0 引　言

船舶和桥梁相碰撞主要有2种情况，第1种情况是内河航道桥面的通航高度低于通航船舶的净空高度，导致桥梁的底部和通航船舶的上层建筑相撞；第2种情况是通航船舶由于某些故障使得船舶的速度或者航向无法正常控制，最终使得通航船舶和水面桥梁相撞。本文研究了船舶在航道内通航过程中的高度测量系统，对提高船舶通航安全、有积极意义。

1 船舶安全通航保障技术

船舶航道中桥区部分的复杂环境增加了船舶安全通过的难度，过窄的船舶桥区航道使得船舶的可操纵性降低，很容易产生事故，因此船舶在桥区附近的事故和桥区的航道宽度存在相关性，船舶的事故率随着桥区航道宽度的增加而降低，因此需要设计合适的船舶桥区航道宽度以降低船舶在通航过程中的操作难度。

船舶的桥区通航净空宽度是指船舶能够安全通过桥区所需的最小航道宽度，桥区航道宽度的设计通常需要考虑船舶航迹带的宽度、相邻2艘船舶之间的安全距离、船舶和桥墩之间的安全间距。当航道水流方向和桥轴法线方向的夹角小于5^o的时候，船舶在桥区通航的净空宽度可以用下式计算：

$ {B_{m1}} = {B_F} + \Delta {B_m} + {P_d}\text{，} $

(2.1)

$ {B_F} = {B_s} + L\sin \beta \text{。} $

(2.2)

式中：∆B_m为通航船舶和桥墩之间的冗余宽度；P_d为偏行距离；B_s为船体宽度。

桥墩紊流区宽度是指通航船舶和桥墩之间的距离，其计算方法如下式：

$ E = {K_c}{K_s}{v^{0.75}}{b^{0.56}}{h^{0.44}}\text{。} $

(2.3)

式中：K_c为常系数，值为0.884；b为桥墩的宽度；v为航道内的水流速度；K_s为和桥墩形状相关的系数。

船舶航道的通航能力受航道水深的限制，主要是受到在最低通航水位情况下航道内最浅水深的限制。船舶航道中的冗余水深是为了确保通航船舶能够安全航行，因为船舶在航行的过程中，船底和航道底部之间需要一定的空间，因此船舶航道的水深设计方法可以用下式2.4表示：

$ H = T + \Delta H\text{。} $

(2.4)

式中：H为船舶航道深度；T为通航船舶吃水深度；∆H为船舶底部和航道底部之间的冗余距离。

船舶在桥区通航的过程中需要考虑跨河建筑的净空高度，如果跨河建筑的净空不够，则船舶安全地从跨河建筑下方通过的可能性会大大降低，一些大型船舶将无法正常通航。船舶通航的净空高度是指船舶空载水线到船舶最高顶点的高度和冗余高度之和，如图1所示。

在弯曲航道上，船舶的通航安全和弯曲航道的曲率半径有着直接关系，为了研究船舶水面航行事故和弯曲航道的曲率半径的关系，对3 000 km的航道上的交通事故量进行分析，如表1所示。

表1中的n_R为航道上的弯曲航道数量；n_α为弯曲航道的事故数目；n_α/n_R为弯曲航道的事故数量和对应弯曲航道个数之间的比值，即相对事故数量。对表1中的数据进行分析，则可以得到曲率半径和相对数量之间的函数数学关系，如下式：

$ {k_R} = \frac{{205}}{R} + 0.7\text{。} $

(2.5)

根据式（11），则可以绘制出其数学曲线图，如图2所示。

从图2可以看出，在航道距离大于3000 km的航道上的相对事故数量会随着弯曲航道曲率半径的增大而降低，因此弯曲航道的曲率半径对船舶安全通航有着很大的影响。

2 船舶净空高度测量技术 2.1 三角高程测量技术

三角高程测量方法是基于测站点和照准点之间的距离以及角度，然后利用三角函数的关系求解两者之间的高度差，该测量方法操作简单、不受地形限制，是测量大地控制点高度的基本方式。通常使用全站仪进行测量，三角高程测量的过程如图3所示。

如假设A点和B点是地面上的2个测量点，A地点安放全站仪，B地点安放觇标，全站仪的高度为i，觇标的高度为v，全站仪和觇标之间的视线与地平线之间的夹角为α，同时全站仪所在的A地点和觇标所在的B地点之间的水平距离为D，由于全站仪测量的是全站仪所在地点A和觇标所在点B之间的直线距离，假设该距离为S，则地点A和地点B之间的高度之差可以用下式计算：

$ {H_{ab}} = S \cdot \sin \alpha + i - v\text{，} $

(3.1)

当地点A和B之间的水平距离超过300 m的时候，在使用三角高程测量方法时则必须考虑地球曲率以及大气折射对测量精度的影响。假设地球的半径为R，大气的折射系数为k，则修正之后的两个地点之间高度差计算方法，如下式：

$ {H_{ab}} = S \cdot \tan \alpha + i - v + \frac{{{D^2}}}{{2R}}\left( {1 - k} \right) \text{。} $

(3.2)

可以看出，影响三角高程测量方法精度的因素主要有大气折射、测量设备高度、观测误差、测量目标高度以及边长误差。边长误差主要是受到测量仪器的精度影响，当前使用的测量仪器的精度都比较高，因此对测量精度的影响比较小；观测误差主要是因为高度误差随着两点之间的距离的增大而增大，因此使用该方法的时候要尽量缩小两点之间的距离以降低误差；大气折射主要与测量环境有关，因此可以选择一天中的中午时刻进行测量，因为中午的时候大气折射系数最小；测量设备以及测量目标的高度导致的误差可以使用多次测量取平均值的方法降低。

2.2 双目立体视觉测量技术

双目立体视觉测量技术是利用相同的摄像机在移动状态下对同一地点进行拍摄或者采用2台摄像机对同一地点进行拍摄，然后以摄像机的空间地点信息为基础，对2次拍摄的图像中的视差进行计算分析，得到拍摄点的三维坐标，基于该三维坐标，则可以解算出测量地点的高度。利用2台摄像机平行安放的方法进行测量，是最简单的双目立体视觉系统，该方法的测试模型如图4所示。

图4中的摄像机焦距为f；O₁和O₂2个位置各自安放了一台摄像机，并且2台摄像机之间的距离为T；假设空间中有一点P，其真实坐标为（X，Y，Z），同时摄像机是对准的无畸变的理想测量仪器。从图4中可以看出，2台摄像机在工作的过程中主光轴平行、焦距一样，并且在同一平面上成像，在2台摄像机的光心都被校准的情况下，P点在O₁位置的摄像机以及O₂位置的摄像机的CCD中的横坐标分别为X₁和X₂，则可以算出两台摄像机的视差为X₁-X₂，并且X₁、X₂所在的平面就是CCD平面，为了简化运算，则可以将CCD平面移动至摄像机面前，根据相似三角形理论，则可以得到如下关系式：

$ \frac{{T - \left( {\left| {{X_1} - {X_2}} \right|} \right)}}{T} = \frac{{Z - f}}{Z}\text{，} $

(3.3)

$ Z = \frac{{fT}}{{\left| {{X_1} - {X_2}} \right|}}\text{。} $

(3.4)

可以看出，当参数f和T不变的时候，Z和|X₁|+|X₂|是反比关系，因此随着待测目标距离的增大，视差X₁-X₂的变化量会逐渐降低，这就导致测量精度降低，所以在焦距一定的情况下，Z的精度会随着待测物体距离的变远而降低。

因为摄像机的成像原理类似于小孔成像，因此任意一点P在图片上的坐标（x，y）都可以用下式表示：

$ x = \frac{{f{X_c}}}{{{Z_c}}}\text{，} $

(3.5)

$ y = \frac{{f{Y_c}}}{{{Z_c}}}\text{。} $

(3.6)

式中：X_c和Y_c为P点真实的坐标值。根据公式可以进一步求出目标的高度值。

3 船舶高度测量系统设计

船舶在桥区通航的时候，因为潮汐的影响，桥梁的可通航高度在不断地变化着，船员一般会根据自身的经验来判断能否从桥梁底部通过，但是这样很容易因为判断失误而造成船舶和桥梁相撞的事故，因此需要对船舶在桥区通航过程中实时地进行净空高度的测量，以防止船舶高度过高而产生事故。本文设计的船舶安全通航高度测量系统包括船舶的目标检测、轮廓提取、变换矫正以及净空高度求解4个部分，整体系统结构如图5所示。

船舶的目标检测系统是从摄像机获取的图像中识别目标船舶，并得到目标船舶在图片中的连通域。在常用的船舶的目标检测算法中小波变换和局部峰值算法适合对弱小目标进行检测，但是视觉注意力模型算法可以同时对图像中的大小目标进行检测，由于本系统中检测的船舶可大可小，所以使用视觉注意力模型进行船舶的检测，其算法结构如图6所示。

对图像进行船舶目标检测之后则可以进行船舶轮廓的提取，并且船舶轮廓信息的提取精度会影响到船舶净空高度的计算。常见的轮廓提取算法如Sobel、Prewitt等很容易受到图像背景的影响，从而导致无法精确地从图像中提取船舶的轮廓，PCNN算法能够减小2个类似像素之间的距离，以确保图片背景和提取目标可以保持连续性，并且可以修补目标区域内部由于灰度差别而引起的间隙，因此本系统采用PCNN算法来提取通航船舶的轮廓，算法流程如图7所示。

摄像机在拍摄船舶的过程中，可能由于船舶的角度不同以及摄像机的成像特性所产生的透视效果等原因，使得图像中的船舶产生了透视畸变，透视畸变可以进一步对通航船舶的净空高度的测量精度产生影响，因此需要对摄像机拍摄的船舶图像进行透视变换矫正，以便能够增加船舶净空高度的测量精度，其转换原理可以用下式表示：

$ x = \frac{{{b_{11}}*\mu + {b_{12}}*v + 1}}{{{b_{31}}*\mu + {b_{32}}*v + 1}}\text{，} $

(4.1)

$ y = \frac{{{b_{21}}*\mu + {b_{22}}*v + 1}}{{{b_{31}}*\mu + {b_{32}}*v + 1}} \text{。} $

(4.2)

4 结　语

本文基于摄像机成像技术，通过在桥区水域安放摄像机，实时获取通航船舶的图像信息，并求解出船舶的净空高度，防止船舶与桥梁的碰撞。