王瑩

x摘 要：參考了內河橋區(qū)船舶的通航規(guī)范，針對現(xiàn)下的船舶在內河橋區(qū)航道所有可能產生的異常航跡，提出了以視頻檢測為基礎的內河橋區(qū)船舶異常行為模型，與此同時，為了判斷船舶航行行為的異常與否，首先制定了指標信息，主要包括船舶航速、船舶領域、船隊大小、運動方向、風力、能見度、浪高和人為因素。此種方法的優(yōu)點是處理速度快、實現(xiàn)簡單，還能夠準確快速地判斷是否屬于異常航跡。

關鍵詞：船舶 異常模型 判定準則 仿真分析

中圖分類號：U692 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）08（a）-0142-02

1 船舶異常行為準則

船橋相撞事故在我國總是頻繁的發(fā)生。據不完全統(tǒng)計，從1968—1995年南京長江大橋共發(fā)生重大撞橋事故25起；建橋至今武漢長江大橋已發(fā)生撞橋事故81起；更有甚者在2007年6月中旬，九江大橋坍塌也是因被船只撞擊導致的。根據資料來看，在汛期順流航行時發(fā)生船橋相撞事故的比例為65%；在航道彎曲度大的橋區(qū)河道中和水流方向與橋軸法線方向之間的夾角處發(fā)生事故的比例有60%；人為過失因素有關的事故率有70%。

自然和人為因素都會影響內河橋區(qū)船舶的安全航行。現(xiàn)以上海黃浦江段奉浦大橋水域為例進行討論，結合《上海黃浦江通航安全管理規(guī)定》（以下簡稱《規(guī)定》）[1]，遵循分道通航、大船小船分流、各自靠右航行的原則，假定影響船舶安全航行的因素并可定為評判準則的主要有船隊大小、運動方向、能見度、船舶航速、風力、浪高、船舶領域和人為因素這八個方面。

1.1 船舶航速

影響船舶安全航行的重要因素是航速，在天氣不好的時候，如霧天、可視距離短、能見度低的情況下，引發(fā)船舶事故的罪魁禍首主要更是航速。小于等于8節(jié)約4 m/s的船速是船舶正常航行時的船速，在橋區(qū)河道上小于等于5，節(jié)約2.6 m/s的速度是安全航速，這是由于船只進入橋區(qū)河道前需要提前減速，同時船只在橋區(qū)河道上不得無故任意停船，主要是為了對其他船舶的正常通行不產生影響，所以，根據上述內容船只的航行速度的安全行駛范圍為0

1.2 能見度

根據資料表明，70%的碰撞事故發(fā)生是能見度不良導致的，不良的能見度在《航道與引航》中被界定在50～2000 m之間的能見距離。在《規(guī)定》中，黃浦江水域的能見度不足100 m的情況下，嚴禁所有船只的通行；不足500 m的，嚴禁大型船只通行；不足1000 m的，船只應當緩速慢行通過。所以，禁止船舶過橋的安全視距是在100～500 m之間時。

1.3 運動方向

為減少甚至避免船相撞和船撞橋等事故的發(fā)生，船舶要遵循各自靠右航行、分道通航、大船小船分流的原則。按照《長江江蘇段船舶定線制規(guī)定》第十九條所說的：橫越的船舶要在不妨礙其他船只行駛時，盡可能與通航分道成直角就近進行，同時需要注意周圍環(huán)境和航道情況。同時，《規(guī)定》中也對船只可掉頭的區(qū)域和橫穿航道的行為等有著明確的說明。

1.4 船隊大小

為了達到省時省力的目的，多有拖帶船隊和頂推船隊在內河水路中行駛，這種情況下船隊的裝貨高度、總長度及寬度都會對橋梁和其他甚至自身船只的行駛造成一定程度的影響。因此，參考后在這里設定，船只載貨后總長應小于等于165 m，寬度小于等于32 m，高度需小于等于29.5 m，對船只的長寬高數(shù)據進行實時監(jiān)控可以根據檢測階段測量出的船只尺寸進行。

1.5 船舶領域

船舶領域的概念在1963年被著名學者藤井弭平提出，其開創(chuàng)了日本的海上交通工程學。從幾何學的概念上來說船舶碰撞就是指會遇船舶的距離為零。假如船只與船只之間總是保持一定的安全距離，那么則可以確保船只安全有效的航行并防止碰撞事故的發(fā)生。這一安全距離即船舶領域半徑[2]，在避碰規(guī)則中我們可以理解為“寬”的概念。船舶的航道寬度、動態(tài)及靜態(tài)特性、風流等因素對船舶領域有著重大的影響。根據經驗，在內河橋區(qū)河道上，船只的基本領域長度可以定為3 m，綜合考慮船速、風、流等因素后，船舶領域長度可以增加到4 m。

1.6 風力

船舶交通安全和效率會在大風和臺風天氣中收到很大的影響，比如造成航行船只發(fā)生偏航的大風，偏航會產生巨大的危害，特別是在航道受限水域。船舶產生搖擺是由大風引起的水面波浪造成的，大風還能使船員對船只的操縱能力受到一定程度的限制，還影響船員觀察周圍環(huán)境情況。我們知道4～5級的風浪在長江下游就會對船隊的行駛造成一定的阻礙影響，而當大風浪達到5～6級以上時就會對船隊的行駛起到很大的威脅作用。根據浦福式風級表我們可以知道，5級大風的風速V5大約為8～10.7 m/s。故此，在這里我們規(guī)定V風<9m/s為風力的安全范圍。

1.7 浪高

浪頭越來越大主要是由風力越來越強引起的，如果是在海面上，2 m的中浪僅需由5級的清風就能引起，轉而到內河航道中，與浪高有復雜而緊密關聯(lián)的主要有河道的寬度、風浪的相對速度以及河岸對河道的遮蔽等一系列條件；另一方面，由于快速客輪高速行駛而引起的浪，往往會使得周圍船只發(fā)生橫向漂移，這是因為快速客輪對途徑船只有著側向推力。所以我們可以知道，不可忽視的因素之一就是浪的大小。

1.8 人為因素

導致船舶事故發(fā)生的很大一部分原因是由人為因素或者操作不當引起的，因為人為因素是無法避免和無法估計的，所以在本文中不做贅述。

2 船舶異常的模型

通過船只行駛的影響原因和內河橋區(qū)水路船只的通航規(guī)范，船只正常航行的運動狀態(tài)信息（如航跡寬度、速度、運動方向以及風力等）范圍可以被制定出，船只航行的異常與否主要是由船只的各項運動信息是否滿足上一節(jié)中規(guī)定的范圍來判斷。使用這種方法能夠準確快速地判斷船舶的異常行為，而且它實現(xiàn)簡單，處理速度也夠快。

2.1 船舶航跡的異常

為了獲取船只的航行軌跡，需要在檢測到了運動船舶之后展開跟蹤處理，以便得到在每幀視頻圖像序列中目標的定位點，進一步可以描繪出船只的行駛痕跡。運用的跟蹤算法是以Camshift為基礎的多特征自適應融合算法，解決一系列由于復雜背景的干擾以及天氣、光照等的變化和內河船只的遮擋、重疊等造成的問題，如圖1所示，選用紋理特征信息、顏色以及形狀同時作用于通過目標檢測獲得的目標，并進行建模工作，而對船只跟蹤方面，采用的更新系數(shù)是基于多特征信息的融合系數(shù)。

通過船只跟蹤得到的船舶航跡若符合安全準則，在河面通航區(qū)域內，則為正常船舶航跡，不存在船撞橋的事故；反之，若航跡超出了通航區(qū)域進入危險或警告區(qū)域，則為異常航跡，有可能會發(fā)生船撞橋的事故，需要發(fā)出警報。

2.2 船舶速度的異常

實際中的船舶速度為：

（1）

實際中的船舶位置與視頻圖像中的船舶位置存在以下關系：

（2）

由式（1）和（2）可以得到船舶的實際速度為：（VX，VY），則在實際中船舶的真實速度V船為：。

通過與之前得到的安全船舶航行速度范圍0

2.3 船舶異常行為的仿真分析

就運動軌跡方面，為了驗證上述方法，通過實際視頻數(shù)據展開，如圖2所示，視頻為上海A4奉浦大橋，于2008年11月12日拍攝，陰天，溫度為16℃，風力3～4級，視頻總幀數(shù)為1086，幀大小為352×288像素，圖中目標檢測數(shù)量顯示為3。

如圖2所示，為左側下行航道中兩船舶正常航行時的運動軌跡，通過獲取航跡的方法獲得船舶航跡后對航跡進行分析，船沿運動方向運行時有微小偏移量，但此偏移量在正常范圍內，故判定此航跡為正常航跡，船舶在規(guī)定航道內正常行駛。

如圖3所示，視頻為上海閔浦大橋，于2012年3月21日拍攝，晴天，溫度12℃，風力為4級，能見度大于10 km，幀大小為320×240像素，圖中目標檢測數(shù)量顯示為4。如圖所示，video窗口（左上）顯示原始視頻并標有被檢測船只的行駛軌跡、background窗口（右上）為視頻的背景、foreground窗口（左下）為視頻前景即被檢測船只、R窗口（右下）為檢測區(qū)域劃分及實時檢測到的船只，視頻中河道右側為上行航道左側為下行航道，圖中在檢測區(qū)域內并顯示其航跡的共有A、B、C、D四條船只，其中在上行航道范圍內有三條船舶的運行軌跡，按照航道的分布以及船舶的運動方向可以推測出，A船的正常運動軌跡因以黑色運動軌跡線X為中心，允許產生一定量的小偏移，但在圖中可以看出，A船的實際運動軌跡如灰色運動軌跡線所示，船頭方向已發(fā)生大量偏移，明顯偏離原定軌跡，故此產生船只橫穿航道的警告，同時，B、C、D船均為正常行駛，沒有觸發(fā)警報，如圖4所示。后由事實證明，A船的確橫穿航道，A船的航跡屬于異常航跡。本實驗為單觸發(fā)實例，在多目標異常的情況下，警報觸發(fā)可能為多觸發(fā)。

3 結語

該文在橋區(qū)內河水路交通建立異常船只航跡模型，以運用視頻檢測手段為基礎，通過分析船舶航速、運動方向、船舶領域、能見度、船隊大小、浪高、風力和人為因素這八個指標信息，然后對比于所制定的行為評判準則并進行分析，可以知道船只的行駛是否異常，在有異常發(fā)生的時候為了避免船橋相撞事故的發(fā)生還能實時給出預警信號。對于被認定為有發(fā)生事故可能性或者有異常的船舶來講，該方法對船只的監(jiān)控和警告行為是及時有效的，此外，因長時間工作，監(jiān)控人員造成的疏忽能被更多的避免掉，全天候的視頻監(jiān)控問題也能被更好的實行，船船相撞事故以及船橋相撞的發(fā)生從而還能行之有效的被避免。經實驗及性能分析，該模型具的高準確性被及時驗證了，得到船只異常行為軌跡后還可以啟動主動告警決策。

參考文獻

[1]交通部.上海黃浦江通航安全管理規(guī)定[EB/OL].http：//www.shmsa.gov.cn/.