基于深度學(xué)習(xí)和傳感技術(shù)的航道橋墩防護(hù)及船撞自動(dòng)預(yù)警裝置

張永康，孫濤，喬通

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001）

1 研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)蓬勃發(fā)展，興建了大量跨江、跨河的橋梁，一方面給人們的生活帶來(lái)了便利，另一方面也帶來(lái)了一些安全隱患。同時(shí)隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，船舶種類日益增多，船橋碰撞事故也在不斷增加。雖然船橋碰撞屬于小概率事件，但是船只和橋墩一旦發(fā)生碰撞，就會(huì)導(dǎo)致水運(yùn)交通癱瘓和人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失等諸多嚴(yán)重的后果。因此，確定船舶撞擊力以及其防撞裝置的防撞性能，一直成為許多專家關(guān)注的問(wèn)題[1]。研究駁船和散裝貨輪撞擊力的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，船首幾何形狀和內(nèi)部構(gòu)造不同對(duì)撞擊力有較大影響。冒一峰等知名學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例提出了船橋碰撞過(guò)程中復(fù)合材料防船撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，能夠有效保護(hù)橋墩安全[2]。近年來(lái)，鋼結(jié)構(gòu)防撞裝置的橋墩防撞裝置已經(jīng)應(yīng)用到了大型橋梁的基礎(chǔ)防撞當(dāng)中，但該裝置的材料以及結(jié)構(gòu)特性決定一旦發(fā)生了撞擊，其結(jié)構(gòu)必定會(huì)發(fā)生塑性形變，因此需要不斷進(jìn)行后期維修工作，而且鋼結(jié)構(gòu)具有較大剛度，碰撞過(guò)程中吸收能量作用小，難以保證船舶安全。部分新型防撞設(shè)施的設(shè)計(jì)思路中也僅局限于被動(dòng)撞擊保護(hù)，而我們所研究的新型橋墩防撞欄，融入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪船識(shí)別技術(shù)判斷船只的電子警報(bào)系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在撞擊事件發(fā)生前對(duì)船舶予以警報(bào)，提前做出預(yù)防措施來(lái)降低損失。

基于深度學(xué)習(xí)和先進(jìn)傳感技術(shù)的新型橋墩防撞欄具有降低船舶與橋墩損害的功能，并且能夠美化橋梁建筑。目前已經(jīng)大量投入應(yīng)用的橋墩防護(hù)欄為鋼套箱防護(hù)欄，然而，現(xiàn)有的橋墩防撞欄裝置存在安裝步驟復(fù)雜、安裝不牢固等問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)大大降低防撞欄的防護(hù)效果。此外，由于各方面對(duì)防撞欄的侵蝕導(dǎo)致的風(fēng)化腐蝕，使得防撞欄的耐久性降低。因此，在發(fā)生意外事故時(shí)，提供的防護(hù)效果很有限，存在嚴(yán)重的安全隱患。為了解決這些問(wèn)題，我們正在研究一種以聚氨酯高聚物為外裹的涂料。這種涂料可以增強(qiáng)防撞欄的抗震性能，提高防撞欄的抗腐蝕性能的同時(shí)幾乎不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何影響。通過(guò)使用這種涂料，我們希望在削弱巨大航運(yùn)交通事故的破壞力、減小航運(yùn)事故帶來(lái)莫大的財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)提高防撞欄的抗沖擊性能，并提高其環(huán)境保護(hù)能力。未來(lái)，我們計(jì)劃將成熟的預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)融入國(guó)家交通應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)，以提高交通事故救援的實(shí)用性和時(shí)效性，最大程度地保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 設(shè)計(jì)原理

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于深度學(xué)習(xí)和先進(jìn)傳感技術(shù)的新型橋墩防撞欄，它包括防撞欄本體、聚氨酯外裹涂料、計(jì)算機(jī)視覺(jué)模塊、太陽(yáng)能電池板、超聲波測(cè)距、警報(bào)器、連接結(jié)構(gòu)、卡槽、滑槽和緩沖裝置。該系統(tǒng)的作用是在橋墩上安裝視頻采集系統(tǒng)，全天候監(jiān)測(cè)航道中的船只和其他危險(xiǎn)因素，并通過(guò)運(yùn)行YOLOv5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船只進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別和判斷，若有船只經(jīng)過(guò)，則提前進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)。預(yù)警系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)船只與橋墩的距離，并綜合考慮船只的速度、行進(jìn)方向和距離等因素來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生撞擊。當(dāng)船只撞擊防撞欄時(shí)，首先接觸到防撞柱桶。該柱桶可以繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抵消一部分壓力，并讓船舶繼續(xù)靠著護(hù)欄向前滾動(dòng)摩擦，減少對(duì)船體的損傷。同時(shí)，防撞欄中安裝的壓力感應(yīng)器可以采集壓力數(shù)據(jù)，并通過(guò)智能分析判斷事故情況，并立即通知相關(guān)部門進(jìn)行救援，以最大限度地爭(zhēng)取急救時(shí)間，減少傷亡。

該防撞欄采用了新型高分子材料聚氨基甲酸酯（PU）作為中間圓柱形空心桶的材料，旨在盡可能減少撞擊對(duì)橋墩的沖擊力。為了增加緩沖性能，我們?cè)谕暗膴A層內(nèi)添加了彈簧或其他具有良好緩沖性能的材料，并在桶與支撐鋼柱的接觸面上安裝了壓力傳感器，用于感知壓力大小。通過(guò)使用這種新型橋墩防撞欄裝置，高速公路的管理水平得到了顯著提高，交通事故發(fā)生率也大大降低，從而最大限度地保障了交通運(yùn)輸?shù)陌踩珪惩?。這一成果實(shí)現(xiàn)了交通運(yùn)輸高速、高效、智能和高管理水平的目標(biāo)。基于當(dāng)前深度學(xué)習(xí)算法技術(shù)和先進(jìn)傳感技術(shù)的人機(jī)交互、萬(wàn)物互聯(lián)以及識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)，本研究提出了一種基于深度學(xué)習(xí)和先進(jìn)傳感技術(shù)的新型橋墩防撞欄優(yōu)化模型。該模型旨在設(shè)立一個(gè)綜合性裝置，能夠在船舶-橋墩撞擊發(fā)生之前發(fā)出警報(bào)，并在撞擊發(fā)生后減少損害，并及時(shí)有效地通報(bào)給相關(guān)部門進(jìn)行處理。這一研究屬于水路交通科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

同時(shí)該裝置也加上基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)船舶識(shí)別技術(shù)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，電子警報(bào)系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)。通過(guò)平臺(tái)不斷采集橋墩周圍環(huán)境并運(yùn)行YOLOv5 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷船只，并接入計(jì)算機(jī)非線性有元化程序作為警報(bào)系統(tǒng)，在減少船舶損傷以及人員財(cái)產(chǎn)傷害的同時(shí)及時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)道路系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)和求救信號(hào)，減輕我國(guó)水上交通的公共交通事故損害。通過(guò)使用定制的PU 高分子材料，增加了物理性能和防撞特性。防撞欄的核心是可旋轉(zhuǎn)的外圍結(jié)構(gòu)，在碰撞過(guò)程中能夠降低沖擊力的大小，無(wú)論是對(duì)于高速運(yùn)行的船只還是對(duì)于過(guò)載船只的碰撞均具有泄力消能的能力，從而對(duì)船只和橋梁進(jìn)行了全方面的保護(hù)，保障了社會(huì)公共安全和橋梁的使用壽命。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別模塊采用基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪船檢測(cè)算法，常見(jiàn)目標(biāo)檢測(cè)模型有AlexNet、VGG、Inception、ResNet、MobileNet、DenseNet 等。本項(xiàng)目具體使用的是YOLOv5 檢測(cè)算法，其主要特點(diǎn)是速度快、準(zhǔn)確率高，可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)圖像中的多個(gè)物體進(jìn)行檢測(cè)。為保證良好的閱讀體驗(yàn)，該算法的核心原理是將圖像分成若于個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格預(yù)測(cè)出若下個(gè)檢測(cè)框，并對(duì)其進(jìn)行分類和定位。這種分割方式使得算法能夠快速處理大量圖像數(shù)據(jù)，并且在保證準(zhǔn)確率的同時(shí)減少了計(jì)算量。YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以高準(zhǔn)確率快速檢測(cè)，同時(shí)具有一定魯棒性，可適用于實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)[3]。首先輸入圖像視頻進(jìn)行判定是否為輪船，通過(guò)對(duì)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)不斷迭代進(jìn)行訓(xùn)練、學(xué)習(xí)，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，保存模型最優(yōu)權(quán)重文件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模型推理預(yù)測(cè)最終實(shí)現(xiàn)輪船的檢測(cè)任務(wù)。

該裝置的防撞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為外層鋼套箱組成的鋼板，內(nèi)部填充PU 材料，并涂有聚氨酯高聚物涂料。創(chuàng)新地采用旋轉(zhuǎn)式物理結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了抗震性能和化學(xué)抗腐蝕性能。在惡劣天氣和高鹽海水環(huán)境中仍能保持良好的物理化學(xué)性能。本項(xiàng)目采用太陽(yáng)能電池板提供可靠的能源供應(yīng)，通過(guò)自主控制裝置調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板輸出功率，實(shí)現(xiàn)能源高效利用。節(jié)省下來(lái)的電能可用于交通基礎(chǔ)設(shè)施的路燈照明等。每個(gè)防撞欄都配備信息傳輸裝置和視覺(jué)識(shí)別警報(bào)器。信息傳輸裝置可將事故詳情通過(guò)交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給交通部門或醫(yī)院救急部門。視覺(jué)識(shí)別警報(bào)器會(huì)在船舶靠近時(shí)發(fā)出警報(bào)。

該裝置通過(guò)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別的電子警報(bào)系統(tǒng)和壓感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智能識(shí)別船舶并在危險(xiǎn)范圍內(nèi)發(fā)出碰撞警告的主動(dòng)防撞系統(tǒng)。當(dāng)碰撞發(fā)生后，壓感系統(tǒng)將收集詳細(xì)的碰撞區(qū)域受力數(shù)據(jù)匯總于人機(jī)交互界面形成可觀的受損分析，同時(shí)向河務(wù)局和消防部門等有關(guān)部門予以警報(bào)，便于及時(shí)開(kāi)展相關(guān)部門的救助援助。主動(dòng)防撞系統(tǒng)設(shè)有基于數(shù)據(jù)庫(kù)的船舶識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)有物體處于危險(xiǎn)范圍內(nèi)，會(huì)先通過(guò)攝像頭進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別為船舶后才會(huì)發(fā)出警報(bào)，因此該系統(tǒng)具有一定的防誤判能力。為解決傳統(tǒng)鋼套箱結(jié)構(gòu)護(hù)欄施工中的拼縫多和線性不平順問(wèn)題，我們通過(guò)某高架橋橋墩防撞欄工程案例，論述了護(hù)欄整體移模施工技術(shù)。該技術(shù)包括模板系統(tǒng)和電動(dòng)模板車系統(tǒng)的構(gòu)成，以及模板移動(dòng)就位、模板調(diào)整等施工操作要點(diǎn)。同時(shí)總結(jié)了護(hù)欄鋼筋及預(yù)埋件施工、混凝土施工、脫模施工和養(yǎng)生施工技術(shù)要點(diǎn)。研究結(jié)果表明，橋墩防撞護(hù)欄整體移模施工技術(shù)顯著提高了施工效率和安全性，并可為后續(xù)同類工程施工提供借鑒。每個(gè)圓柱桶內(nèi)都安裝有壓力裝置。

該裝置創(chuàng)新性地加入超聲波測(cè)速裝置，確定是否需要激發(fā)出相關(guān)警報(bào)予以船舶單位。該裝置通過(guò)AI 分析警報(bào)系統(tǒng)，分析船舶預(yù)計(jì)行進(jìn)方向速度以及運(yùn)行軌跡判斷等，同時(shí)對(duì)大裝置進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)不斷訓(xùn)練其對(duì)于船只運(yùn)行軌跡的判斷力從而提早出置信度，當(dāng)置信度達(dá)到一定程度可以發(fā)出警告及時(shí)發(fā)出電子警報(bào)提醒，規(guī)避常規(guī)風(fēng)險(xiǎn)駕駛。

易知，當(dāng)鋼板厚度變大時(shí)，鋼套箱的剛度隨之變大，變形能力減弱，鋼板吸收能量少，吸能效果差；當(dāng)鋼板厚度變小時(shí)，鋼套箱的剛度隨之變小，變形能力增強(qiáng)，鋼板吸收能量多，吸能效果得到改善。防撞裝置以鋼材吸收能量為主，PU 層吸收能量占裝置的吸收能量的20%左右。

由上述分析可知，該裝置能進(jìn)行良好泄力消能作用，對(duì)于保護(hù)船只以及減小橋梁受損具有良好預(yù)警規(guī)避和保護(hù)作用，同時(shí)能對(duì)撞擊數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

3 創(chuàng)新特色

3.1 新型防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)

PU 材料具有物理性能好，耐曲折、柔軟度好、抗拉強(qiáng)度大、輕質(zhì)高強(qiáng)、快凝高膨脹，有一定的抗撕裂強(qiáng)度及抗剝離強(qiáng)度等特征，在工程非開(kāi)挖修復(fù)和工程結(jié)構(gòu)的抗震防護(hù)等方面應(yīng)用廣泛。該裝置是由鋼套箱與PU 填充材料共同組成的復(fù)合防撞裝置，以PU 為外裹涂料加上獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)式物理結(jié)構(gòu)，大大地增強(qiáng)了橋墩的防護(hù)性能，可以有效降低船撞時(shí)船體和橋墩的損傷。

3.2 深度學(xué)習(xí)識(shí)別與判斷

該裝置通過(guò)融合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器視覺(jué)識(shí)別算法，建立了船舶智能判別防撞預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航道船舶識(shí)別及其在危險(xiǎn)范圍內(nèi)主動(dòng)防撞預(yù)警預(yù)報(bào)。同時(shí)，在碰撞發(fā)生后，感應(yīng)系統(tǒng)將收集的詳細(xì)碰撞區(qū)域受力數(shù)據(jù)匯總于人機(jī)交互界面，形成可視化的受損分析報(bào)告，同時(shí)向河務(wù)局和消防等有關(guān)部門予以警報(bào)和反饋，便于及時(shí)開(kāi)展相關(guān)部門的救助搶險(xiǎn)和事故處理。

3.3 先進(jìn)傳感技術(shù)提升

該裝置創(chuàng)新性地加入紅外測(cè)距和超聲測(cè)速裝置以及壓力傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)終端，將采集到的距離和速度數(shù)據(jù)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，建立智能分析警報(bào)系統(tǒng)，分析船舶預(yù)計(jì)行進(jìn)方向和速度等，得到是否發(fā)生船撞事故的可能性和發(fā)生概率，決定是否需要激發(fā)電子警報(bào)提醒、將潛在危險(xiǎn)信息反饋給相關(guān)管理單位，及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、保障航運(yùn)安全，同時(shí)壓力傳感器在發(fā)生碰撞事故時(shí)可以準(zhǔn)確收集撞擊壓力數(shù)據(jù)并及時(shí)傳給用戶終端，為后期事故調(diào)查時(shí)提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 用戶終端顯示

該裝置后期將實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息在用戶終端顯示的功能，實(shí)時(shí)顯示裝置所處環(huán)境情況，給橋梁管養(yǎng)單位、監(jiān)管單位等提供實(shí)時(shí)信息，方便其管理，同時(shí)在發(fā)生碰撞后，能迅速在用戶終端顯示報(bào)警，便于管理者及時(shí)做出反應(yīng)，派出救援及現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)等，在后期，可以向管理者準(zhǔn)確顯示各種碰撞信息如撞擊前橋梁駛向、撞擊速度以及撞擊壓力等，使得管理者更加準(zhǔn)確地判斷事故責(zé)任等。

4 應(yīng)用前景

在當(dāng)下船舶撞擊橋墩事故頻繁發(fā)生的背景下，老式鋼套箱防撞護(hù)欄有著難安裝、易受損、保護(hù)性能弱等缺點(diǎn)，基于深度學(xué)習(xí)和先進(jìn)傳感技術(shù)的新型橋墩防撞欄采用高性能的聚氨酯高分子減震和緩沖材料，與基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別相結(jié)合，建立了船撞智能識(shí)別和警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)新型減震材料與提前預(yù)警功能以分別達(dá)到減輕事故破壞程度減小事故發(fā)生率，可以降低船撞事故中橋墩、船舶的損壞，保護(hù)相關(guān)人員的生命財(cái)產(chǎn)安全；可以及時(shí)發(fā)出警報(bào)和求救信息，減少我國(guó)水運(yùn)上的公共交通事故發(fā)生，提高事故處理效率，同時(shí)能夠保存撞擊數(shù)據(jù)，極大地利于后期事故分析以及后期保護(hù)措施改進(jìn)。本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的智能預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)和新型船撞防護(hù)裝置，是一種新型、安全、智能、高效的水路航運(yùn)保護(hù)裝置。該系統(tǒng)和裝置的研發(fā)對(duì)于船撞事故的預(yù)判預(yù)警、船撞事故中船只以及橋墩橋梁損傷降低提出了新方法和新思路，對(duì)于保障航運(yùn)安全和暢通具有重要意義。