CN114973770A - 一种桥梁安全监测装置 - Google Patents

Abstract

本方案公开了一种桥梁安全监测装置，包括安装在桥梁上的激光扫描传感器，AIS避碰仪，报警器及监控相机，安装于监控端的工控机；该装置采用激光扫描技术和AIS相结合的方式监测船只是否有碰撞桥墩或走错航道的风险，能够充分利用激光扫描技术在监测精度和AIS在监测距离的技术优势，有效提高系统的监测效果，以便给船只提供更多的采取避撞措施的时间，提高预警功能的有效性和准确性，避免撞桥事故的发生或减轻事故后果。

Description

一种桥梁安全监测装置

技术领域

本发明涉及桥梁防撞技术领域，特别涉及用于防止船舶与桥梁发生碰撞的一种桥梁安全监测装置。

背景技术

目前，随着交通运输的快速发展，需要在江面或海面建设大量的桥梁，随之而来的是船只撞击桥梁的事故屡有发生，甚至会导致桥塌、船沉、人亡等严重事故，给社会和经济造成了惨重的损失。

目前针对上述撞击桥梁的事故，目前主要包括两类桥梁防撞措施：一是在桥梁上安装被动防撞装置，当船只撞上桥梁时采用吸能等措施，以此来尽量减少桥梁承受的船只冲击力，从而减轻船只撞击桥梁事故产生的严重后果。然而，采取这种被动防撞装置并不能避免船只撞击桥梁事故的发生，而且还需要在桥梁上安装大量专用设施，使得安装成本高、造价大，难以大范围地进行推广。

二是主动预警，采用监测技术对存在撞桥风险的船只提前主动预警，尽量避免船只撞击桥梁事故的发生。通过主动预警可以避免或减少撞桥事故的发生，且其成本远低于被动防撞设施，因此主动预警方式具备大范围的应用前景。

发明内容

本方案的一个目的在于提供一种桥梁安全监测装置，该装置是一种基于激光扫描技术和AIS相结合的桥梁防撞监测装置，具有监测区域广、监测误报情况少，可靠性较高的特点。

为达到上述目的，本方案如下：

一种桥梁安全监测装置，包括安装在桥梁上的激光扫描传感器，AIS避碰仪，报警器及监控相机，安装于监控端的工控机；

所述AIS避碰仪获取监测区域的目标船只的第一位置信息发送至所述工控机；

所述激光扫描传感器获取监测区域的目标船只的轮廓特征和第二位置信息发送至所述工控机；

所述工控机基于接收到的轮廓特征及第一和第二位置信息判断距离桥梁一定距离的目标船只是否存在碰撞桥梁的风险，当目标船只存在碰撞桥梁的风险时，发出视频监控信号和报警触发信号；

所述监控相机基于工控机的视频监控信号对所述目标船只进行跟踪录像或拍照；

所述报警器基于接收的报警触发信号发出预警信号或报警信号。

优选的，所述工控机可判断距离桥梁1公里(可设置)以内的目标船只是否存在碰撞桥梁的风险。

优选的，所述AIS避碰仪设置在桥梁的桥墩上，所述AIS避碰仪获取目标船只的动态信息和静态信息。

优选的，所述动态信息包括目标船只的位置，速度和方向信息，所述静态信息包括目标船只的船号信息。

优选的，所述激光扫描传感器吊装在云台上，所述云台设置在桥墩上。

优选的，所述预警信号发送至目标船只操控人员，预警信号包括声光预警信号，及通过VHF电台进行预警。

优选的，所述报警信号发送至桥梁管理人员，报警信号包括手机短信信号，通过APP或者web网页推送的信号。

本方案的有益效果如下：

1.本方案能够利用激光扫描技术在监测精度和AIS监测距离较长的技术优势，实现了将AIS监测和激光扫描监测数据转换为同一坐标系，有效提高系统的监测距离，以便给船只提供更多的采取避撞措施的时间。

2.本方案采用激光扫描传感器监测船只是否有走错航道或碰撞桥墩的风险，由于激光扫描传感器的自身的定向性和聚光性较好，因此采用激光扫描传感器近距离监测的信息更为准确；AIS的定位准确性不及激光扫描传感器，但监测距离远，可以作为远距离船只避撞的有效预警措施。

3.本方案通过激光扫描传感器和AIS相结合获取船只的基础信息，获取船只的运行轨迹，可检测目标是否为飞鸟、漂浮物等异物，从而有效减少报警器的误报。

4.本方案在识别出船只有撞桥风险但撞桥事故尚未发生时，报警装置提醒船只操作人员，尽量避免撞桥事故；在无法避免撞桥事故时，该报警装置会通知桥梁管理人员，因此本发明具有提前预警和事后报警的双重报警功能，能够最大限度地减轻撞桥事故所造成的严重后果。

附图说明

为了更清楚地说明本方案的实施，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本方案的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置结构示意图；

图2为实施例监测区域示意图；

图3为实施例AIS监测预警示意图；

图4为实施例AIS监测数据向桥梁直角坐标的转换示意图；

图5为激光传感器追踪示意图；

图6为激光扫描监测示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本方案的实施方式作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅是本方案的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本方案中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备，不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

现有技术中对于防止船只和桥梁碰撞的措施包括使用基于激光扫描的桥梁防撞监测装置，但这种装置受传感器性能限制，监测区域受限，留给船只采取避撞措施的时间不够充足；使用基于AIS的桥梁防撞监测装置，但这种装置由于船只AIS的定位信息是由GPS提供的，定位的精度受GPS技术的限制，民用平均定位精度10米级左右,目前最好的定位精度可以达到3-5米，近距离碰撞预警的准确性欠佳。本申请的发明人发现如果充分利用激光扫描技术在监测精度和AIS在监测距离的技术优势，将各种监测数据整合处理，即可有效提高系统的监测效果，以便给船只提供更多的采取避撞措施的时间，提高预警功能的有效性和准确性，也可避免撞桥事故的发生或减轻事故后果。

如图1所示，一种桥梁安全监测装置，包括安装在桥梁上的激光扫描传感器1，AIS避碰仪2，报警器4及监控相机5，安装于监控端的工控机3；

激光扫描传感器1吊装在云台上，云台设置在桥墩上，通过云台旋转在桥墩前面的监测区域形成多个激光扫描监测断面，用于识别所需监测范围内的船只，可跟踪目标船只的运行轨迹。

AIS避碰仪2设置到桥墩上，通过其接收设备，接收监测范围内的船只的动态信息，并获取目标船只的基础信息传输至工控机3；其中基础信息包括目标船只的MMSI码等静态信息，动态信息包括目标船只的经纬度位置、速度和方向信息。

AIS避碰仪2可以用来接收200m至1000m的船只的经纬度位置、航向和航速信息，激光扫描传感器1(以扫描距离200m为例)和云台用来根据AIS提供的上述信息准确定位船只运行至200米以内的位置，如图2所示。其中激光扫描传感器1基于桥梁直角坐标系定位船只位置，其直角坐标系以桥墩为原点O，以桥梁长度方向为X轴，垂直于桥梁的方向为Y轴；

工控机3通常安装在设备机房或者桥墩机柜内，与装置中各种设备通过网线或者光纤连接。工控机3在监测区域内根据桥墩间距和/或桥墩位置信息来设置布防区域，布防区域包括河流上游和/或河流下游方向的预定空间范围，并基于目标船只的位置信息，包含经纬度位置、速度和方向信息判断目标船只是否存在碰撞桥墩或走错航道的风险。

工控机3根据AIS避碰仪2获取的位置信息判断目标船只在200m以外是否存在碰撞桥墩或走错航道的风险；在船只距离桥梁250m左右时，工控机3将船只位置信息从AIS提供的第一位置信息，如经纬度信息转换为第二位置信息，如基于桥梁的直角坐标系的直角坐标信息；在船只距离桥梁200m以内时,工控机3根据船只的AIS数据转换的桥梁直角坐标位置，触发激光扫描传感器1对目标船只进行跟踪，确定船只位置及航向，对目标船只碰撞桥墩的风险进行准确的预警和报警；

其中，当目标船只存在碰撞桥墩或走错航道的风险时，工控机3控制视频监控设备，如监控相机5根据船只的位置对该船只进行跟踪录像或拍照，并且控制报警器4发出预警或报警信号。

如工控机3根据AIS避碰仪2接收船只的静态信息，静态信息包含船只的MMSI码，根据该信息可以确定船只的身份信息，如果发生撞桥事故可以根据该信息进行事后追责。工控机3根据船只与桥梁的相对距离将布防区域设置为预警区和报警区，预警区识别到船只存在碰撞桥墩或走错航道的风险时向船只操作人员预警；报警区用于识别船只发生碰撞事故时向桥梁管理部门报警。工控机3启动预警模式，控制报警器向船只发出预警信号；当工控机3监测到船只进入报警区时，工控机3启动报警模式，控制报警器向桥梁管理部门发出报警信号。当启动预警模式时，工控机3根据目标的位置信息控制视频监控设备，如监控相机5对船只进行跟踪录像或拍照；以及当船只离开布防区域时，工控机3控制视频监控设备停止录像或拍照。

报警器4包括预警单元和报警单元，预警单元用于向船只操作人员提供预警信息，报警单元用于向桥梁管理人员提供报警信息。报警器4可在现场进行声光预警并通过VHF电台对船只进行预警，协助操船人员提前采取调整运行方向等避撞决策，从而有效降低船只碰撞桥墩的风险，以减少桥梁碰撞事故的发生。如果船只继续通行，在无法避免撞桥事故时系统可通过手机短信、APP或web网页推送报警信息，通知桥梁管理人员及时确认，能够最大限度地减轻撞桥事故所造成的严重后果。

在监控终端还可配置信息监测平台，提供包含现场报警数据以及图像视频记录等监测信息展示、信息推送与综合查询等服务。图3展示了预警器4发出预警信号的条件。

桥墩最小外接矩形为ABCD,面向船只方向较长对角线连线为BD,桥墩中心为0,距离BO已知，BO与正北方的夹角3已知；

桥墩中心位置已知，AIS可提供船只运行方向与正北方的夹角1，与已知位置的连线与正北方的夹角2，以及可提供船只与桥墩中心的距离PO；

则∠POB＝∠2+∠3；

根据余弦定理：

根据正弦定理：

∠BPO＝sin^-1(|BO|*sin∠POB/|PB|)；

同理：

∠POC＝180-∠2-∠3；

根据余弦定理：

根据正弦定理：

∠CPO＝sin^-1(|CO|*sin∠POC/|PC|)；

船只的运行方向与船只和桥墩最小外接矩形面向船只方向较长对角线连线的夹角(即∠1-∠2或∠2-∠1)作为船只碰撞桥墩可能性的判断指标，其中碰撞预警阈值△1与现场预警需求相关,建议设置2～5度。则预警条件为:

船只改变航向之后，船只的运行方向与船只与桥墩连线的夹角不符合预警条件之后，碰撞预警取消。

AIS数据和激光监测数据的匹配：

激光扫描初始监测断面为距离桥梁200m处，故在AIS监测到船只距离垂直距离小于250m时开始进行经纬度坐标到桥梁直角坐标的转换，见图4所示；桥梁与正北方夹角∠2已知，通过对AIS数据进行解析计算得到船只与桥墩中心的距离|PO|，船只和桥墩中心连线与正北方的夹角∠1，则船只在直角坐标系中与y轴的夹角∠3＝∠1+∠2-90，进而可以计算船只在直角坐标系中的坐标值(x0,y0)为

x0＝|PO|*SIN∠3；

y0＝|PO|*COS∠3；

工控机3根据激光扫描传感器1扫描的轮廓特征判断目标是否为船只，根据目标的位置信息和方向信息判断该目标是否存在碰撞桥墩或走错航道的风险。如图5和图6所示，激光扫描传感器1通过云台旋转，可在监测区域形成多个扫描断面，并可追踪准确追踪船只的运行轨迹。

预警条件示意图如图6所示。

船只当前位置P点在桥梁直角坐标系中坐标为(x1,y1),前一个监测位置坐标为(x0,y0)。

桥墩最小外接矩形为ABCD,面向船只方向较长对角线连线为BD,桥墩中心为0,距离BO已知，BO与桥梁直角坐标系y轴的夹角3已知；

船只运行方向和桥梁直角坐标系y轴夹角1为:

∠1＝arctan(|(x1-x0)/(y1-y0)|)；

船只和桥墩中心连线与桥梁直角坐标系y轴夹角2为：

∠2＝arctan(|x1/y1|)；

船只与桥墩中心的距离PO为:

则∠POB＝∠2+∠3；

根据余弦定理：

根据正弦定理：

∠BPO＝sin^-1(|BO|*sin∠POB/|PB|)；

同理：

∠POC＝180-∠2-∠3；

根据余弦定理：

根据正弦定理：

∠CPO＝sin^-1(|CO|*sin∠POC/|PC|)；

船只的运行方向与船只和桥墩最小外接矩形面向船只方向较长对角线连线的夹角(即∠1-∠2或∠2-∠1)作为船只碰撞桥墩可能性的判断指标，其中碰撞预警阈值△1与现场预警需求相关,建议设置2～5度。则预警条件为:

船只改变航向之后，船只的运行方向与船只与桥墩连线的夹角不符合预警条件之后，碰撞预警取消。

当船只驶入碰撞报警区域时，启动碰撞报警。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种桥梁安全监测装置，其特征在于，包括安装在桥梁上的激光扫描传感器，AIS避碰仪，报警器及监控相机，安装于监控端的工控机；

所述AIS避碰仪获取监测区域的目标船只的第一位置信息发送至所述工控机；

所述激光扫描传感器获取监测区域的目标船只的轮廓特征和第二位置信息发送至所述工控机；

所述工控机基于接收到的轮廓特征及第一和第二位置信息判断距离桥梁一定距离的目标船只是否存在碰撞桥梁的风险，当目标船只存在碰撞桥梁的风险时，发出视频监控信号和报警触发信号；

所述监控相机基于工控机的视频监控信号对所述目标船只进行跟踪录像或拍照；

所述报警器基于接收的报警触发信号发出预警信号或报警信号。

2.根据权利要求1所述的桥梁安全监测装置，其特征在于，所述工控机可判断距离桥梁1公里以内的目标船只是否存在碰撞桥梁的风险。

3.根据权利要求1所述的桥梁安全监测装置，其特征在于，所述AIS避碰仪设置在桥梁的桥墩上，所述AIS避碰仪获取目标船只的动态信息和静态信息。

4.根据权利要求1所述的桥梁安全监测装置，其特征在于，所述动态信息包括目标船只的位置，速度和方向信息，所述静态信息包括目标船只的船号信息。

5.根据权利要求1所述的桥梁安全监测装置，其特征在于，所述激光扫描传感器吊装在云台上，所述云台设置在桥墩上。

6.根据权利要求1所述的桥梁安全监测装置，其特征在于，所述预警信号发送至目标船只操控人员，预警信号包括声光预警信号，及通过VHF电台进行预警。

7.根据权利要求1所述的桥梁安全监测装置，其特征在于，所述报警信号发送至桥梁管理人员，报警信号包括手机短信信号，通过APP或者web网页推送的信号。

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