一种船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统的制作方法

本发明涉及桥梁安全和航信安全领域，具体涉及一种船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统。

背景技术：

船撞桥事故对桥梁公路安全运输、人民的生命财产乃至社会经济的发展均造成重大影响。随着经济持续增长和对交通设施的需求日益加大，我国桥梁的建设数目不断增加，大型桥梁的建设可以缓解交通压力、促进陆路交通。但是对于水上船舶而言，桥梁却是人工障碍物，船舶在桥下航行通行时，存在着碰撞桥墩或桥跨结构的危险，从而对桥梁、船舶的安全性构成威胁，同时对航道和陆路交通的正常运行也构成威胁。

基于视频目标检测的桥梁防船撞主动预警技术，通过将视频目标检测技术结合cctv，实现对桥区水域主动预警的功能。现有的桥梁防撞视频监测方法并未重视船舶目标的运动状态识别，仅仅将目标位置作为撞击风险的评估指标，而并未航迹跟踪的角度将目标运动状态纳入风险评估体系，亦尚未有解决航道复杂环境、视野遮挡、桥梁振动等干扰因素的航迹跟踪方法。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，用于追踪目标航道内所有船舶的航行轨迹，其特征在于，包括：多个视频获取装置以及轨迹追踪装置；视频获取装置具有：视频采集部，用于按帧采集目标航道内的船舶的视频；获取侧通信部，用于依次将视频采集部采集到的各个视频帧图像作为当前帧图像发送至轨迹追踪装置；轨迹追踪装置具有：轨迹暂存部，存储有目标航道内的船舶的过往航行轨迹，该轨迹暂存部包括船舶的准确坐标值、匹配观测坐标值以及卡尔曼滤波参数；目标识别部，对当前帧图像进行目标识别从而获得该当前帧图像中各个船舶的观测坐标值；轨迹分析部，根据各个船舶的观测坐标值和该船舶对应的过往航行轨迹分析得到船舶的当前轨迹；输出部，对当前轨迹进行实时输出，其中，轨迹分析部包括：预测值获取单元，基于卡尔曼滤波参数以及过往航行轨迹的准确坐标值，使用卡尔曼滤波算法进行状态估计从而获取船舶的预测坐标值；门限关联建立单元，以每个预测坐标值为中心分别建立关联门限；匹配值判断获取单元，判断是否有观测坐标值落在门限关联内，当判断为是时，匹配值判断获取单元基于最小近邻原则选择观测坐标值中距离门限关联距离最小的观测坐标值作为匹配观测坐标值，当判断为否时，匹配值判断获取单元将相对应的预测坐标值作为匹配观测坐标值，准确值获取单元，使用匹配观测值对滤波存储单元中的卡尔曼滤波进行更新，获得当前卡尔曼滤波，从而获取船舶的准确坐标值，作为船舶的当前轨迹。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，轨迹追踪装置还具有航行轨迹终止部，航行轨迹终止部对轨迹暂存部进行遍历检索，并终止长时间未匹配的过往航行轨迹、共享同一观测坐标值超过预定时长的较新的过往航行轨迹以及离开目标航道的过往航行轨迹。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，轨迹暂存部包括准确坐标存储单元、观测坐标存储单元、滤波参数存储单元以及更新控制单元，准确坐标存储单元用于对匹配观测坐标值进行存储，观测坐标存储单元用于对准确坐标值进行存储，滤波参数存储单元用于对卡尔曼滤波参数进行存储，当轨迹分析部计算获得匹配观测坐标值、准确坐标值以及卡尔曼滤波参数时，更新控制单元对准确坐标存储单元、观测坐标存储单元以及滤波参数存储单元分别进行控制，从而存储并更新匹配观测坐标值、准确坐标值以及卡尔曼滤波参数。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，轨迹追踪装置具有轨迹数量判断部、未匹配值暂存部、未匹配值判断部、初始化部以及初始化控制部，轨迹数量判断部实时判断轨迹暂存部是否存在过往航行轨迹，若判断为否，初始化控制部就控制初始化部用当前帧的观测坐标值进行初始化从而得到船舶的初始化轨迹，并控制轨迹暂存部将该初始化轨迹作为过往航行轨迹进行存储。未匹配值暂存部用于对观测坐标值中未与门限进行匹配的未匹配观测坐标值进行存储，未匹配值判断部用于判断未匹配值暂存部中是否存在未匹配观测坐标值，若判断为是，初始化控制部就控制初始化部用当前帧的未匹配观测坐标值进行初始化从而得到船舶的初始化轨迹，并控制轨迹暂存部将该初始化轨迹作为过往航行轨迹进行存储。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，观测值获取部包括：坐标获取单元，对当前图像进行目标识别，从而获取当前图像中的船舶目标的坐标位置；坐标值获取单元，将坐标位置通过空间变换，从而获取观测坐标值。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，卡尔曼滤波的状态转移方程为：

xp，i＝xt，i-1+vi-1δt

其中xp，i为当前时刻i预测坐标值，xt，i-1为i-1时刻坐标准确值，vi-1为船舶运动速度，δt为跟踪采样间隔。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，关联门限根据船舶的航行速度以及每个轨迹追踪装置之间的距离确定，若航行速度为零，门限关联为圆形门限，定义如下：

δx²+δy²≤r²

其中δx、δy分别为待匹配观测值与预测值横纵坐标距离，r为关联门限半径，

若航行速度不为零，门限关联为椭圆门限，定义如下：

其中θ为船舶航向与x轴夹角，α为椭圆门限短轴参数且α＞1，船舶速度为零时可视为θ＝0，α＝1的特例；

关联门限半径定义如下：

r＝βδl

其中δl为预测坐标值与轨迹追踪装置的欧氏距离，β为设定系数。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，航行轨迹终止部具有轨迹匹配单元，用于计算航行轨迹的匹配率，

匹配率计算公式为：

其中len(ct)为准确坐标单元的长度，即跟踪时长，len(cm)为观测坐标单元的长度，即匹配观测值的数量。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，航行轨迹终止部具有重叠计数单元，用于对共享观测坐标值的航行轨迹进行计数，

重叠计数单元的计数公式为：

ci，j＝ci，j+1

其中ci，j为轨迹i和轨迹j共用观测值数量。

本发明提供了的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，还可以具有这样的特征，其中，航行轨迹终止部具有位置判断单元、坐标存储单元以及轨迹清除单元，位置判断单元用于判断船舶是否离开目标航道，若判断为是，则将相对应的坐标准确值存储入坐标存储单元，同时轨迹清除单元清除相对应的航行轨迹。

发明作用与效果

根据本发明的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，由于视频获取装置基于视频目标检测技术按帧采集目标航道内船舶及水上漂浮物的视频，轨迹分析部根据每一帧的观测坐标值进行分析，获取多个具有连续性的航行轨迹，因此，本发明航行轨迹追踪系统能够准确追踪目标航道内的航行轨迹，进一步为船桥撞击提供风险评估，使风险评估体系更为完整和客观。同时，对于轨迹跟踪所可能遇到的船船遮挡、桥船遮挡、视野盲区、桥梁振动导致的图像抖动情况，本发明的航行轨迹追踪系统能够提供持续稳定的追踪，准确率更高。

附图说明

图1是本发明实施例的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统的结构框图；

图2是本发明实施例的视频获取装置的结构框图；

图3是本发明实施例的轨迹追踪装置的结构框图；

图4是本发明实施例的轨迹暂存部的结构框图；

图5是本发明实施例的轨迹分析部的结构框图；

图6是本发明实施例的关联门限的示意图；

图7(a)和图7(b)是本发明实施例的轨迹分析部的分析原理示意图；

图8是本发明实施例的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图对本发明的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统。

图1是本发明实施例的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统的结构框图。

如图1所示，本实施例的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统500包括多个视频获取装置100以及轨迹追踪装置200。视频获取装置100和轨迹追踪装置200通过无线通信网络连接(例如wifi连接)。

在本实施例中，以追踪目标航道内的船舶轨迹为例对船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统500进行说明，在其他实施例中，还能对目标航道内的水上漂浮物(例如，失控的漂浮结构，大块冰，大块实木等)的轨迹进行追踪。

图2是本发明实施例的视频获取装置的结构框图。

如图2所示，视频获取装置100包括视频采集部101和获取侧通信部102。

视频采集部101为摄像头，分别安装在目标航道的桥梁上，用于按帧采集目标航道内的船舶的视频，视频采集部101的采集范围覆盖整个目标航道。

获取侧通信部102为通信模块，用于依次将视频采集部采集到的各个视频帧图像作为当前帧图像发送至轨迹追踪装置200。

图3是本发明实施例的轨迹追踪装置的结构框图。

如图3所示，轨迹追踪装置200包括轨迹暂存部201、目标识别部202、轨迹分析部203、输出部204、航行轨迹终止部205、轨迹数量判断部206、未匹配值暂存部207、未匹配值判断部208、初始化部209、初始化控制部210、通信部211以及控制部212。

其中，控制部212为设有预定的控制程序的控制芯片或单片机，用于控制轨迹追踪装置200中其余各个部分的工作，通信部211为通信模块，用于进行轨迹追踪装置200其余各个部分之间以及与视频获取装置100之间的数据交换。

轨迹暂存部201存储有目标航道内的船舶的过往航行轨迹，该轨迹暂存部包括船舶的准确坐标值、匹配观测坐标值以及卡尔曼滤波参数。

本实施例中，视频获取装置100按帧发送采集到的各个视频帧图像，轨迹追踪装置200也按照接收的视频帧图像的顺序依次对当前帧图像进行处理，得到每一帧的准确坐标值、匹配观测坐标值以及卡尔曼滤波参数，轨迹暂存部201依次对每一帧所对应的不同船舶的准确坐标值、匹配观测坐标值以及卡尔曼滤波参数进行存储，从而形成与各个船舶相对应的过往航行轨迹。

图4是本发明实施例的轨迹暂存部的结构框图。

如图4所示，轨迹暂存部201包括准确坐标存储单元201a、观测坐标存储单元201b以及滤波参数存储单元201c。

准确坐标存储单元201a存储有匹配观测坐标值。

观测坐标存储单元201b存储有准确坐标值。

滤波参数存储单元201c存储有卡尔曼滤波参数。

更新控制单元201d为设有预定更新程序的控制芯片或单片机，用于对轨迹暂存部201中其余各个单元的存储更新工作进行控制，包括：当轨迹分析部203计算获得匹配观测坐标值、准确坐标值以及卡尔曼滤波参数时，控制准确坐标存储单元201a对匹配观测坐标值进行更新存储；控制观测坐标存储单元201b对准确坐标值进行更新存储；控制滤波参数存储单元201c对卡尔曼滤波参数进行更新存储。

目标识别部202为基于视频目标检测技术的识别模块，用于对当前帧图像进行目标识别从而获得该当前帧图像中各个船舶的观测坐标值。

轨迹分析部203根据各个船舶的观测坐标值和该船舶对应的过往航行轨迹分析得到船舶的当前轨迹。

图5是本发明实施例的轨迹分析部的结构框图。

如图5所示，轨迹分析部包括203包括预测值获取单元203a、门限关联建立单元203b、匹配值判断获取单元203c、准确值获取单元203d以及分析控制单元203e。

预测值获取单元203a基于卡尔曼滤波参数以及过往航行轨迹的准确坐标值，使用卡尔曼滤波算法进行状态估计从而获取船舶的预测坐标值，包括：坐标获取单元和坐标值获取单元。

坐标获取单元对当前图像进行目标识别，从而获取当前图像中的船舶目标的坐标位置。

坐标值获取单元将坐标位置通过空间变换，从而获取预测坐标值。

门限关联建立单元203b以每个预测坐标值为中心分别建立关联门限。

图6是本发明实施例的关联门限的示意图。

如图6所示，关联门限根据船舶的航行速度以及每个轨迹追踪装置之间的距离确定，若航行速度为零，门限关联为圆形门限，定义如下：

δx²+δy²≤r²

其中δx、δy分别为待匹配观测值与预测值横纵坐标距离，r为关联门限半径，

若航行速度不为零，门限关联为椭圆门限，定义如下：

其中θ为船舶航向与x轴夹角，α为椭圆门限短轴参数且α＞1，船舶速度为零时可视为θ＝0，α＝1的特例；

关联门限半径定义如下：

r＝βδl

其中δl为预测坐标值与轨迹追踪装置的欧氏距离，β为设定系数。

匹配值判断获取单元203c判断是否有观测坐标值落在门限关联内。

当判断为是时，控制匹配值判断获取单元203c基于最小近邻原则选择观测坐标值中距离门限关联距离最小的观测坐标值作为匹配观测坐标值。

当判断为否时，控制匹配值判断获取单元203c将相对应的预测坐标值作为匹配观测坐标值。

准确值获取单元203d使用匹配观测值对轨迹暂存部201中的卡尔曼滤波参数进行更新，获得当前卡尔曼滤波，从而获取船舶的准确坐标值，作为船舶的当前轨迹。

分析控制单元203e为设有预定控制程序的控制芯片或单片机，用于对轨迹分析部包括203中其余各个单元的工作进行控制，包括：控制预测值获取单元203a获取预测坐标值；控制门限关联建立单元203b建立门限关联；控制匹配值判断获取单元203c判断并获取匹配观测坐标值；控制准确值获取单元203d获取准确坐标值。

输出部204为显示输出部(例如显示屏)，用于对当前轨迹进行实时输出。也就是说，输出部204显示船舶的当前轨迹显示画面，并根据准确坐标值在画面中显示与该坐标值相对应的多个船舶的当前轨迹，从而让监测人员查看查看。在其他实施例中，通信部211也可以作为输出部204进行输出，即，通信部211将准确坐标值经由通信网络发送到其他的具有显示功能的设备(例如监控人员终端设备)，让这些设备显示船舶的当前轨迹显示画面并显示该当前轨迹。

航行轨迹终止部205对轨迹暂存部201进行遍历检索，并终止长时间未匹配的过往航行轨迹、共享同一观测坐标值超过预定时长的较新的过往航行轨迹以及离开目标航道的过往航行轨迹，包括轨迹匹配单元205a、重叠计数单元205b、位置判断单元205c、坐标存储单元205d以及轨迹清除单元205e。

轨迹匹配单元205a用于计算航行轨迹的匹配率。

匹配率计算公式为：

其中len(ct)为准确坐标单元的长度，即跟踪时长。len(cm)为观测坐标单元的长度，即匹配观测值的数量。

重叠计数单元205b用于对共享观测坐标值的航行轨迹进行计数。

重叠计数单元的计数公式为：

ci，j＝ci，j+1

其中ci，j为轨迹i和轨迹j共用观测值数量。

位置判断单元205c用于判断船舶是否离开目标航道，若判断为是，则将相对应的坐标准确值存储入轨迹暂存部，同时轨迹清除单元清除相对应的航行轨迹。

轨迹数量判断部206实时判断轨迹暂存部是否存在过往航行轨迹，若判断为否，初始化控制部210就控制初始化部209用当前帧的观测坐标值进行初始化从而得到船舶的初始化轨迹，并控制轨迹暂存部将该初始化轨迹作为过往航行轨迹进行存储。

未匹配值暂存部207用于对观测坐标值中未与门限进行匹配的未匹配观测坐标值进行存储。

未匹配值判断部208用于判断未匹配值暂存部中是否存在未匹配观测坐标值，若判断为是，初始化控制部210就控制初始化部209用当前帧的未匹配观测坐标值进行初始化从而得到船舶的初始化轨迹，并控制轨迹暂存部将该初始化轨迹作为过往航行轨迹进行存储。

在本实施例中，分析控制单元203e、更新控制单元201d以及初始化控制部210均属于控制部212，控制部212为具有用于控制各个部分所需的预设控制程序的控制芯片或单片机，从而对轨迹追踪装置中的各个部分进行控制。在其他实施例中，分析控制单元203e、更新控制单元201d以及初始化控制部210也可以采用单独的具有预设控制程序的控制芯片或单片机，从而对相对应的部分进行控制。

图7(a)和图7(b)是本发明实施例的轨迹分析部的分析原理示意图，图8是本发明实施例的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统工作流程图。

以下结合附图对本实施的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统的工作流程进行说明，具体步骤如下：

步骤s1，视频采集部101按帧采集目标航道内的船舶的视频，并通过获取侧通信部102依次将各个视频帧图像作为当前帧图像发送至轨迹追踪装置200，然后进入步骤s2。

步骤s2，目标识别部202对当前帧图像进行目标识别从而获得该当前帧图像中各个船舶的观测坐标值，然后进入步骤s3。

步骤s3，预测值获取单元203a基于卡尔曼滤波参数以及过往航行轨迹的准确坐标值，使用卡尔曼滤波算法进行状态估计从而获取船舶的预测坐标值，然后进入步骤s4。

步骤s4，门限关联建立单元203b以每个预测坐标值为中心分别建立关联门限，然后进入步骤s5。

步骤s5，匹配值判断获取单元203c判断是否有观测坐标值落在门限关联内，并获取匹配观测坐标值，然后进入步骤s6。

步骤s6，准确值获取单元203d使用匹配观测值对滤波存储单元201c中的卡尔曼滤波进行更新，获得当前卡尔曼滤波，从而获取船舶的准确坐标值，作为船舶的当前轨迹。

当轨迹暂存部201中的过往航行轨迹的存储量达到一定阈值或者到达一定的预定时间时，还可以通过航行轨迹终止部205终止无用的过往航行轨迹，具体为：

航行轨迹终止部205对轨迹暂存部201进行遍历检索，并终止长时间未匹配的过往航行轨迹、共享同一观测坐标值超过预定时长的较新的过往航行轨迹以及离开目标航道的过往航行轨迹。

实施例作用与效果

根据本实施例的船舶及水上漂浮物轨迹追踪系统，由于视频获取装置基于视频目标检测技术按帧采集目标航道内船舶的视频，轨迹分析部根据每一帧的观测坐标值进行分析，获取多个具有连续性的航行轨迹，因此，本实施例航行轨迹追踪系统能够为船桥撞击提供风险评估并提供预警，使风险评估体系更为完整和客观。同时，对于轨迹跟踪所可能遇到的船船遮挡、桥船遮挡、视野盲区、桥梁振动导致的图像抖动情况，本实施例的航行轨迹追踪系统能够提供持续稳定的追踪，准确率更高。

由于轨迹分析部使用卡尔曼滤波算法对过往航行轨迹进行状态估计，从而对当前航行轨迹进行预测，再通过建立门限关联对预测坐标值进行筛选，从而获取当前航行轨迹的准确坐标值，因此，本实施例的航行轨迹追踪系统计算结果稳定，跟踪目标丢失率低，安全性能更高。

由于轨迹暂存部对过往航行轨迹进行存储，航行轨迹终止部将无用的过往航行轨迹进行终止并留下有效的过往航行轨迹，因此，本实施例的航行轨迹追踪系统能够通过长期视频监测和轨迹追踪积累目标航道内的船舶航行数据，为进一步的航迹预测提供数据基础，同时也能为航道和桥梁管理部门的管理、设计及相关研究提供数据支持。

由于航行轨迹终止部具有轨迹匹配单元、重叠计数单元、轨迹清除单元，基于轨迹匹配率、重叠计数计算终止轨迹暂存部中无用的航行轨迹，因此，本实施例的航行轨迹追踪系统能够存储有效的过往航行轨迹，为今后进一步的航行轨迹预测提供数据基础，为航道和桥梁管理部门的管理、设计及相关研究提供数据支持。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。