CN116343528A - 桥梁船撞报警感知设备及包括该设备的安全监测应用平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桥梁船撞报警感知设备及包括该设备的安全监测应用平台，设备包括振动传感器、摄像头、微处理器、报警器和通讯模块；振动传感器感知振动数据，微处理器接收振动信号，并调用摄像头联动抓拍，当振动信号异常同时摄像头抓拍到船撞图像时认定为船舶撞击事件；所述振动信号异常是指振动信号高于振动基准值；当振动信号大于原始振动基准值同时又未发生船舶撞击事件时，将该振动信号作为新基准值，并不断迭代，直至达到船舶撞击事件判断的临界值；发生船舶撞击事件时进行报警，并通过通讯模块将数据和图像发送至安全监测应用平台。本发明能够实现振动数据与抓拍联动，同时对振动数据进行过滤，能够准确判断是否发生碰撞。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁安全监测领域，尤其涉及一种基于窄带物联网的桥梁船撞报警感知设备及包括该设备的安全监测应用平台。
背景技术
我国河网密布，水系发达，河道上修建了众多桥梁，部分通航桥梁是上世纪建成通车，服役时间较长部分已经老化，容易在后期运营中产生损伤，大部分桥梁的原设计荷载已不能满足现有交通形式，一旦发生船舶撞击桥梁的事故可能会导致桥墩严重受损，造成重大的经济损失和人员伤亡。从船舶撞击桥梁，到获取碰撞信息再到后期现场处理往往需要2个小时甚至更多，这存在着严重的安全隐患，因此及时准确获取桥梁船撞信息尤为重要。
桥梁结构车船撞监测报警系统旨在解决过往车辆、船只对桥墩、梁结构发生突发性碰撞事件的监测和预警。目前行业内常见的车船撞击桥梁事故识别方法主要包括：计算机视觉、红外热成像、船舶自动识别系统等，其中计算机视觉技术通过在桥梁上架设摄像机，对途径船只速度与路径进行获取，再利用算法对获取到的船只信息进行分析，评估其撞击桥墩的概率，摄像头存在着视觉死角同时易受大雾天气和夜色的影响，造成误报警的情况这将大大影响公共资源的使用效率。红外热成像技术则是通过被观测物体本身发射的热辐射，拍摄物体表面的温度分布进而确认物体的种类，温度相较光线而言不受黑夜的影响，且热辐射波长比可见光长，所以雨雪、浓烟、大雾等恶劣天气都无法阻挡热辐射的传播，但其图像接受元件是为接受物体热辐射能量，为了获得一定的信噪比接受元件单元的面积不宜太小，所以图像的分辨率较低，市场上的主流设备分辨率为320×240像素，与现在动辄成百上千万像素的分辨率相去甚远，无法进行高精度的定位。目前的相关设备大多不能满足车船撞击感知并拍照取证。
为解决桥梁碰撞的实时性与准确性的问题，常见的方案是采用加速度传感器监测桥梁振动数据。当桥梁发生车船碰撞时，桥梁的振动信号会产生相应改变，数据相较其他报警方式更为敏感和直观，振动传感器感知方法的优势是程序上自动报警，能够及时通知桥梁管理部门，对撞击程度进行可靠性和准确性的量化，并且可以第一时间感知被撞位置和被撞程度。报警流程往往是通过ZigBee(一种无线通讯协议)节点互通实现数据交换，最后通过无线网关将数据汇总统一打包发送至数据中心。但是系统较为复杂，节点间通讯受距离、环境限制，数据稳定性无法保证，且敷设难度大，建设成本高，还需要独立视频监控系统对碰撞事件进行记录、整体系统功耗较高。
发明内容
发明目的：针对车船撞报警数据和视频抓拍无法联动以及传统车船撞监测报警设备误报警率高等问题，本发明的目的是提供一种桥梁船撞报警感知设备，能够实现振动数据与抓拍联动，同时对振动数据进行过滤，能够准确判断是否发生碰撞；本发明的另一目的是提供包括该桥梁船撞报警感知设备的安全监测应用平台，对船撞击时的相关报警信息和现场照片进行存储和管理。
技术方案：一种桥梁船撞报警感知设备，包括：
振动传感器，用于感知XYZ三轴振动数据；
摄像头，用于抓拍船舶图像；
微处理器，分别和振动传感器、摄像头、报警器电性连接；所述微处理器接收振动信号，并根据振动信号调用摄像头联动抓拍，当振动信号异常同时摄像头抓拍到船撞图像时认定为船舶撞击事件；所述振动信号异常是指振动信号高于振动基准值；当振动信号大于原始振动基准值同时又未发生船舶撞击事件时，将该振动信号作为新基准值，并不断迭代，直至达到船舶撞击事件判断的临界值；
报警器，和微处理器电性连接，发生船舶撞击事件时进行实时报警；
通讯模块，和微处理器电性连接，
电源模块，用于设备供电。
具体的，所述微处理器使用边缘提取算法，首先对摄像头拍摄的图像进行灰度化处理，利用sobel算子提取图像中目标的水平和垂直边缘和总体边缘；
sobel算子水平变化为：
sobel算子垂直变化为：
总体变化为：
其中，I为拍摄图像灰度化后整张图像的像素值；
根据轮廓大小和位置判断是否发生船撞。
优选的，所述通讯模块为NB-IoT。
可选的，所述电源模块采用220V交流电供电，并内置不可充电锂电池。
优选的，所述振动传感器、可编程处理芯片、通讯模块、电源模块集成于主控电路板中。
优选的，所述振动传感器靠近梁体安装，或安装于桥梁腹板或梁底位置。
进一步的，设备和PC端或手机端通讯连接。
一种安全监测应用平台，包括所述桥梁船撞报警感知设备，还包括车撞报警感知设备、应力/应变及温度传感器、裂缝观测设备、梁体偏位感知设备、动挠度检测设备等设备中的一种或多种。
有益效果
与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：
1、相较于传统桥梁车船撞报警感知系统复杂繁琐的缺陷，本发明化繁为简，设备高度集成、携带安装便捷；针对船撞报警数据、视频抓拍无法联动的问题，本发明将振动传感器、微处理器、通讯模块整合集成，实现振动数据与抓拍联动，同时实时将报警信息和现场情况传输至报警平台，实现了智能化、远程化的桥梁船撞报警感知监控；
2、针对传统车船撞监测报警系统误报警率高的问题，本发明设置阈值对非风险数据进行过滤，并不断调整更新阈值，能够准确判断是否发生了真实的碰撞事件，监控过程灵敏度高，还具备极低的误报警率；
3、针对传统车船撞监测报警系统功耗高的问题，本发明采用低功耗电源管理技术，同时配备不可充电锂电池，可摒弃外部电源依赖；设备使用寿命长且便于更换，减少维护难度，节省维护成本，满足桥梁健康监测船撞报警的长期监测需求；
4、针对传统车船撞监测报警系统节点通讯距离受限和传输稳定性差的问题，本发明进行了传感器节点通讯方式的革新，采用NB-iot(窄带物联网)通讯方式将低功耗设备在广域网蜂窝数据连接。NB-IoT通讯具有广覆盖，更低功耗，更低的模块成本的优势，且具备支撑连接能力，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。
附图说明
图1为滤除行人、正常车辆通行等正常(非风险)振动数据的报警算法过滤流程图；
图2为船撞报警感知设备工作流程图；
图3为安全监控应用平台的物联网传输拓扑图；
图4为传感器安装示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为本发明的一部分。
本发明的一种桥梁船撞报警感知设备，应用于保持通航的跨河桥梁船撞报警感知，当桥梁结构受到突发外力撞击时，结构发生高频振动，传感器实时监测结构振动数据，对振动数据过滤、分析，判断是否发生碰撞。
一种桥梁船撞报警感知设备，包括振动传感器、摄像头、微处理器、报警通讯模块和电源模块。其中振动传感器用于感知XYZ三轴振动数据。摄像头用于抓拍船舶图像。微处理器用于接收振动数据，并触发摄像头联动拍摄，判断是否发生船撞事件。在发生船舶撞击事件时，报警器进行实时报警，同时通讯模块将振动数据和/或船撞图像发送至远程监测平台进行存储、管理。电源模块用于设备供电。
优选的，本发明基于NB-IoT(窄带物联网)实现桥梁船撞报警感知。对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于复杂地理环境的各类传感监测设备，NB-IoT更为合适。且NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的。其次支持“哨兵”模式，设备平时处于休眠状态，船舶撞击时系统实时激活启动拍照传递报警信息和现场照片至平台，有效控制设备能耗。
与现有技术相比，本发明通过滤除行人、正常车辆通行等正常(非风险)振动数据，防止误报警。报警算法采用“振动数据产生-触发图像采集-处理器判断是否真实报警-否-设置本次振动数据为基准值，小于该数据的振动都不再触发报警-有更大的振动数据产生-再判断-再以新的数据为基准”的闭环流程，以下结合图1详细介绍该报警算法。
首先设置对异常数据的判断条件。由于船舶撞击与行人车辆荷载造成的振动信号往往不在一个数量级，本发明设定一个振动基准值，当振动信号小于基准值即判断为船舶撞击事件未发生，振动数据超出该基准值时，微处理器发出触发信号，启动摄像头进行抓拍，只有当振动信号异常，同时摄像头抓拍到船撞图像才认定为船舶撞击事件。
其次对振动基准值进行更新。当振动信号超过基准值但不发生船舶撞击事件时更新基准值。通过调用抓拍相机联动抓拍，发现船舶出现在范围内同时又未发生船舶撞击事件时，将该振动信号作为新基准值，并不断迭代，直至达到船舶撞击事件判断的临界值。
具体的，微处理器基于图像处理技术自动化识别摄像头拍摄的图片是否发生船撞事件，具体包括如下内容：
使用边缘提取算法，首先对拍摄的图像进行灰度化处理，图像中目标轮廓区域像素和梯度会发生较为明显变化，利用sobel算子提取图像中目标的水平和垂直边缘和总体边缘，sobel算子水平变化：
sobel算子垂直变化：
总体变化：
I为拍摄图像灰度化后整张图像的像素值；
根据轮廓大小和位置即可判断是否发生船舶撞击事件。
进一步的，为了节省内存资源，设备会根据微处理器的判断对无效图像数据进行删除。无效图像为传感器监测到异常振动信号，主控调用摄像头拍摄图像，但经处理器判断并未发生船舶撞击事件，就将该拍摄图像照片认定为无效图像数据并删除。
船撞报警感知设备的典型工作流程如图2所示，具体包括：
S1：对船撞传感器(振动传感器)和外置抓拍相机/摄像头进行安装，使用2颗M6*3CM自攻螺丝配套膨胀管将传感器上下U型螺孔固定在可能发生碰撞的桥墩墩柱，安装位置如图4所示，船撞传感器可靠近梁体安装，也可安装在桥梁腹板或梁底位置，易于后期维护。相机/摄像头与传感器有线连接，通讯电缆给摄像头提供电源及数据通讯。标配通讯电缆3米，建议摄像头就近安装在传感器附近，该桥墩与河面视线范围可视，确保系统通讯连接正常；
S2：安装完成后，默认为“哨兵”值守模式，正常情况下处于休眠状态，振动数据24H实时监听，一天上传一次数据作为心跳以确认系统的正常运行状态；
S3：监测到桥墩振动数据发生异常，实时将设备唤醒，振动传感器将振动数据传输至微处理器，微处理器触发相机/摄像头抓拍，当判断发生船撞事件时，报警器进行报警，同时向数据中心(安全监测应用平台)传递报警信息告知出现船撞事件，并将现场撞击具体情况传输到数据中心；
S4：在PC端或手机app上进行数据显示。
下面对船撞报警感知设备及其应用平台的主要软硬件内容和工作模式进行详细描述。
1、设备各功能模块的集成：采用功能强大的可编程处理器(微处理器)，内部软件控制设备唤醒、数据采集、启动通讯模块、数据存储上传、休眠等一系列动作；可将设备基本信息(设备唯一识别码、设备类型、设备通讯信号质量、设备剩余电量、三轴振动数据、数据采集时间)通过通讯模块发送至数据中心，实现传感器数据从采集到存储、展示的自动化远程交互，安全监测应用平台的数据传输示意图如图3所示。
2、采用“哨兵”值守模式，振动数据实时感知，正常的行人、车辆、船只通行产生的振动数据通过机器学习自动过滤，每天0点整向数据中心发出一条包含设备基本信息的完整数据；撞击发生时，系统迅速做出反应，例如：0.5s内报警器响；1s内启动摄像头抓拍；20s内上传报警通知；10min内上传现场照片。
3、设备供电优选采用不可充电锂电池，该类型电池无频繁充放电过程，自放电较小，电池自身寿命可达10年，因此可满足设备在野外的长期供电。
4、摄像头与振动传感器有线连接，电缆长为3米，摄像头安装于振动传感器附近，振动传感器常安装在桥墩墩顶，摄像头可就近安装于主梁底板，需保证摄像头(枪机)能拍摄到桥墩区域。
设备提供两个机械接口：摄像头监控接口、开关及LED(发光二极管)一体按键接口。
(1)摄像头监控接口：使用16mm航空插头，连接稳定可靠。1、3孔为摄像头供电电源、2、4孔为数据通讯接口。现场实施时将航空插头对插即可完成设备接线。
(2)开关及LED(发光二极管)一体按键接口：实现设备开机上电操作，LED指示设备工作状态，例如：2S慢闪：设备启动；1S慢闪：采集数据；0.5S快闪：寻找通讯连接；常亮：平台通讯。
如图3所示，安全监测平台包括上述船撞报警感知设备，此外还可以包括车撞报警感知设备、应力/应变及温度传感器、裂缝观测设备、梁体偏位感知设备、动挠度检测设备中的一种或多种设备，通过获取桥梁多维物理参数，综合评估桥梁性能。
以上实施例仅针对船撞进行了介绍，但本发明同样适用于车撞感知和预警，仅需对传感器、摄像头的安装位置，以及振动基准值进行适应性地调整。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，包括：
振动传感器，用于感知XYZ三轴振动数据；
摄像头，用于抓拍船舶图像；
微处理器，分别和振动传感器、摄像头、报警器电性连接；所述微处理器接收振动信号，并根据振动信号调用摄像头联动抓拍，当振动信号异常同时摄像头抓拍到船撞图像时认定为船舶撞击事件；所述振动信号异常是指振动信号高于振动基准值；当振动信号大于原始振动基准值同时又未发生船舶撞击事件时，将该振动信号作为新基准值，并不断迭代，直至达到船舶撞击事件判断的临界值；
报警器，和微处理器电性连接，发生船舶撞击事件时进行实时报警；
通讯模块，和微处理器电性连接，
电源模块，用于设备供电。
2.根据权利要求1所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，所述微处理器使用边缘提取算法，首先对摄像头拍摄的图像进行灰度化处理，利用sobel算子提取图像中目标的水平和垂直边缘和总体边缘；
sobel算子水平变化为：
sobel算子垂直变化为：
总体变化为：
其中，I为拍摄图像灰度化后整张图像的像素值；
根据轮廓大小和位置判断是否发生船撞。
3.根据权利要求1所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，所述通讯模块为NB-IoT。
4.根据权利要求1所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，所述电源模块采用220V交流电供电。
5.根据权利要求4所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，所述电源模块内置不可充电锂电池。
6.根据权利要求1所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，所述振动传感器、可编程处理芯片、通讯模块、电源模块集成于主控电路板中。
7.根据权利要求1所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，所述振动传感器靠近梁体安装，或安装于桥梁腹板或梁底位置。
8.根据权利要求1所述的桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，和PC端或手机端通讯连接。
9.一种安全监测应用平台，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的桥梁船撞报警感知设备。
10.根据权利要求9所述的安全监测应用平台，其特征在于，还包括车撞报警感知设备、应力/应变及温度传感器、裂缝观测设备、梁体偏位感知设备、动挠度检测设备中的至少一种。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117470116A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 欧梯恩智能科技(苏州)有限公司 | 桥梁碰撞监测系统及方法 |
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2023
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Cited By (2)
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| CN117470116A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-01-30 | 欧梯恩智能科技(苏州)有限公司 | 桥梁碰撞监测系统及方法 |
| CN117470116B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-03-08 | 欧梯恩智能科技(苏州)有限公司 | 桥梁碰撞监测系统及方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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