【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于桥梁主动防撞，具体涉及一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统。
技术介绍
1、我国水运交通迅猛发展，通航密度剧增，船舶吨级也明显增大，船桥碰撞风险日益增大，通航河道桥梁遭受船舶撞击的事件时有发生。一旦发生船桥撞击事故，就可能造成桥梁受损坍塌、航道受阻、环境污染、生命财产损失等严重后果，带来巨大的经济损失。
2、为了应对船舶撞桥，桥梁管理单位通常采用被动防撞手段(包括助航设施、警示标志、防撞墩、沙岛、防撞套箱等)和人工观测，一旦有大型货船进入桥梁通航道的预警区域，巡查人员往往来不及提醒船舶驾驶员。被动防撞方法能减轻船桥碰撞带来的损害，但难以避免碰撞的发生，尤其是对于内河高等级航道来说，船舶交通的流量较大、速度较高，仅仅依人工研判或设施防护方式，已经远远不能适应桥梁防撞管理的需要。亟需解决传统工作手段被动、不及时、不高效、预警缺乏的问题。因此亟需提升桥梁主动防撞水平，对存在撞桥风险的船舶进行实时远程预警。
3、为了对船桥碰撞进行预警，船舶信息识别是基础。目前的船舶识别方法通常用合成孔径雷达(sar)、摄像机以及自动识别系统(ais)对船舶目标进行识别。其中sar成像不易受环境的影响，并且在白天夜间均可工作，但sar成像多为黑白图像，缺少一些必要的船舶特征。相比于sar图像，摄像机视频图像具有更丰富的目标特征，但相机的拍摄精度容易受到光照不足、雨雾等环境的影响。不同于前面两种船舶识别方式，ais是一种信息自报告系统，在船舶航行中已广泛应用。然而大部分ais的报告频率与精度较低，很难满足水域
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，解决了现有技术中的问题。
2、本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
3、一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，包括：
4、超限监测模块：包括多个激光雷达和一个雷达水位计；多个激光雷达将船舶空间点云互相融合，换算出水面船舶高度t和宽度w；雷达水位计用于获取通航水位高度tw；
5、偏航监测模块：包括分别安装于通航孔主梁两侧的两个超声波雷达，两个超声波雷达均朝桥墩外侧倾斜发射超声波信号，内侧未被超声波信号覆盖的区域为虚拟航道，来监测来船是否偏离虚拟航道；
6、视频监控模块：包括安装于通航孔主梁跨中顶点处的高清摄像头，用于监控航道整体通航情况，并对异常船舶进行自动抓拍；
7、后端管理模块：负责超限监测模块、偏航监测模块以及视频监控模块数据的汇聚、处理分析、存储管理以及指令下发；
8、以及，异常预警模块：用于警告超限和偏航船舶。
9、进一步地，对多个激光雷达进行优化布置，来能够扫描到监测范围内所有通航船舶；优化布置方法包括以下步骤：
10、步骤1，以通航孔主梁跨中顶点为原点建立全局坐标系o-xyz，激光雷达lj所扫描的点云映射到全局坐标系o-xyz中的坐标点为pj(xj,yj,zj)；
11、步骤2，基于上述坐标系，定义点云感知模型；
12、步骤3，基于点云感知模型，根据一阶优化算法得到激光雷达数量k及其余激光雷达参数。
13、进一步地，所述点云感知模型的目标函数为：
14、gj＝min[fj(kj,poj,vj,hj,vj,hj)-(1.1dts+dl+2.2tsl)]
15、其中，多个激光雷达在尺寸为d×1.1ts×l的空间表面扫描出的点云中，d为通航孔宽度；ts为设计通航高度；l为超限预警距离；任取距离最近的3个点连接形成一个微三角形网格，所有点云总共可划分出m个微三角形网格δq(q＝1,2,…,m)，为δq的求和面积；k为激光雷达数量、poj(xoj,yoj,zoj)为激光雷达安装位置、vj为垂直视场角、hj为水平视场角、vj为激光垂直旋转角度、hj为激光水平旋转角度；则可写为关于激光雷达参数的函数fj(k,poj,vj,hj,vj,hj)。
16、进一步地，点云与全局坐标系的映射关系如下：
17、
18、其中，rj为各激光雷达点云与安装位置的距离，αj为激光的水平旋转角度，βj为激光的垂直旋转角度。
19、进一步地，水面船舶的高度t和宽度w分别为：
20、t＝maxy-miny
21、j j
22、w＝maxx-minx
23、j j
24、其中，多个激光雷达扫描的点云在全局坐标系o-xyz中的x、y坐标集合分别为xj＝{x1,x2,…,xk}、yj＝{y1,y2,…,yk}。
25、进一步地，两个超声波雷达间距为s，在原有设计航道内通过超声波雷达划分梯形通航区域，梯形通航区域长2000m，两个超声波雷达最内侧波束与原有设计航道的夹角均为：
26、
27、其中，d为通航孔宽度。
28、进一步地，所述视频监控模块的抓拍步骤包括：
29、1)当发现超高或者偏航船舶时，对多个激光雷达扫描的点云数据进行聚类分析，得到一个聚类中心k*坐标为(x*,y*,z*)；将聚类中心映射到高清摄像头所拍摄视频图像的像素坐标系op-uv中，得到像素点p*(u*,v*)；
30、2)在高清摄像头所拍摄视频图像中标注出像素点p*，像素点p*所落在的船舶即为异常船舶，放大并裁剪异常船舶图像，识别船号，实现异常船舶的自动抓拍。
31、进一步地，聚类中心映射与像素坐标系的映射关系为：
32、
33、式中，f为摄像头焦距，x0、y0分别为成像板中心到像素坐标系原点的横纵距离。
34、进一步地，超限船舶判定规则为：若设计通航高度ts≤(t-tw)，则表明船舶超高；若d/2≤w，则表明船舶超宽。
35、一种桥梁，其上设置上述主动防船撞预警系统。
36、本专利技术的有益效果：
37、1、本专利技术融合了激光雷达、超声波雷达、高清摄像头以及雷达水位计等传感器的优点，提高了船舶识别和定位的精度，且受现实环境因素影响小，系统鲁棒性强。
38、2、本专利技术具有多激光雷达优化布置功能，能够以最优的雷达布置方案实现全面的扫描监测。
39、3、现有的桥梁主动防撞技术主要包括船舶偏航和超高预警，本专利技术还引入了船舶超宽预警技术；对于一些低等级航道的中小桥梁，其通航净宽较小，因此船舶超宽预警很有必要，本专利技术的应用场景更为丰富。
40、4、本专利技术通过发射超声波信号形成虚拟航道，一旦有船舶偏离虚拟航道，系统会立即发出预警信号，预警的实效性强。
41、5、本专利技术在发现异常船舶后，可快速对其进行自动抓拍，识别船号，并将详细信息及时报送给海事部门。...
【技术保护点】
1.一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，对多个激光雷达进行优化布置，来能够扫描到监测范围内所有通航船舶；优化布置方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，所述点云感知模型的目标函数为：
4.根据权利要求2所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，点云与全局坐标系的映射关系如下：
5.根据权利要求4所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，水面船舶的高度T和宽度W分别为：
6.根据权利要求1所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，两个超声波雷达间距为S，在原有设计航道内通过超声波雷达划分梯形通航区域，梯形通航区域长2000m，两个超声波雷达最内侧波束与原有设计航道的夹角均为：
7.根据权利要求1所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，所述
8.根据权利要求7所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，聚类中心映射与像素坐标系的映射关系为：
9.根据权利要求1所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，超限船舶判定规则为：若设计通航高度Ts≤(T-Tw)，则表明船舶超高；若D/2≤W，则表明船舶超宽。
10.一种桥梁，其上设置有权利要求1-9任一项所述的主动防船撞预警系统。
...【技术特征摘要】
1.一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，对多个激光雷达进行优化布置，来能够扫描到监测范围内所有通航船舶；优化布置方法包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，所述点云感知模型的目标函数为：
4.根据权利要求2所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，点云与全局坐标系的映射关系如下：
5.根据权利要求4所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞预警系统，其特征在于，水面船舶的高度t和宽度w分别为：
6.根据权利要求1所述的一种多源感知融合的高精度桥梁主动防船撞...
【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，廖睿轩，茅建校，曹成斌，吴文广，徐晟，王旭，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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