CN110335505A - 一种桥梁主动防撞报警系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁主动防撞报警系统，包括船舶碰撞信息采集装置和桥用桥梁防撞报警装置，船舶碰撞信息采集装置包括、船舶行为预测机构和船桥碰撞风险判断机构，船舶碰撞信息采集装置获取桥梁的基本信息、船舶自身信息、动态环境数据及预测船舶与桥梁下一时刻的位置，初步判断碰撞风险并将信息发送给桥用桥梁防撞报警装置。桥用桥梁防撞报警装置根据船舶信息采集装置提供的信息进行综合判断，如有碰撞风险则使桥梁安全人员主动与船舶取得联系并触发报警机构。本发明综合考虑船舶操纵性能，主动预测桥梁下舷与桥墩被碰撞的风险，高效、快速并提供相应的声光报警，引导船舶安全通过桥孔。

Description

一种桥梁主动防撞报警系统与方法

技术领域

本发明涉及桥梁防撞报警技术领域，尤其涉及一种桥梁主动防撞报警系统与方法。

背景技术

自20世纪年代以来,随着经济的迅速发展，一方面我国已修建和规划修建大量跨航道桥梁,另一方面船舶航运也发展快速。对于水路运输而言，跨航道桥梁的建设限制了航运业的发展，船撞是一个重要的安全问题。

我国跨越河流、海湾峡的桥梁数目众多，且还在不断的增加。如此多的桥梁，在极大促进国家和地方经济发展的同时,也产生了新的安全问题。航道桥梁的船撞安全问题表现在桥梁和船舶的损毁、人的伤亡、水上交通的中断、环境的破坏、社会信任危机等。因此，桥梁防撞安全问题是目前迫切需要解决的问题。

国内外现有的防撞技术，可以分为主动防撞技术和被动防撞技术。被动防撞主要是提高桥梁本身对船撞桥的抗力。目前，被动防撞技术研究成果丰富，应用成果也得到一致好评。但被动防撞相对而言是处于被动状态，不能提供预先防范，相对主动防撞而言，成本较高。主动防撞是在桥区附近建立桥梁防撞的预警装置，提前发现可能发生的碰撞风险，提前引导船舶采取相对应的措施，安全过桥。现有桥梁主动防撞技术或者被动防撞技术都是在桥梁上安装监测设备单方面判断船舶是否有撞桥危险，并发出预警；综合防撞系统基本是针对桥梁下舷的防撞设计，未涉及桥墩的防撞。本发明的桥梁主动防撞报警系统分为船舶碰撞信息采集装置和桥用桥梁防撞报警装置，是一种考虑船舶操纵性能、高效、快速的桥梁主动防撞报警系统，主动预测桥梁下舷与桥墩被碰撞的风险，并提供相应的声光报警，引导船舶安全通过桥孔。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种桥梁主动防撞报警系统，利用船舶碰撞信息采集装置和桥用桥梁防撞报警装置相结合的方式，主动预测桥梁下舷与桥墩被碰撞的风险，并提供相应的声光报警，引导船舶安全通过桥孔。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种桥梁主动防撞报警系统，包括船舶碰撞信息采集装置和桥用桥梁防撞报警装置，

所述船舶碰撞信息采集装置包括：

船用数据采集机构，用于采集桥梁的基本信息、船舶自身信息以及动态环境数据；

船舶行为预测机构，用于根据船舶操纵运动模型分析船舶在下一时刻与桥梁的相对位置；

船桥碰撞风险判断机构，根据船用数据采集机构采集的数据及船舶行为预测机构的预测结果进行船舶与桥梁下舷、船舶与桥梁桥墩相碰撞的风险进行判断，并将判断结果及船用数据采集机构采集的数据发送至桥用桥梁防撞报警装置的桥用集控中心；

所述桥用桥梁防撞报警装置包括：

桥用集控中心，用于和船舶进行通信，接收船舶碰撞风险判断机构发送的数据并进行报警判断，并根据判断结果启动桥用报警机构和桥墩防撞机构；

桥用报警机构，用于进行声光报警，提醒航行船舶避免碰撞；

桥墩防撞机构，设置有可收缩的高性能柔性弹簧，在碰撞风险不可避免的情况下吸收船舶碰撞能量，减小桥墩伤害。

接上述技术方案，所述船用数据采集机构采集的桥梁基本信息包括通航孔类型、通航孔宽度、桥梁的净空高度和当前水位。

接上述技术方案，所述船用数据采集机构采集的船舶自身信息包括船舶的宽度、最大高度、船舶实时吃水深度和船舶运动参数。

接上述技术方案，所述船舶运动参数包括船舶转首角加速度、船舶转首角速度、舵角和船舶航行速度。

接上述技术方案，所述船用数据采集机构采集的动态环境数据包括风速、风向、水流速度和船舶与桥梁之间的距离。

接上述技术方案，所述船舶行为预测机构采用的船舶操纵运动模型为：

其中，K、T为操纵性指数，为船舶转首角加速度，为船舶转首角速度，δ为舵角。

接上述技术方案，所述桥用报警机构包括LED显示屏、照明灯、透雾灯、预警灯等视觉报警设备以及高音喇叭声音报警设备。

接上述技术方案，所述船用数据采集机构包括红外线测距仪、风速仪和流速仪，分别用于测量船舶与桥梁之间的距离、环境风速和水流速度。

提供一种桥梁主动防撞报警方法，包括以下步骤：

Step1：船用数据采集机构实时采集动态环境数据包括风速、风向、水流速度和船舶与桥梁之间的距离；

Step2：船舶距离桥梁一定距离时，船用数据采集机构采集桥梁基本信息和船舶自身信息，并启动船舶行为预测机构；

Step3：船舶行为预测机构利用船用数据采集机构采集的数据以及船舶操纵运动模型分析船舶在下一时刻与桥梁桥墩的相对位置；

Step4：船舶碰撞风险判断机构根据船舶行为预测机构预测的结果以及船舶通过桥墩的安全距离，结合船用数据采集机构采集的动态环境数据，判断船舶改向能通过桥梁的改向范围，改向范围越大则风险越大；

Step5：船舶碰撞风险判断机构根据船舶行为预测机构的预测的下一时刻船舶与桥梁的相对位置，结合船用数据采集机构采集的信息，计算船舶的净空高度和桥梁的净空高度，若船舶净空高度小于桥梁净空高度，且高度差大于0.5m，则认为安全，否则标记为风险；

Step6：船舶碰撞风险判断机构将船舶与桥梁下舷相碰撞的风险、船舶与桥梁桥墩相碰撞的风险以及船用数据采集机构采集的信息发送给桥用防撞报警装置的桥用集控中心；

Step7：不断重复Step2～Step7，桥用集控中心根据船舶碰撞信息采集装置采集的信息以及动态环境信息进行综合判断，一旦船舶有碰撞桥墩或者超高的可能，桥梁安全人员主动与船舶取得联系，集控中心将触桥用报警机构，通过LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯等提醒船只避免碰撞；

Step8：一旦碰撞风险不可避免，桥用集控中心则触发桥墩防撞机构。

本发明产生的有益效果是：本发明提供一种桥梁主动防撞报警系统，包括船舶碰撞信息采集装置和桥用桥梁防撞报警装置。船舶碰撞信息采集装置获取桥梁的基本信息、船舶自身信息、动态环境数据及预测船舶与桥梁下一时刻的位置，初步判断碰撞风险并将信息传送给桥用桥梁防撞报警装置。桥用桥梁防撞报警装置的根据船舶信息采集装置提供的信息进行综合判断，如有碰撞风险则使桥梁安全人员主动与船舶取得联系并触发报警机构，引导船舶通航。本发明是一种考虑船舶操纵性能，高效、快速的桥梁主动防撞报警系统，主动预测桥梁下舷与桥墩被碰撞的风险，并提供相应的声光报警，引导船舶安全通过桥孔。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例的桥梁限高原理图；

图3是本发明实施例的船舶行为预测原理示意图；

图4是本发明实施例的桥墩防撞机构示意图；

图5是本发明实施例的主动防撞方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供一种桥梁主动防撞报警系统，包括船舶碰撞信息采集装置1和桥用桥梁防撞报警装置2。船舶碰撞信息采集装置1包括船用数据采集机构11、船舶行为预测机构12和船桥碰撞风险判断机构13，船用数据采集机构11用于采集桥梁的基本信息、船舶自身信息以及动态环境数据；船舶行为预测机构12，用于根据船舶操纵运动模型分析船舶在下一时刻与桥梁的相对位置；船桥碰撞风险判断机构13，根据船用数据采集机构11采集的数据及船舶行为预测机构12的预测结果进行船舶与桥梁下舷、船舶与桥梁桥墩相碰撞的风险进行判断，并将判断结果及船用数据采集机构11采集的数据发送至桥用桥梁防撞报警装置2的桥用集控中心21。船舶碰撞信息采集装置1主动获取自身信息、船舶运行信息及桥梁信息，初步进行船舶与桥梁碰撞的风险判断，并将相关信息发送到桥用桥梁防撞报警装置2。

如图1所示，桥用桥梁防撞报警装置2包括桥用集控中心21、桥用报警机构22和桥墩防撞机构23。桥用集控中心21，用于和船舶进行通信，接收船舶碰撞风险判断机构发送的数据并进行报警判断，并根据判断结果启动桥用报警机构和桥墩防撞机构；桥用报警机构22，用于进行声光报警，提醒航行船舶避免碰撞；如图4所示，桥墩防撞机构23，设置有可收缩的高性能柔性弹簧231，在碰撞风险不可避免的情况下吸收船舶碰撞能量，减小桥墩伤害。桥用桥梁防撞报警装置2收到船舶信息采集装置1发送的碰撞风险信息，并进行综合判定，根据判定结果让桥梁3工作人员与船舶取得联系，并启动报警机构22，引导船舶安全通过桥孔6；在碰撞不可避免时，启动桥梁桥墩防撞机构23减少桥梁桥墩4伤害。

进一步地，如图2所示，船用数据采集机构11采集的桥梁3基本信息包括通航孔类型、通航孔宽度、桥梁的净空高度和当前水位。

进一步地，船用数据采集机构11采集的船舶自身信息包括船舶4的宽度、最大高度、船舶4实时吃水深度和船4舶运动参数。

进一步地，船舶4运动参数包括船舶转首角加速度、船舶转首角速度、舵角和船舶航行速度。

进一步地，船用数据采集机构采集11的动态环境数据包括风速、风向、水流速度和船舶4与桥梁3之间的距离。

进一步地，船舶行为预测机构12采用的船舶5操纵运动模型为：

其中，K、T为操纵性指数，为船舶转首角加速度，为船舶转首角速度，δ为舵角。

如图3所示，假设船舶5在转向过程中(t≦100s)不改变主机转速，考虑到船舶5在转向运动过程中的速降，即转向过程中的航速小于初始航速ν₀，在多数情况下，用平均航速来代替，其范围为初始航速ν₀的85％-95％，船舶在转向过程中(t≦100s)的航速。船舶操舵后的纵距X和横距Y可用式(2)求解，如式(2)所示，根据不同的舵角值输入，将会得到不同的船位。

进一步地，桥用报警机构22包括LED显示屏221、照明灯222、透雾灯223、预警灯224等视觉报警设备以及高音喇叭225声音报警设备。

进一步地，船用数据采集机构11包括风速仪111、红外测距仪112和流速仪113，分别用于测量环境风速、船舶与桥梁之间的距离和水流速度。

如图5所示，提供一种桥梁主动防撞报警方法，包括以下步骤：

Step1：船用数据采集机构实时采集动态环境数据包括风速、风向、水流速度和船舶与桥梁之间的距离；

Step2：船舶距离桥梁一定距离时，船用数据采集机构采集桥梁基本信息和船舶自身信息，并启动船舶行为预测机构；

Step3：船舶行为预测机构利用船用数据采集机构采集的数据以及船舶操纵运动模型分析船舶在下一时刻与桥梁桥墩的相对位置；

Step4：船舶碰撞风险判断机构根据船舶行为预测机构预测的结果以及船舶通过桥墩的安全距离，结合船用数据采集机构采集的动态环境数据，判断船舶改向能通过桥梁的改向范围，改向范围越大则风险越大；

Step5：船舶碰撞风险判断机构根据船舶行为预测机构的预测的下一时刻船舶与桥梁的相对位置，结合船用数据采集机构采集的信息，计算船舶的净空高度和桥梁的净空高度，若船舶净空高度小于桥梁净空高度，且高度差大于0.5m，则认为安全，否则标记为风险；

Step6：船舶碰撞风险判断机构将船舶与桥梁下舷相碰撞的风险、船舶与桥梁桥墩相碰撞的风险以及船用数据采集机构采集的信息发送给桥用防撞报警装置的桥用集控中心；

Step7：不断重复Step2～Step7，桥用集控中心根据船舶碰撞信息采集装置采集的信息以及动态环境信息进行综合判断，一旦船舶有碰撞桥墩或者超高的可能，桥梁安全人员主动与船舶取得联系，集控中心将触桥用报警机构，通过LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯等提醒船只避免碰撞；

Step8：一旦碰撞风险不可避免，桥用集控中心则触发桥墩防撞机构。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，包括船舶碰撞信息采集装置和桥用桥梁防撞报警装置，

所述船舶碰撞信息采集装置包括：

船用数据采集机构，用于采集桥梁的基本信息、船舶自身信息以及动态环境数据；

船舶行为预测机构，用于根据船舶操纵运动模型分析船舶在下一时刻与桥梁的相对位置；

船桥碰撞风险判断机构，根据船用数据采集机构采集的数据及船舶行为预测机构的预测结果进行船舶与桥梁下舷、船舶与桥梁桥墩相碰撞的风险进行判断，并将判断结果及船用数据采集机构采集的数据发送至桥用桥梁防撞报警装置的桥用集控中心；

所述桥用桥梁防撞报警装置包括：

桥用集控中心，用于和船舶进行通信，并接收船舶碰撞风险判断机构发送的数据进行报警判断，并根据判断结果启动桥用报警机构和桥墩防撞机构；

桥用报警机构，用于进行声光报警，提醒航行船舶避免碰撞；

桥墩防撞机构，设置有可收缩的高性能柔性弹簧，在碰撞风险不可避免的情况下吸收船舶碰撞能量，减小桥墩伤害。

2.根据权利要求1所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述船用数据采集机构采集的桥梁基本信息包括通航孔类型、通航孔宽度、桥梁的净空高度和当前水位。

3.根据权利要求1所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述船用数据采集机构采集的船舶自身信息包括船舶的宽度、最大高度、船舶实时吃水深度和船舶运动参数。

4.根据权利要求3所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述船舶的运动参数包括船舶转首角加速度、船舶转首角速度、舵角和船舶航行速度。

5.根据权利要求1所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述船用数据采集机构采集的动态环境数据包括风速、风向、水流速度和船舶与桥梁之间的距离。

6.根据权利要求1所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述船舶行为预测机构采用的船舶操纵运动模型为：

其中，K、T为操纵性指数，为船舶转首角加速度，为船舶转首角速度，δ为舵角。

7.根据权利要求1所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述桥用报警机构包括LED显示屏、照明灯、透雾灯、预警灯等视觉报警设备以及高音喇叭声音报警设备。

8.根据权利要求1所述的桥梁主动防撞报警系统，其特征在于，所述船用数据采集机构包括红外线测距仪、风速仪和流速仪，分别用于测量船舶与桥梁之间的距离、环境风速和水流速度。

9.一种桥梁主动防撞报警方法，其特征在于,包括以下步骤：

Step1：船用数据采集机构实时采集动态环境数据包括风速、风向、水流速度和船舶与桥梁之间的距离；

Step2：船舶距离桥梁一定距离时，船用数据采集机构采集桥梁基本信息和船舶自身信息，并启动船舶行为预测机构；

Step3：船舶行为预测机构利用船用数据采集机构采集的数据及船舶操纵运动模型分析船舶在下一时刻与桥梁桥墩的相对位置；

Step4：船舶碰撞风险判断机构根据船舶行为预测机构预测的结果以及船舶通过桥墩的安全距离，结合船用数据采集机构采集的动态环境数据，判断船舶改向能通过桥梁的改向范围，改向范围越大则风险越大；

Step5：船舶碰撞风险判断机构根据船舶行为预测机构的预测的下一时刻船舶与桥梁的相对位置，结合船用数据采集机构采集的信息，计算船舶的净空高度和桥梁的净空高度，若船舶净空高度小于桥梁净空高度，且高度差大于0.5m，则认为安全，否则标记为风险；

Step6：船舶碰撞风险判断机构将船舶与桥梁下舷相碰撞的风险、船舶与桥梁桥墩相碰撞的风险以及船用数据采集机构采集的信息发送给桥用防撞报警装置的桥用集控中心；

Step7：桥用集控中心根据船舶碰撞信息采集装置采集的信息以及动态环境信息进行综合判断，一旦船舶有碰撞桥墩或者超高的可能，桥梁安全人员主动与船舶取得联系，集控中心将触桥用报警机构，通过LED显示屏、高音喇叭、照明灯、透雾灯、预警灯等提醒船只避免碰撞；

Step8：一旦碰撞风险不可避免，桥用集控中心则触发桥墩防撞机构。