(xiàn)場手動(dòng)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(dòng)避碰算法平臺(tái)的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，船舶在正常通過橋梁航行

8、狀態(tài)下，主動(dòng)避碰平臺(tái)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(yùn)動(dòng)理論模型和計(jì)算機(jī)視覺信息處理與圖像人工智能識(shí)別技術(shù)的橋區(qū)船舶航跡預(yù)報(bào)和預(yù)控的模型，并建立基于該模型的船橋主動(dòng)避碰的綜合系統(tǒng)。通過對部分現(xiàn)場實(shí)船航行視頻檢測來檢驗(yàn)所建立的主動(dòng)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(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：
　　 (1)運(yùn)用船舶

9、操縱仿真技術(shù)與圖像識(shí)別技術(shù)，研發(fā)出了一個(gè)船橋主動(dòng)避碰系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)軟件編程，實(shí)現(xiàn)了智能化、可視化的船橋主動(dòng)避碰功能，提出了一種全新的橋梁主動(dòng)避碰方法。
　　 (2)將數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)與物理模型實(shí)驗(yàn)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(bào)方法。
　　 (3)將ALE算法引入船舶停車沖程的計(jì)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(jìn)行了良好預(yù)報(bào)。<