江 濤，陳 沖，蒲浩清

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

船閘運(yùn)行管理中對船舶進(jìn)出閘、系纜靠泊的監(jiān)管是運(yùn)行人員的兩項(xiàng)重要工作。三峽、葛洲壩船閘目前對于船舶過閘行為的監(jiān)管主要依靠圖像監(jiān)控系統(tǒng)，存在下列問題：1)針對船舶超速、越界、靠泊不到位等方面的監(jiān)測沒有直觀、量化的指標(biāo)，可能導(dǎo)致觀察偏差；2)在惡劣天氣、低能見度、船舶遮擋等客觀條件下，對于浮式系船柱系纜等環(huán)節(jié)無法進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測。根據(jù)葛洲壩船閘運(yùn)行數(shù)據(jù)，1個(gè)有載閘次(以一號閘為例)整個(gè)流程的時(shí)間為60～80 min，其中設(shè)備運(yùn)行時(shí)間僅為25 min，大量的時(shí)間消耗在船舶進(jìn)出閘和靠泊的過程中，因此通過精確定位和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的應(yīng)用解決上述2個(gè)問題以提高船舶進(jìn)出閘效率和船閘運(yùn)行管理水平，并最終實(shí)現(xiàn)過閘智能引泊具有良好的前景[1]。

1 閘室內(nèi)精確定位

1.1 衛(wèi)星定位

基于全球定位系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)定位，其精度一般為5～10 m。如果采用差分定位，理想狀況下精度可達(dá)0.05 m。結(jié)合三峽、葛洲壩船閘所在區(qū)域的基站建設(shè)現(xiàn)狀，考慮使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)(RTK)，利用衛(wèi)星載波相位觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)相對定位。進(jìn)行RTK測量時(shí)，位于基準(zhǔn)站上的接收機(jī)通過數(shù)據(jù)通信鏈，實(shí)時(shí)地把載波相位觀測值以及基準(zhǔn)站坐標(biāo)等信息發(fā)給附近的流動(dòng)站，流動(dòng)站的用戶根據(jù)基準(zhǔn)站及自己所采集的載波相位觀測值實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)相對定位，進(jìn)而求得流動(dòng)站點(diǎn)的實(shí)時(shí)三維坐標(biāo)。

1.2 3D掃描全站儀定位

3D掃描全站儀是一種集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，可作為數(shù)據(jù)采集裝置，負(fù)責(zé)閘室內(nèi)船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的無接觸采集。采集的數(shù)據(jù)通過線纜或無線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器將同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)按固定格式打包發(fā)送至數(shù)據(jù)處理終端。數(shù)據(jù)處理終端處理實(shí)時(shí)接收到的原始數(shù)據(jù)，并自動(dòng)進(jìn)行特定點(diǎn)(船首、船尾、船上系纜樁等)數(shù)據(jù)的提取，將成果發(fā)送至運(yùn)行管理顯示終端。運(yùn)行管理顯示終端根據(jù)閘室及其附屬設(shè)施底圖和閘室內(nèi)動(dòng)態(tài)船舶數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)顯示界面，供運(yùn)行管理單位指揮船舶靠泊指定的區(qū)域和浮式系船柱，同時(shí)向用戶終端實(shí)時(shí)發(fā)送經(jīng)簡易化處理后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)供用戶使用。

1.3 技術(shù)對比

2種定位技術(shù)都能實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集。全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)是單點(diǎn)的采集，如果需要采集單個(gè)過閘船舶上的多個(gè)通航關(guān)鍵特征點(diǎn)，則須通過加密安裝流動(dòng)站點(diǎn)，以獲取其三維坐標(biāo)信息，多艘船舶須一致安裝，或提前知曉過閘船舶的準(zhǔn)確幾何尺寸及流動(dòng)站天線安裝位置，通過計(jì)算獲取特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。這無形中增加了單船定位的數(shù)據(jù)成本和獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)工作量。全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)差分定位效果，不僅受船閘水工建筑物遮擋衛(wèi)星信號的影響，還受大面積水域電磁波信號的多次反射的干擾。

3D掃描全站儀則可通過非接觸的方式，即時(shí)獲取面狀點(diǎn)云數(shù)據(jù)，只須在通航水工建筑物上合適地點(diǎn)固定安裝設(shè)備、布設(shè)數(shù)據(jù)傳輸鏈即可。但3D掃描全站儀需要點(diǎn)對點(diǎn)直接可視，由于閘室水位起伏、閘室內(nèi)過閘船舶首尾遮擋等問題導(dǎo)致獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不全，存在遺漏。

1.4 定位方式選擇

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)差分定位綜合效果不及全站儀，且需要船載終端的硬件支持，廣泛應(yīng)用推廣成本較高；全站儀技術(shù)成熟，但對閘室內(nèi)船舶間遮擋問題不能很好地解決，系統(tǒng)集成化程度相對較低。綜合考慮航運(yùn)管理的發(fā)展要求和技術(shù)更新的趨勢，衛(wèi)星精確定位系統(tǒng)在船閘智能引泊中具有更好的應(yīng)用前景。

2 船閘智能引泊

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

船閘智能引泊系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和展現(xiàn)層。

1)基礎(chǔ)層：主要為系統(tǒng)提供設(shè)施的支持，包括硬件設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部分。

2)數(shù)據(jù)層：主要包括船舶精確定位數(shù)據(jù)、船舶屬性數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3)服務(wù)層：主要為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接收、傳輸和存儲服務(wù)，起到數(shù)據(jù)層與業(yè)務(wù)邏輯層直接的互動(dòng)作用。

4)業(yè)務(wù)邏輯層：通過與數(shù)據(jù)層交互，獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理、業(yè)務(wù)邏輯運(yùn)算等。

5)展現(xiàn)層：將系統(tǒng)分別展現(xiàn)給船方和船閘運(yùn)行人員使用，分別為船舶的移動(dòng)端、船閘運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)及其他管理系統(tǒng)等。

2.2 應(yīng)用展示設(shè)計(jì)

展示內(nèi)容包括船閘水工建筑、船舶仿真圖形、船舶行駛信息、管理交互界面等，考慮到三峽、葛洲壩水利樞紐的安全要求，向船方推送的信息不涉及建筑物坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)，僅以相對距離、仿真圖形的形式進(jìn)行展示(圖1)。

智能引泊系統(tǒng)面對船方通過管理單位微信公眾號或手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)服務(wù)，面對管理單位則通過開發(fā)運(yùn)行管理軟件實(shí)現(xiàn)功能(表1)。

表1 智能引泊系統(tǒng)功能展示

2.3 應(yīng)用難點(diǎn)

衛(wèi)星定位在船舶智能引泊應(yīng)用中最大的難點(diǎn)是船舶(終端安裝位置)差異化的問題。過閘船舶衛(wèi)星定位的結(jié)果為單點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)際應(yīng)用則需要定位船舶的整體輪廓，船舶定位終端安裝位置的不確定性是定位輪廓的主要難點(diǎn)。對此須同時(shí)利用其他檢測技術(shù)，如視頻識別、激光掃描等，通過特征點(diǎn)(船頭、船尾、兩側(cè)船舷)多點(diǎn)檢測結(jié)合適當(dāng)?shù)乃惴ㄓ?jì)算單點(diǎn)坐標(biāo)相對于整體輪廓的距離，最終計(jì)算出船舶輪廓的坐標(biāo)信息。

3 衛(wèi)星定位效果分析

3.1 實(shí)船測試

采用RTK技術(shù)的衛(wèi)星定位在復(fù)雜外界條件下的穩(wěn)定性和可靠性不及全站儀測量。為驗(yàn)證其實(shí)際效果，對在三峽船閘進(jìn)行的北斗、GPS、GLONASS多星系實(shí)船試驗(yàn)相關(guān)測試情況進(jìn)行分析(圖2)，測試設(shè)備主要包括1個(gè)基準(zhǔn)站、1個(gè)移動(dòng)站、2個(gè)多系統(tǒng)多頻測試天線[2]。

測試全過程船舶位置的經(jīng)緯度信息基本穩(wěn)定連續(xù)，上行數(shù)據(jù)中因船在上閘首區(qū)域受事故門橋機(jī)遮擋存在個(gè)別斷點(diǎn)，其精度在固定解的情況下達(dá)到厘米級。

圖2 上行、下行經(jīng)緯度測試結(jié)果

解算相關(guān)方程需要4顆觀測衛(wèi)星，在實(shí)際測量過程中，上行和下行時(shí)移動(dòng)站北斗衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星總數(shù)一般在14顆衛(wèi)星左右，滿足測量要求。上行測試一共4 785個(gè)歷元，平均衛(wèi)星數(shù)是17.05顆，下行測試一共6 186個(gè)歷元，平均衛(wèi)星數(shù)是15.7顆(圖3)。

圖3 上、下行衛(wèi)星數(shù)測試結(jié)果

在測量過程中，在固定解的情況下測量精度可以達(dá)到標(biāo)稱精度，在浮點(diǎn)解的情況下精度會有一定程度的下降。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在上行4 785個(gè)歷元中固定解狀態(tài)有4 778個(gè)歷元，7個(gè)歷元處于浮點(diǎn)解的狀態(tài)，在下行的過程中所有歷元均處于固定解狀態(tài)。

船舶航向通過船上的2個(gè)天線所在的方向與正北方向的夾角得出，在水位較低時(shí)航向失鎖會使航向急劇變化，不過可以通過定位加算法進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2 極端狀態(tài)分析

船舶在三峽、葛洲壩船閘上游水位時(shí)，對空情況良好，衛(wèi)星信號穩(wěn)定，但到下游水位時(shí)，由于閘墻、閘門的遮擋，對空面積大受影響，可能由于接收衛(wèi)星數(shù)量不足無法定位。下面設(shè)計(jì)以葛洲壩2#船閘下游水位的極端不利條件進(jìn)行近似計(jì)算。

地球半徑r≈6 400 km，定位衛(wèi)星軌道高度H在距地面2.0萬～2.4萬km，H取最低值2.0萬km，可簡化看成半徑r(6 400 km)、R(2.64萬km)的2個(gè)同心球。三峽流域通航船舶高度基本為10～18 m(接收天線高度)，船體寬度為13～19 m，葛洲壩下游通航水位39.0～54.5 m，2#船閘閘面高程為70 m，閘室尺寸為280 m×34 m(長×寬)?，F(xiàn)選取最低下游水位(39 m)、最小尺寸船型(10 m高、13 m寬)、閘門全部關(guān)終、最小可視上空的極端條件：

閘室縱向可視角α≈85°，閘室橫向可視夾角β≈69°；

衛(wèi)星軌道球面積S1=4πR2，地球外圍切面形成的球冠面積S2=2πRH；

極端條件下的可視面積S3(R相對于r較大，忽略偏心造成的誤差)S3≥(85180)×(69180)S2。

粗略得出：S3S1≥0.07，即極端條件下的可視面積相對于衛(wèi)星軌道球面的大小，結(jié)合北斗、GPS和GLONASS各星系的衛(wèi)星數(shù)量(包括非靜止和靜止)及軌道分布，對應(yīng)估算出可視范圍內(nèi)3個(gè)星系總接收衛(wèi)星數(shù)應(yīng)不少于5顆。

3.3 定位效果

從測試數(shù)據(jù)可知，上行和下行時(shí)移動(dòng)站北斗衛(wèi)星、GPS衛(wèi)星和GLONASS衛(wèi)星總數(shù)一般在14顆左右，極端情況下也能滿足6顆以上的解算要求，前述計(jì)算結(jié)果也大致符合，固定解比例情況均較好，在上行和下行過程中基本能解算位置信息，其經(jīng)、緯度也無太大變化，與實(shí)地經(jīng)、緯度一致，在整個(gè)測試過程中航向信息基本符合實(shí)際情況。

4 閘室內(nèi)系纜檢測

4.1 基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的監(jiān)測原理

船閘浮式系船柱在閘室兩側(cè)的閘墻軌道中隨水位上下浮動(dòng)，工作環(huán)境惡劣，檢修時(shí)須垂直吊出，不便于直接在系船柱工作區(qū)域內(nèi)或附近安裝傳感器及敷設(shè)線纜，考慮設(shè)備布置以及后期維護(hù)的便捷，建議利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對畫面局部(系船柱位置)進(jìn)行定點(diǎn)圖像分析的方式實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。該系統(tǒng)設(shè)置適當(dāng)位置的攝像點(diǎn)，針對閘室兩側(cè)的浮式系船柱設(shè)計(jì)預(yù)置點(diǎn)，利用船閘工控系統(tǒng)運(yùn)行指令控制攝像機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、變焦、拍攝預(yù)置點(diǎn)圖像(浮式系船柱)，圖像文件在終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過opencv、halcon類函數(shù)庫對系纜前后的系船柱局部圖像進(jìn)行特征檢測對比，輸出監(jiān)測及報(bào)警信息[3]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 系船柱監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 應(yīng)用難點(diǎn)

有效的視頻數(shù)據(jù)采集在實(shí)際應(yīng)用中有2個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：1)三峽、葛洲壩船閘單個(gè)閘室尺寸為280 m×34 m，觀測范圍較大，浮式系船柱數(shù)量較多，上、下游水位變化頻繁，攝像機(jī)在多個(gè)預(yù)置點(diǎn)間頻繁轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)整、變焦拍攝對云臺電機(jī)及傳動(dòng)部分的穩(wěn)定性、耐用性要求很高；2)浮式系船柱軌道布置在閘室兩側(cè)閘墻內(nèi)，圖像特征范圍很小，同時(shí)為避免船舶的遮擋和靠泊時(shí)對閘墻邊安裝設(shè)備的刮蹭，攝像機(jī)安裝位置受限，造成圖像處理的困難(圖5)。針對上述問題須合理設(shè)置攝像機(jī)的點(diǎn)位并進(jìn)行分區(qū)監(jiān)測，增加整個(gè)圖像內(nèi)的特征信息如特殊顏色的標(biāo)靶或特征形狀的目標(biāo)，并改進(jìn)算法提高目標(biāo)識別的效率，減少前端設(shè)備的工作壓力。

圖5 布置在閘墻內(nèi)的系船柱

5 結(jié)論

1)采用RTK技術(shù)的多星系衛(wèi)星精確定位基本可以忽略閘室低水位極端條件對衛(wèi)星信號質(zhì)量的影響，所需的船舶航向、輪廓定位等重要數(shù)據(jù)均可通過算法進(jìn)行補(bǔ)充，滿足建設(shè)數(shù)字船閘智能引泊系統(tǒng)的必要條件。

2)采用圖像識別監(jiān)測浮式系船柱因其攝像機(jī)安裝位置的靈活性，在功能設(shè)計(jì)、建設(shè)投資、后期維護(hù)方面都有明顯的優(yōu)勢。

3)上述方案在技術(shù)成熟性和市場風(fēng)險(xiǎn)方面較為可控，已具有一些在鐵路、港口領(lǐng)域的類似應(yīng)用和實(shí)船測試數(shù)據(jù)的支撐，是提高船閘運(yùn)行管理水平、實(shí)現(xiàn)智能引泊的一個(gè)重要發(fā)展方向。