摘 要

当船舶在航行过程中碰撞到桥梁发生事故时，会造成大量的经济损失，同时也可能造成人员的伤亡。为防止船-桥碰撞事故的发生，本文提出了一种通过实时监控桥区水域，运用计算机视频处理技术的桥区船舶运动监测预警系统。该系统通过在桥梁上假设摄像头，监控采集桥区图像，通过处理监控视频，可以自动检测到运动的船舶目标，并基于视觉几何模型进行船舶空间定位、提取船舶运动态势参数。最后，利用船舶操纵知识和遗传算法运算，对船舶与桥梁发生碰撞事故的可能作出预估，并对船舶进行避碰指导。

关键词：船桥碰撞；数据库；智能视频处理；运动目标检测；遗传算法

Abstract

When a ship collision in the course of the collision to the bridge, it will cause a lot of economic losses, but also may cause casualties. In order to prevent the occurrence of ship bridge collision, this paper presents a through real-time monitoring of the bridge area, intelligent process monitoring and early warning system of video technology in ship bridge collision avoidance. The system is real-time acquisition bridge area surveillance video, image preprocessing by post, using video technology to automatically detect ship targets and visual geometric model based spatial positioning of ships, ship movement trend extraction parameters. Finally, the system combines theoretical knowledge of navigation and manipulation of genetic algorithm operation performed ship - bridge collision risk prediction, and gives the ship collision avoidance guidance.

Keywords: collision; database; intelligent video processing; moving target detection; genetic algorithm

目 录

第1章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2 研究的目的与意义 2

1.3 系统描述 3

第2章 船桥碰撞事故数据库的建立 5

2.1 船桥碰撞事故数据库的模型设计 5

2.1.1 数据库设计语言 5

2.1.2 数据库表E-R图 6

2.1.3数据库表的创建^[9] 6

2.2数据库的功能 8

第3章 运动目标检测及航迹关联 9

3.1 图像处理 9

3.1.1图像处理过程 9

3.1.2 图像清晰度评价 10

3.1.3图像清晰度处理 11

3.1.4 图像增强处理 11

3.1.5 图像降噪处理 12

3.2运动目标检测 12

3.2.1 影响桥区水域运动目标检测的因素 13

3.2.2边缘算子 13

3.2.3 边缘检测 14

3.2.4 基于边缘检测的背景建模 15

3.2.5消除抖动 15

3.2.5背景更新算法 16

3.3航迹关联^[19] 16

第4章 空间定位与运动态势参数提取 17

4.1 空间定位 17

4.2 运动态势参数提取^[20] 19

4.3船桥碰撞风险预测与避碰决策 20

第5章 基于遗传算法的船桥避碰路径优化 22

5.1遗传算法的原理和步骤^[23] 22

5.2遗传模拟退火算法 23

5.3基于遗传模拟退火算法的船-桥避碰路线规划 24

第6章 总结与展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1选题背景

在当代的陆地运输系统中，桥梁连通了两岸的陆上运输交通，起到了关键的不可替代的作用。随着国家经济的发展，为满足人们日常的生活和工作需要，我们修建了许多的跨江、跨海大桥。这些桥梁的修建，虽然极大地方便了陆路交通，为区域经济的蓬勃发展做出了贡献，但是，桥梁横跨航道两岸，也变成了船舶航行过程中的一种固定碍航物。桥墩的存在导致河道泥沙产生沉降淤塞，河床位置发生变动，引起航道条件的恶化，对船舶的往来产生了威胁。不仅如此，在航行过中也有船撞到桥的可能，船对桥的安全同样产生了威胁。

船与桥一旦发生碰撞，在导致人员伤亡的同时，也会产生的大量的经济损失和严重的环境危害。许多意外轻则损失几万元，重则甚至威胁到人生命安全、产生几百万、几千万乃至几十亿美元的损失，接下来一系列的后续影响和间接危害更是无可估量的。通过查阅国内外诸多相关报道和文献资料，重大船-桥碰撞事故在世界范围内不时发生。迄今为止，全球导致最大经济损失的船桥碰撞事故是在美国发生的阳光大桥事件。最多死亡人数的船桥碰撞事故则发生在前苏联，船名为“亚尼山德鲁·依凡诺夫”号的客船与伏尔加河铁路桥相撞，造成240多人死亡^[1]。在我国，船撞桥的事故一样不断发生。2007年，“南挂机035”与广东九江大桥相撞，导致3个桥墩及第4孔约200米桥面坍塌，4辆汽车坠入河中，8人死亡，1人失踪；2008年，“勤丰128”轮与舟山大陆连岛的金塘大桥相撞，造成船上人员共计四人死亡。表1.1^[2]列出的是1942年至2007年世界范围内主要的船桥碰撞事故导致人员伤亡的情况。

表 1.1 1942年–2007年世界主要船撞桥事故统计

1.2 研究的目的与意义

船桥碰撞事故的频繁发生，及其发生后导致的严重后果，使得船与桥的避碰问题成为当下研究的热点。船舶与桥之间的避碰行为可以分为“主动避碰”和“被动避碰”，其中，“被动避碰”主要指通过对船桥碰撞事故发生的风险、概率进行评估，针对船桥碰撞的行为和可能造成的损失破坏，对桥梁结构设计一些防止撞击的装置；“主动避碰”是通过整体考虑水域环境、船舶驾驶人员的操纵技术以及船舶自身的操纵性能等因素，通过驾引人员主动制动船舶来进行避碰。

鉴于上述事故屡屡发生，给人命财产造成严重损失的现状，假定船舶驾引人员驶经桥区水域时能够提前知晓船桥碰撞的风险，便能显著降低船与桥出现碰撞的几率。为此，本文拟构建船桥主动避碰观念，切实关注船桥碰撞事故中船舶驾引人员的主观能动性，通过收集各类事故资料，探寻船桥碰撞事故发生的致因、设计一个储存资料的数据库，同时提出一个船桥主动避碰系统的设计规划，通过对桥区监控图像进行视频检测，根据船舶操纵原理推理，为船舶驾引人员在复杂桥区水域安全操控船舶提供技术支持、为海事部门监管辖区交通、做出应急决策提供科学依据和理论支撑。