利用视觉摄像头与激光雷达进行互补验证，实现系泊船舶的低成本精准运动检测

《Ocean Engineering》：Low-cost precise motion detection of a moored vessel using vision cameras and LiDAR complementary validation

　　•一种用于测量系泊船舶运动的便携式CV–LiDAR系统。•以120?Hz的频率进行全尺寸船舶运动测量。•传感器融合提升了横向运动估算的精度。•摄像头与LiDAR的测量结果高度一致。

引言
在受限水道和港口中，过往船只可能对系泊或抛锚的船舶产生各种影响，在极端情况下甚至可能导致严重事故，如系泊绳断裂。过往船只对系泊船舶的影响主要体现在两个方面：1.产生局部波浪场；2.由于压力差而产生的水动力效应，表现为作用在系泊船舶上的力和力矩。其中第二种影响更为危险，因为船只经过港口区域时通常会降低速度，而船舶尺寸的增大则是影响水动力相互作用的主要因素。近年来，人们越来越重视通过全尺寸测量来验证用于分析系泊船舶的数值模型和分析方法。人们已经开发出数值模型，并通过专门的模型试验对其进行了校准，以此预测过往船只带来的影响以及船舶引发的波浪力，这些研究揭示了系泊载荷对船舶速度、船舶间距、水深以及水流速度的敏感性（Hasan等人，2025年；Sreedevi和Nallayarasu，2023年；Zheng等人，2023年）。Sreedevi和Nallayarasu（2023年）结合模型试验使用OPTIMOOR软件，量化了过往船只导致的系泊绳张力增加量，发现增幅可达40%左右，并确定基于长度的弗劳德数是决定性参数（Sreedevi和Nallayarasu，2023年）。最近，XBeach软件也被用来模拟存在均匀水流时船舶引发的波浪力对系泊船舶的影响。研究结果表明，在存在均匀水流的情况下，船舶在水中相对于水的速度比其在地面上的速度更为重要（Hasan等人，2025年）。Jiang等人（2020年）则通过雷诺平均纳维-斯托克斯方程求解器进行了另一项实验研究，分析了平静水域以及规则波和不规则波条件下的系泊浮标运动情况。目前已有许多基于模型试验的经验方法，可用于确定过往船只经过时系泊船舶所受的力、力矩以及船体运动情况。大多数描述过往船只与系泊船舶之间水动力相互作用的模型都是通过模型试验发展而来的。表1总结了这些模型试验。大多数用于分析水动力效应的建模软件都采用了Flory（2002年）和Seelig（2001年）提出的模型的改进版本。总体而言，表1中所总结的模型试验表明，系泊船舶所受的水动力相互作用力主要取决于过往船舶的速度、位移、距离以及水深。虽然这些模型试验为了解影响水动力相互作用的参数提供了宝贵见解，但要在实际全尺寸条件下对这些模型进行验证，就需要可靠且精确的方法来测量实际运营环境中的系泊船舶运动情况。Figuero等人（2018年）利用OpenCV库和计算机视觉技术，仅通过识别船舶的特定特征来测定系泊船舶的运动特性。这种方法使得运动精度依赖于光照条件以及摄像机视野内船舶各部分的形状、大小和颜色。虽然ArUco标记尚未被广泛用于运动估算，但它已被用于系泊船舶的定位。T?rdal和Hovland（2017年）提出了一种概念，并通过实验室测试，研究了一种基于惯性传感器数据和ArUco标记跟踪来确定海上船舶相对位置的系统。这种技术也被证明在定位水下船舶方面有效（Risholm等人，2021年；Xu等人，2021年），以及在自主水面车辆的靠泊系统中也有应用（Volden等人，2022年）。激光技术在港口（Perkovi?等人，2020年）以及现代海上导航中得到了广泛应用，能够实现精确的船舶定位。例如，就有使用三个激光测距仪来测量船舶与码头之间的距离（Zalewski和Tomczak，2012年）。借助计算算法，无论天气状况或能见度如何，收集到的数据都能实现船舶的精确定位。这些算法一直在不断开发和测试中，以便使用RANSAC方法和边界框方法等手段更准确地检测被监测物体的位置（Fontanelli等人，2007年；Mothershed等人，2022年）。这些解决方案提升了海上作业的安全性和效率，尤其是在交通繁忙的区域。不过，这种方法在处理垂直运动时其精度可能会下降（Steinemann等人，2011年），这一点已通过ArUco标记跟踪得到了验证。尽管基于激光距离传感器的靠泊辅助系统被广泛使用，但它们的安装、运行和维护成本都很高。此外，由于激光距离传感器固定在港口的特定位置，无法移动，因此其在可识别船舶尺寸方面也存在局限性（Kim等人，2020年）。尽管有模型试验和分析公式，但在实际港口条件下验证水动力相互作用效应仍然具有挑战性。本研究提供了高频、全尺寸的测量数据，能够捕捉到过往船只经过时系泊船舶的实际运动响应，以及相关的环境和运营复杂因素。因此，目前用于港口设计和系泊评估的数值和分析工具主要还是依赖于缩比试验。为了解决这一问题，本研究提出并展示了一种低成本、便携式且高分辨率的测量系统，该系统将计算机视觉技术与LiDAR传感技术相结合。该系统能够精确地估算系泊船舶在多个自由度上的运动情况，并提供全尺寸的实验数据，用于验证水动力相互作用模型。该框架已在一艘巴拿马型船舶通过受限航道时得到应用，所测得的船舶响应数据随后与使用Optimoor软件得到的数值预测结果进行了比较，Optimoor是一款广泛用于系泊分析的分析软件。本研究的主要贡献如下：该测量系统具有全尺寸和便携性的特点。与文献中以模型试验为主的现状不同（见表1），本研究提出了一种低成本、便携式的系统，能够在实际的港口运营条件下测量系泊船舶的运动情况。现有的基于激光的靠泊系统具有固定不变的特点，而所提出的系统则既可以移动，又不受船舶类型限制。该测量系统具有很高的可扩展性，且部署速度极快。在动态的港口环境中，这一快速部署能力具有显著优势，能够让研究人员迅速建立系统，以最少的准备时间捕捉和记录过往船舶的数据。计算机视觉与LiDAR的集成是一个涉及多种数据源和方法的复杂过程。本研究将基于ArUco标记的计算机视觉技术与二维LiDAR相结合，用于全尺寸系泊船舶运动监测。所提出的系统能够在港口运营条件下实现高频测量。第三，该系统采用了高频、多自由度的运动采集技术。该系统能够同时以120?Hz的频率采集四个自由度的数据，从而便于捕捉船舶间相互作用时的快速瞬态响应。为确保数据采集的准确性，视觉摄像机系统被安装在码头侧，以便持续跟踪标记点。这使得能够高精度地测量系泊船舶的船体运动情况（在光照稳定的条件下，精度可达±1?厘米）。第四，本研究还提供了用于验证水动力模型的实验数据集。本研究提供了极为罕见的巴拿马型船舶通过时的全尺寸数据集，这些数据直接与Optimoor软件的数值预测结果进行了对比。由此，本研究为船舶间相互作用时的船舶运动测量方法提供了宝贵的全尺寸实验数据，推动了相关测量技术的发展。

实验部分
实验装置
主要的测量系统由两台高分辨率、高帧率摄像机以及一台2D LiDAR组成，这些设备主要用于验证，尤其是针对船舶的横向运动。摄像机被安装在船舶圆柱形插件的两端，而LiDAR则被安置在系泊船舶的船体中部。该系统的设计旨在确保对关键运动参数进行多重测量，从而实现数据之间的交叉验证。

数据采集
验证实验是在什切青港进行的，当时有一艘大型船舶正在水道中航行，而Snop码头上有一艘船舶处于系泊状态。主要实验于2023年12月3日进行。那艘散货船M/V Loireborg（见图9）停泊在Snop码头（见图11），其参数如下：1.载货容量：DWT = 7350吨；2.总长度：L = 122.3米；3.船宽：B = 14.6米；4.吃水深度：Td = 6.0米，Tr = 7.0米；5.船高：H = 8.1米；6.型深系数：cb = 0.877。

基于摄像机图像分析M/V Sakizaya Miracle经过时船舶的位置和速度
图13所示的图表分别展示了船首和船尾标记点相对于船舶坐标系三轴的位置变化情况。由于采样频率很高（120?Hz），速度是通过1秒时间间隔的移动平均值计算得出的。为便于阅读：•各图表中垂直轴的刻度是相同的；•水平轴的时间是根据当地时间进行调整的；•图表的起始时间为上午11:47。正如……所证明的那样。

讨论与结论
本研究有两个目标：（i）评估一种低成本、基于视觉的监测系统的可行性和准确性，该系统由两台摄像机和ArUco标记组成，并结合LiDAR测量数据，用于追踪巴拿马型船舶经过时系泊船舶的运动情况；（ii）将实际测量数据与使用Optimoor软件进行的水动力相互作用模拟结果进行比较。基于激光的靠泊辅助系统和LiDAR跟踪设备已被用于实时……

资金支持
本研究没有获得任何特定的资金支持。

作者贡献说明
Lucjan Gucma：概念构思、方法设计、监督指导、验证工作、初稿撰写、审稿与编辑工作。Bartosz Muczyński：形式分析、方法设计、软件开发、验证工作、可视化处理、初稿撰写。Mateusz Bilewski：形式分析、方法设计、软件开发、验证工作、可视化处理、初稿撰写。Maciej Gucma：形式分析、方法设计、软件开发、可视化处理、初稿撰写。Burak Kundak??：形式分析、验证工作。

利益冲突声明
作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢所有为实验装置的搭建和数据收集做出贡献的人士。

Lucjan Gucma|Bartosz Muczyński|Mateusz Bilewski|Maciej Gucma|Burak Kundak??|Piotr Szymak