CN107886774B - 一种桥梁智能预警避碰装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁智能预警避碰装置。该装置属于监控预警技术领域，解决了现有技术中桥梁预警效果差、精确性低、反应速度慢的问题，包括包括监视计算机，监视计算机的以太网口连接以太网交换机，以太网交换机端口分别连接有雷达探头、摄像头、信息采集系统，雷达探头通过雷达控制器经以太网口与主控制器连接，摄像头通过摄像头采集控制器经以太网口与主控制器连接，信息采集系统通过CAN/以太网转换网关经以太网口与主控制器连接。本发明将雷达技术、摄像技术与信息采集系统相结合，利用雷达和摄像，实时监测航船状态，并对航船航行状态作出判断，使航船安全通过桥梁，令桥梁由原先的被动防撞模式转化为主动防撞模式，大幅提升桥梁的安全性。

Description

一种桥梁智能预警避碰装置

技术领域

本发明属于监控预警技术领域，具体地说，尤其涉及一种桥梁智能预警避碰装置。

背景技术

随着航道交通的迅速发展，船舶日益增多且大型化，桥区水域通航密度大，桥梁的桥墩经常会受到各类船只的碰撞，已威胁到桥梁的安全性。

现有的中国专利数据库中公开了一种内河桥区船舶安全航行预控系统的专利，专利申请号为201310752788.7，其结构包括：雷达站、信息处理中心和AIS基站；雷达站和AIS基站分别与信息处理中心通讯连接。其不足之处在于：AIS基站收集信息时，易受雨雪天气影响，造成系统精确度下降，采用雷达站收集信息时，仅收集过往船只信息，整个系统根据储存的船只信息进行预警判断，对前期船只无法提供及时有效的预警。

发明内容

本发明目的在于提供一种预警效果佳、精确性高、反应速度快的桥梁智能预警避碰装置。

为了实现上述技术目的，本发明桥梁智能预警避碰装置采用的技术方案为：

一种桥梁智能预警避碰装置，包括监视计算机，所述监视计算机的以太网口连接以太网交换机，所述以太网交换机端口分别连接有雷达探头、摄像头、信息采集系统，所述雷达探头通过雷达控制器经以太网口与主控制器连接，所述摄像头通过摄像头采集控制器经以太网口与主控制器连接，所述信息采集系统通过CAN/以太网转换网关经以太网口与主控制器连接，所述雷达探头用于监测水平和竖直两个自由度方向的航道以及航船信息，所述摄像头用于捕获进入雷达探测区航船的图像，所述信息采集系统用于采集桥梁防撞安全的水文资料，所述信息采集系统包括套设于桥墩外围形成圆柱形护套的第一护板、第二护板、第三护板以及第四护板，所述第一护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第一集成采集器，所述第一集成采集器上设有第一CAN接口，所述第二护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第二集成采集器，所述第二集成采集器上设有第二CAN接口，所述第三护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器数据以及红外探测器数据的第三集成采集器，所述第三集成采集器上设有第三CAN接口，所述第四护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第四集成采集器，所述第四集成采集器上设有第四CAN接口，所述第一CAN接口、第二CAN接口、第三CAN接口以及第四CAN接口与CAN总线相连通，所述CAN总线与将探测数据转化为以太网TCP/IP数据的CAN/以太网转换网关相连接，所述CAN/以太网转换网关的输出端口与以太网交换机任一端口相连接。

优选的，所述第一集成采集器、第二集成采集器、第三集成采集器以及第四集成采集器内均设有微控制单元，所述微控制单元通过第一SPI控制器经第一SPI接口以及第二SPI控制器经第二SPI接口连接应变传感器，所述应变传感器包括用于检测护板微小形变的电阻应变片，所述电阻应变片设置于电桥桥臂上，所述电桥输出端与内置仪表放大器的模拟转换（ADC）芯片相连接，所述内置仪表放大器的模拟转换（ADC）芯片用于放大电桥输出的毫伏信号，并将电流信号转化为数字信号。通过设置多个集成采集器，使护板多个位置均可得到实时监测，令桥梁安全性得到全面化的保障，同时，利用多个应变传感器实时监测桥梁形变的大小，为整体的安全性能提供保障。

优选的，所述微控制单元内还设有模数转换器ADC，所述模数转换器ADC上连接有八个单轴加速度传感器，所述单轴加速度传感器包括用于检测航船加速度的加速度传感器以及用于将加速度传感器的毫伏电压信号转化成0-3V电压信号的信号调理电路，所述信号调理电路输出端与模数转换器ADC相连接。利用单轴加速度传感器实时监测桥梁受到的冲击，根据监测结果对桥梁受撞击程度进行评估。

优选的，所述模数转换器ADC上还连接有输出电流为4-20mA的水深传感器，所述水深传感器的输出端连接有将4-20mA电流信号转换成0-3V电压信号的电流电压变换调理电路，所述电流电压变换调理电路输出端与模数转换器ADC相连接。根据水深传感器监测的水深的变化，判断桥梁被撞击的可能性，提高桥梁的预警性。

优选的，所述模数转换器ADC上还连接有输出电流为4-20mA的流速传感器，所述流速传感器的输出端连接有将4-20mA电流信号转换成0-3V电压信号的电流电压变换调理电路，所述电流电压变换调理电路输出端与模数转换器ADC相连接。根据流速传感器监测的水流速度，判断桥梁被撞击的可能性，提高桥梁的预警性。

优选的，所述模数转换器ADC上还连接有红外探测器，所述红外探测器用于检测桥梁高度。红外探测器探测到当前桥梁的高度，与航船船高进行对比，判断航船能否顺利通过。

优选的，所述监视计算机上还设有报警系统，报警系统包括声光报警器和语音引导器。

优选的，所述监视计算机上还设有无线信号系统，无线信号系统包括将数据转换为电信号的发射设备、电磁波以及将电信号转化为图像信息的接收设备。

优选的，所述雷达探测区的范围为：以雷达发射点为起点，横向为2km，纵向为航道宽度与两侧桥梁宽度的总和。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过设置信息采集系统，利用多个集成采集器充分收集桥梁处的水深、水流速度、应力形变大小等水文资料，再将资料集合至以太网传输，使监视计算机内部用于对比的数据更加全面化，为桥梁的智能预警提供稳固的保障；

2、本发明将雷达技术、摄像技术与信息采集系统相结合，利用雷达和摄像，实时监测航船状态，并对航船航行状态作出判断，使航船安全通过桥梁，令桥梁由原先的被动防撞模式转化为主动防撞模式，大幅提升桥梁的使用寿命及安全性能；

3、本发明中采用雷达技术监测航船，避免采用AIS基站监视时，因受海浪雨雪的干扰，而出现监测精度下降的问题。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是本发明集成采集器系统的结构图；

图3是本发明中雷达探测区的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1—图3所示，一种桥梁智能预警避碰装置，包括监视计算机，所述监视计算机的以太网口连接以太网交换机，所述以太网交换机端口分别连接有雷达探头、摄像头、信息采集系统，所述雷达探头通过雷达控制器经以太网口与以太网交换机连接，所述摄像头通过摄像头采集控制器经以太网口与以太网交换机连接，所述信息采集系统通过CAN/以太网转换网关经以太网口与以太网交换机连接，所述雷达探头用于监测水平和竖直两个自由度方向的航道以及航船信息，所述摄像头用于捕获进入雷达探测区航船的图像，所述信息采集系统用于采集桥梁防撞安全的水文资料，所述信息采集系统包括套设于桥墩外围形成圆柱形护套的第一护板、第二护板、第三护板以及第四护板，所述第一护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第一集成采集器，所述第一集成采集器上设有第一CAN接口，所述第二护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第二集成采集器，所述第二集成采集器上设有第二CAN接口，所述第三护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器数据以及红外探测器数据的第三集成采集器，所述第三集成采集器上设有第三CAN接口，所述第四护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第四集成采集器，所述第四集成采集器上设有第四CAN接口，所述第一CAN接口、第二CAN接口、第三CAN接口以及第四CAN接口与CAN总线相连通，所述CAN总线与将探测数据转化为以太网TCP/IP数据的CAN/以太网转换网关相连接，所述CAN/以太网转换网关的输出端口与以太网交换机任一端口相连接，所述第一集成采集器、第二集成采集器、第三集成采集器以及第四集成采集器内均设有微控制单元，所述微控制单元通过第一SPI控制器经第一SPI接口以及第二SPI控制器经第二SPI接口连接应变传感器，所述应变传感器包括用于检测护板微小形变的电阻应变片，所述电阻应变片设置于电桥桥臂上，所述电桥输出端与内置仪表放大器的模拟转换（ADC）芯片相连接，所述内置仪表放大器的模拟转换（ADC）芯片用于放大电桥输出的毫伏信号，并将电流信号转化为数字信号，所述微控制单元内还设有模数转换器ADC，所述模数转换器ADC上连接有八个单轴加速度传感器，所述单轴加速度传感器包括用于检测航船加速度的加速度传感器以及用于将加速度传感器的毫伏电压信号转化成0-3V电压信号的信号调理电路，所述信号调理电路输出端与模数转换器ADC相连接，所述模数转换器ADC上还连接有输出电流为4-20mA的水深传感器，所述水深传感器的输出端连接有将4-20mA电流信号转换成0-3V电压信号的电流电压变换调理电路，所述电流电压变换调理电路输出端与模数转换器ADC相连接，所述模数转换器ADC上还连接有输出电流为4-20mA的流速传感器，所述流速传感器的输出端连接有将4-20mA电流信号转换成0-3V电压信号的电流电压变换调理电路，所述电流电压变换调理电路输出端与模数转换器ADC相连接，所述模数转换器ADC上还连接有红外探测器，所述红外探测器用于检测桥梁高度。其中，所述监视计算机上还设有报警系统，报警系统包括声光报警器和语音引导器，所述监视计算机上还设有无线信号系统，无线信号系统包括将数据转换为电信号的发射设备、电磁波以及将电信号转化为图像信息的接收设备。

所述雷达探测区的范围为：以雷达发射点为起点，横向为2km，纵向为航道宽度与两侧桥梁宽度的总和。

桥墩外围套有由第一护板、第二护板、第三护板以及第四护板相互拼接形成的圆柱形护套，每块护板上设置有一个集成采集器，集成采集器用于集合8个应变传感器、8个单轴加速度传感器、1个水深传感器、1个流速传感器和1个红外探测器的监测数据；应变传感器分别设置在护板的不同位置，当航船进入探测区域，随着航船的行进，水流易对护板产生冲击，而护板的微小形变即可使得电阻应变片的电阻发生变化，变化的电阻经电桥以毫伏级的电压信号输出，毫伏级电压信号经内置仪表放大器的ADC芯片放大后直接转换成高精度的数字信号，数字信号分别经第一SPI接口和第二SPI接口传输至第一SPI控制器和第二SPI控制器，第一SPI控制器和第二SPI控制器将数字信号转换成应变信号，微控制单元将应变信号传输至CAN总线；单轴加速度传感器对桥梁受到的冲击速度进行测量，并对桥梁破坏程度进行评估，单轴加速度传感器将检测到的加速度传递至信号调理电路，信号调理电路将毫伏电压信号转换成0—3V的电压信号，转换后的电压信号传递至微控制单元，微控制单元将电压信号传输至CAN总线；水深传感器对桥梁处的水流深度进行实时监测，由于水深传感器的输出信号为4-20mA，因此，水深传感器监测到的信号需经过电流电压变换调理电路进行转换，使电流信号转化为0—3V的电压输出信号，微控制单元内的模数转换器对接收到的电压信号进行放大和转换，使模拟量信号转换为数字信号，微控制单元将数字信号传输至CAN总线；流速传感器对桥梁处水流的流速进行实时监测，流速传感器将监测到的电流信号传输至电流电压变换调理电路进行转换，使电流信号转化为0—3V的电压信号，微控制单元内的模数转换器对接收到的电压信号进行放大和转换，使模拟量信号转换为数字信号，微控制单元将数字信号传输至CAN总线；

CAN总线将集合的各个传感器信号经CAN/以太网转换网关进行转换，使探测数据转换为TCP/IP数据，再经过以太网传输至监视计算机；

雷达探头在电动云台的支撑下，沿水平和垂直两个自由度进行扫描，同时将扫描信号传递至型号为AT89系列的雷达控制器，经雷达控制器将扫描信号转换为TCP/IP数据，再经以太网传输至监视计算机；

摄像头对桥梁附近的液面进行图像捕获，同时，将捕获信号传递至型号为AT89系列的摄像头采集控制器，经摄像头采集控制器将图像捕获信号转换为TCP/IP数据，再经以太网传输至监视计算机；

红外测距传感器发出红外信号，红外信号遇到阻挡物返回，经过处理，将高度信号经以太网传输至监视计算机；

监视计算机将探测的传感器信号与其内部存储的航道和桥梁数据进行对比，若存在碰撞危险，则发出声光报警，语音引导器引导航船在以雷达发射点为起点，横向为2km，纵向为航道宽度与两侧桥梁宽度的总和的范围内进行调整，直至达到安全通过桥梁，同时将对比结果经过无线网络传输至显示终端。

Claims (8)

1.一种桥梁智能预警避碰装置，包括监视计算机，所述监视计算机的以太网口连接以太网交换机，其特征在于：所述以太网交换机端口分别连接有雷达探头、摄像头、信息采集系统，所述雷达探头通过雷达控制器经以太网口与主控制器连接，所述摄像头通过摄像头采集控制器经以太网口与主控制器连接，所述信息采集系统通过CAN/以太网转换网关经以太网口与主控制器连接，所述雷达探头用于监测水平和竖直两个自由度方向的航道以及航船信息，所述摄像头用于捕获进入雷达探测区航船的图像，所述信息采集系统用于采集桥梁防撞安全的水文资料，所述信息采集系统包括套设于桥墩外围形成圆柱形护套的第一护板、第二护板、第三护板以及第四护板，所述第一护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第一集成采集器，所述第一集成采集器上设有第一CAN接口，所述第二护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第二集成采集器，所述第二集成采集器上设有第二CAN接口，所述第三护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器数据以及红外探测器数据的第三集成采集器，所述第三集成采集器上设有第三CAN接口，所述第四护板上设有采集应变传感器、单轴加速度传感器、水深传感器、流速传感器以及红外探测器数据的第四集成采集器，所述第四集成采集器上设有第四CAN接口，所述第一CAN接口、第二CAN接口、第三CAN接口以及第四CAN接口与CAN总线相连通，所述CAN总线与将探测数据转化为以太网TCP/IP数据的CAN/以太网转换网关相连接，所述CAN/以太网转换网关的输出端口与以太网交换机任一端口相连接，所述第一集成采集器、第二集成采集器、第三集成采集器以及第四集成采集器内均设有微控制单元，所述微控制单元通过第一SPI控制器经第一SPI接口以及第二SPI控制器经第二SPI接口连接应变传感器，所述应变传感器包括用于检测护板微小形变的电阻应变片，所述电阻应变片设置于电桥桥臂上，所述电桥输出端与内置仪表放大器的模拟转换芯片相连接，所述内置仪表放大器的模拟转换芯片用于放大电桥输出的毫伏信号，并将电流信号转化为数字信号。

2.根据权利要求1所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述微控制单元内还设有模数转换器ADC，所述模数转换器ADC上连接有八个单轴加速度传感器，所述单轴加速度传感器包括用于检测航船加速度的加速度传感器以及用于将加速度传感器的毫伏电压信号转化成0-3V电压信号的信号调理电路，所述信号调理电路输出端与模数转换器ADC相连接。

3.根据权利要求2所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述模数转换器ADC上还连接有输出电流为4-20mA的水深传感器，所述水深传感器的输出端连接有将4-20mA电流信号转换成0-3V电压信号的电流电压变换调理电路，所述电流电压变换调理电路输出端与模数转换器ADC相连接。

4.根据权利要求3所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述模数转换器ADC上还连接有输出电流为4-20mA的流速传感器，所述流速传感器的输出端连接有将4-20mA电流信号转换成0-3V电压信号的电流电压变换调理电路，所述电流电压变换调理电路输出端与模数转换器ADC相连接。

5.根据权利要求4所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述模数转换器ADC上还连接有红外探测器，所述红外探测器用于检测桥梁高度。

6.根据权利要求1所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述监视计算机上还设有报警系统，报警系统包括声光报警器和语音引导器。

7.根据权利要求6所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述监视计算机上还设有无线信号系统，无线信号系统包括将数据转换为电信号的发射设备、电磁波以及将电信号转化为图像信息的接收设备。

8.根据权利要求1所述的桥梁智能预警避碰装置，其特征在于：所述雷达探测区的范围为：以雷达发射点为起点，横向为2km，纵向为航道宽度与两侧桥梁宽度的总和。