CN110491175A - 桥梁防撞应急安全气囊控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法，包括以下步骤：实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息；根据数据模型双驱动的神经网络技术建立船桥碰撞模型；当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，开启报警功能；当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门；当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞危险区时，实时监控防撞气囊中剩余气量。本发明提出的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，实现了对桥梁防撞气囊进行精确控制，使得气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程。

Description

桥梁防撞应急安全气囊控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及桥梁安全保护技术领域，尤其涉及一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法及其装置。

背景技术

桥梁是一种重要的陆路交通线，坐落在海洋之上或者江河之上的桥梁分布十分的密集，各种吨位各种型号的船舶不计其数，如此纵横交错的交通路线必然会产生交集，即会发生船舶与桥梁的碰撞，特别是桥墩，然而，桥墩作为桥梁的重要组成结构，其受到船舶的碰撞势必会造成整个桥梁结构产生破坏，更为严重的可能会造成整个桥梁的崩塌。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法及其装，旨在对桥梁防撞气囊进行精确控制，使得气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程。

为实现上述目的，本发明提供一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区；

根据数据模型双驱动的神经网络技术分析目标船舶信息以及环境信息，建立船桥碰撞模型；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门，使气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞危险区时，实时监控防撞气囊中剩余气量。

优选地，所述目标船舶信息包括船舶运行的航速信息、船舶航向信息以及船舶和桥墩间距信息，环境信息包括当前水流速度信息、水流流向信息。

优选地，开启报警功能时，采用报警器报警，报警器采用基于ZigBee的可移动式激光探测进行设计，报警器采用无线传感器网络的感知节点，利用毫米波雷达检测过往船舶接近速度、航向，预测船舶是否会越过通航区进入预警区，如果判定船舶航向与航速对桥墩构成威胁，则立即启动报警器进行间歇性声光预警，警醒船舶驾驶人员；

若预警未起到作用，则启动连续声光预警，并通过ZigBee网络发送预警信号至桥梁安全监控室，提醒监控人员做好应急准备。

优选地，所述实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区的步骤之后还包括：

将目标船舶信息以及环境信息进行预处理，以减少或消除干扰图像的特征，预处理包括滤波处理和图像均衡。

优选地，在建立船桥碰撞模型时，采用质心法计算船舶具体位置，用二值化处理目标船舶信息，从而得到船舶在整个监控范围的位置，根据二维监控图像与实际三维空间的映射关系，利用几何透视方法将二维监控图像投影到三维空间中，从而得到目标船舶的具体位置。

优选地，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，对目标船舶进行航向预测，航向预测时根据目标船舶在监控图像中位置连续的变化进行判断与预测，与此同时根据位置的变化对目标船舶的运行轨迹进行预测，为目标船舶可能发生的碰撞点预测提供支持。

优选地，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，对目标船舶进行速度预测，通过船舶位置算法得到目标船舶在监控图像中两个相邻时刻所对应的位置坐标，取其横纵两向平均值得到目标船舶在监控图像中的速度，利用二维监控图像与三维空间的映射关系得到目标船舶的实际航行速度。

优选地，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，预测船舶与桥墩可能发生碰撞点高度，采用基于红外图像与距离探测仪技术，基于目标船舶外轮廓大小信息探测船舶最先可能发生碰撞的点。

优选地，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，采用基于多节点多观测源的信息融合系统，通过多个红外热成像仪以及多个视频监控设备对桥墩附近航道内的船舶进行识别与跟踪，并基于图像监测的结果进行分析。

本发明进一步提出一种桥梁防撞应急安全气囊控制装置，包括：

处理器，用于实现各指令；

存储设备，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：

实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区；

根据数据模型双驱动的神经网络技术分析目标船舶信息以及环境信息，建立船桥碰撞模型；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门，使气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，实时监控防撞气囊中剩余气量。

本发明提出的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，对桥梁防撞气囊进行精确控制，在气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程。由于环境因素是分时段、分季度等情况不断变换的，本控制方法中的模型建立是多方面多维度的，且船桥碰撞模型优化过程是随着监测不断进行，其作用是未下次目标船舶的监测与预测提供更有利的支持，船桥碰撞模型具有准确性高、复杂度低的特点，通过不断学习对不可靠或具有威胁因素进行智能判断，提高桥梁防撞气囊系统工作的稳定性和安全性。

附图说明

图1为本发明桥梁防撞应急安全气囊控制方法的流程示意图；

图2为本发明桥梁防撞应急安全气囊控制方法中防撞预警带的示意图。

图中，1-船桥碰撞危险区、2-桥墩、3-船桥碰撞紧急区、4-船桥碰撞预警区、5-正常通航区、6-船舶。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法。

参照图1，本实施例中，一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法，包括以下步骤：

步骤S10，实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区1、船桥碰撞紧急区3和船桥碰撞预警区4；

步骤S20，根据数据模型双驱动的神经网络技术分析目标船舶信息以及环境信息，建立船桥碰撞模型；

步骤S31，当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区4时，开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只；

步骤S32，当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区3时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门，使气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程；

步骤S33，当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞危险区1时，实时监控防撞气囊中剩余气量。

本桥梁防撞应急安全气囊控制方法是基于桥梁防撞应急安全气囊来进行设计的。

船桥碰撞预警区4、船桥碰撞紧急区3、船桥碰撞危险区1的划分是按照距离来划分的，详见图2。

防撞气囊由多层高强度尼龙橡胶布或高强度聚酯纤维制作而成的气袋，且能够承受相应工作环境所要求的撞击力，防撞气囊上设有进气口和手自一体排气阀（即步骤S32中的电控阀门），排气阀的开度决定了防撞气囊工作压力，从而实现压力控制。

手自一体排气阀在系统工作时需要一定的开度，以便气囊受到船舶撞击后能排出内部的气体从而达到消耗碰撞能量的目的。排气阀开度的设计需经过碰撞或挤压实验合理设计，若设计尺寸过大，则有可能防撞气囊无法起到保护的作用，或者作用的时间不够；若设计尺寸过小，则会造成防撞气囊内压力过大使得气囊爆裂失效，或者船舶撞击时气囊不能及时泄气吸收动能，间接对船舶与桥墩造成伤害。

防撞气囊安装于气囊行走定位系统之上，其位置可随气囊行走定位系统沿桥墩高度方向移动。防撞气囊的大小、形状和数量由桥墩形状和工作环境因素设定。

防撞气囊在未工作时叠放在气囊行走定位系统之中。当遇到碰撞危险时智能控制系统控制防撞气囊的开启，通过气囊防撞系统的吸能作用起到保护桥墩的效果。碰撞过后打开排气阀排空气囊内的空气，随后气囊自动叠放回气囊行走定位系统之中。

防撞气囊通过设有电控系统实现高程度自动化，可在船桥碰撞险情发生的第一时间启动，同时可实现手动与自动转换操作。

防撞气囊配有减震阻尼系统，其采用双出杆孔隙式粘滞阻尼器，该减震阻尼系统能有效减小船舶撞击力对气囊防撞装置的结构损伤。

未工作时，防撞气囊可置于桥墩水面以下，保证桥体的整体美观效果。并设有锁定装置，使其能在极端恶劣气候环境下仍可保持稳定性和安全性。防撞气囊在未工作状态时不影响正常的航道通行，不会产生回流沉积的问题，且能适应枯水、涨潮、退潮等环境变化。防撞气囊折叠存放于气囊行走定位系统之中，不占用空间；遇到碰撞险情时，气囊防撞系统迅速工作，气囊快速充气起到保护桥墩的效果，对安全性和稳定可靠性要求较高。

具体地，目标船舶信息包括船舶运行的航速信息、船舶航向信息以及船舶和桥墩间距信息，环境信息包括当前水流速度信息、水流流向信息。

开启报警功能时，采用报警器报警，报警器采用基于ZigBee的可移动式激光探测进行设计，报警器采用无线传感器网络的感知节点，利用毫米波雷达检测过往船舶接近速度、航向，预测船舶是否会越过通航区进入预警区，如果判定船舶航向与航速对桥墩构成威胁，则立即启动报警器进行间歇性声光预警，警醒船舶驾驶人员；

若预警未起到作用，则启动连续声光预警，并通过ZigBee网络发送预警信号至桥梁安全监控室，提醒监控人员做好应急准备。

本控制方法还可对监控材料进行分时段分季度管理，方便后续对监控数据的再利用。

步骤S10和步骤S20之间还包括：

步骤S11，将目标船舶信息以及环境信息进行预处理，以减少或消除干扰图像的特征，预处理包括滤波处理和图像均衡。

对监控图像数据的预处理过程，该过程是为了提高监控数据的质量，减少或消除干扰图像的特征，包括减少噪声对拍摄的影响，增加图像内容的区分度。

在建立船桥碰撞模型时，采用质心法计算船舶具体位置，用二值化处理目标船舶信息，从而得到船舶在整个监控范围的位置，根据二维监控图像与实际三维空间的映射关系，利用几何透视方法将二维监控图像投影到三维空间中，从而得到目标船舶的具体位置。

判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，对目标船舶进行航向预测，航向预测时根据目标船舶在监控图像中位置连续的变化进行判断与预测，与此同时根据位置的变化对目标船舶的运行轨迹进行预测，为目标船舶可能发生的碰撞点预测提供支持。

判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，对目标船舶进行速度预测，通过船舶位置算法得到目标船舶在监控图像中两个相邻时刻所对应的位置坐标，取其横纵两向平均值得到目标船舶在监控图像中的速度，利用二维监控图像与三维空间的映射关系得到目标船舶的实际航行速度。

判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，预测船舶与桥墩可能发生碰撞点高度，采用基于红外图像与距离探测仪技术，基于目标船舶外轮廓大小信息探测船舶最先可能发生碰撞的点。

判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，采用基于多节点多观测源的信息融合系统，通过多个红外热成像仪以及多个视频监控设备对桥墩附近航道内的船舶进行识别与跟踪，并基于图像监测的结果进行分析。

本桥梁防撞应急安全气囊控制方法其工作过程如下。

检测桥墩附近过往船舶运行的航速、航向、船与桥墩间距、水流速度及流向信息，所有监控信息都将被传送至桥梁安全监控室内并将其输入控制系统中的微处理器进行分析处理，控制系统在接收微处理器的处理信号后向智能控制系统输出控制信号。当船舶进入船桥碰撞预警区4后，防撞预警系统开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只。若船舶进入船桥碰撞紧急区3后，则判断船只将与桥墩有碰撞的危险，并将其信息传递给智能控制系统，智能控制系统控制气囊行走定位系统和气囊智能收放系统，并在气囊行走过程中控制电控阀门的开启，使得气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程。通过气囊防撞系统的吸能作用起到保护桥墩的效果。基于人工智能深度学习，通过利用不可靠和具有威胁因素不断训练和学习，提高系统的稳定性和可靠性。

本实施例提出的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，对桥梁防撞气囊进行精确控制，在气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程。由于环境因素是分时段、分季度等情况不断变换的，本控制方法中的模型建立是多方面多维度的，且船桥碰撞模型优化过程是随着监测不断进行，其作用是未下次目标船舶的监测与预测提供更有利的支持，船桥碰撞模型具有准确性高、复杂度低的特点，通过不断学习对不可靠或具有威胁因素进行智能判断，提高桥梁防撞气囊系统工作的稳定性和安全性。

本发明进一步提出一种桥梁防撞应急安全气囊控制装置。

本实施例中，一种桥梁防撞应急安全气囊控制装置，包括：

处理器，用于实现各指令；

存储设备，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：

实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区；

根据数据模型双驱动的神经网络技术分析目标船舶信息以及环境信息，建立船桥碰撞模型；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门，使气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，实时监控防撞气囊中剩余气量。

桥梁防撞应急安全气囊控制装置的硬件部分包括距离探测雷达、红外热成像摄像机、视频监控装置、报警器，其安装位置位于桥墩外壁之上，且具有良好的监测视角和稳定可靠的工作性能。基于多节点多观测源的信息融合系统，通过多个红外热成像仪以及多个视频监控设备对桥墩附近航道内的船舶进行识别与跟踪，并基于检测的结果进行分析，若分析出某一船舶将与桥墩发生相撞的可能，则向智能控制系统传递事故预警信号。

本控制装置可预置于监控室内，防撞预警系统所检测的数据通过基于ZigBee技术无线传感网络的协调器实现数据的快速、稳定的双向传输。

本控制装置可实现全天候对航道内船舶的连续监测。雷达预警效果虽然较好，但是其成本较高，一套较好的雷达系统的成本高达上百万元，且其维护成本较高，不适合于大规模使用。而采用基于多节点多观测源的信息融合系统，其既满足高效率、高精度的使用要求，而且其使用以及维护成本低。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区；

根据数据模型双驱动的神经网络技术分析目标船舶信息以及环境信息，建立船桥碰撞模型；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门，使气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞危险区时，实时监控防撞气囊中剩余气量。

2.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，所述目标船舶信息包括船舶运行的航速信息、船舶航向信息以及船舶和桥墩间距信息，环境信息包括当前水流速度信息、水流流向信息。

3.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，开启报警功能时，采用报警器报警，报警器采用基于ZigBee的可移动式激光探测进行设计，报警器采用无线传感器网络的感知节点，利用毫米波雷达检测过往船舶接近速度、航向，预测船舶是否会越过通航区进入预警区，如果判定船舶航向与航速对桥墩构成威胁，则立即启动报警器进行间歇性声光预警，警醒船舶驾驶人员；

若预警未起到作用，则启动连续声光预警，并通过ZigBee网络发送预警信号至桥梁安全监控室，提醒监控人员做好应急准备。

4.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，所述实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区的步骤之后还包括：

将目标船舶信息以及环境信息进行预处理，以减少或消除干扰图像的特征，预处理包括滤波处理和图像均衡。

5.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，在建立船桥碰撞模型时，采用质心法计算船舶具体位置，用二值化处理目标船舶信息，从而得到船舶在整个监控范围的位置，根据二维监控图像与实际三维空间的映射关系，利用几何透视方法将二维监控图像投影到三维空间中，从而得到目标船舶的具体位置。

6.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，对目标船舶进行航向预测，航向预测时根据目标船舶在监控图像中位置连续的变化进行判断与预测，与此同时根据位置的变化对目标船舶的运行轨迹进行预测，为目标船舶可能发生的碰撞点预测提供支持。

7.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，对目标船舶进行速度预测，通过船舶位置算法得到目标船舶在监控图像中两个相邻时刻所对应的位置坐标，取其横纵两向平均值得到目标船舶在监控图像中的速度，利用二维监控图像与三维空间的映射关系得到目标船舶的实际航行速度。

8.如权利要求1所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，预测船舶与桥墩可能发生碰撞点高度，采用基于红外图像与距离探测仪技术，基于目标船舶外轮廓大小信息探测船舶最先可能发生碰撞的点。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的桥梁防撞应急安全气囊控制方法，其特征在于，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞时，采用基于多节点多观测源的信息融合系统，通过多个红外热成像仪以及多个视频监控设备对桥墩附近航道内的船舶进行识别与跟踪，并基于图像监测的结果进行分析。

10.一种桥梁防撞应急安全气囊控制装置，其特征在于，包括：

处理器，用于实现各指令；

存储设备，用于存储多条指令，所述指令由处理器加载并执行：

实时获取位于设定监控区域内的目标船舶信息以及环境信息，根据船舶与桥梁距离由近至远将其分为船桥碰撞危险区、船桥碰撞紧急区和船桥碰撞预警区；

根据数据模型双驱动的神经网络技术分析目标船舶信息以及环境信息，建立船桥碰撞模型；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，开启报警功能，并通知船舶监控室人员进行紧急避让操作和桥梁监控室跟踪监视船只；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞紧急区时，判断船舶是否会与桥墩发生有碰撞，如判断会发生碰撞，则控制打开气囊的电控阀门，使气囊在达到船舶预测碰撞点前能够迅速为防撞气囊完成充气过程；

当船桥碰撞模型中监控到船舶进入船桥碰撞预警区时，实时监控防撞气囊中剩余气量。