基于激光扫描的桥梁防撞监测装置的制作方法

本实用新型涉及一种桥梁防撞技术领域，特别是涉及一种基于激光扫描的桥梁防撞监测装置。

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，随之而来的是船舶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。

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、在桥梁上安装被动防撞装置

当船舶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，从而减轻船舶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舶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、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，可尽量避免船舶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。

目前在桥梁防撞监测系统多数是以激光对射方式，其原理是将激光发射和激光接受装置分别安装在桥梁前方的两侧岸上，形成激光对射光路。当船只超高时，会切断激光对射光路，从而触发报警。此方法原理简单，但是当激光对射光路中存在飞鸟、空中漂浮物等障碍物时，则监测系统会产生误报。尽管在实际应用中，通过增加激光对射数量进行联合评判等在一定程度上可以减少误报，但是激光对射光路的稳定性受外界影响因素较多，因此，激光对射方式的主动预警方式应用局限较大。

现有技术中公开了一种桥梁防撞检测方法，其采用多台红外热成像仪形成交会摄影测量系统，来获取船舶的速度、航向、高度等信息，从而发现需要预警的船舶，该桥梁防撞检测方法需要采用图像处理技术，其检测效果直接依赖于成像质量，而成像质量受外界天气、阳光等影响都很大，因此该检测方法的可靠性较低。；

还公开了一种桥梁防撞预警系统，通过激光扫描测距仪获取的船高数据和水位传感器获取的水位高度数据来进行比较，以判断船只是否可以在桥梁下方航行；该桥梁防撞预警系统仅根据激光扫描测距仪获取的船高数据是无法对船只是否超高进行预警的，必须结合水位传感器进行预警，一旦水位传感器发生故障，该桥梁防撞预警系统将无法工作，降低了系统的可靠性。

综上，现有技术中存在的技术问题是：

1.采用激光对射会对光路中存在的障碍物产生误报且应用局限较大；

2.采用图像处理技术依赖天气等条件或利用水位传感器并结合激光扫描测距仪的桥梁防撞预警系统的可靠性较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种减少监测误报情况且可靠性较高的基于激光扫描的桥梁防撞监测装置。

本实用新型的技术方案是：

一种基于激光扫描的桥梁防撞监测装置，包括激光扫描传感器、视频监控设备、主机和报警器；

所述激光扫描传感器设置于桥梁梁体或桥墩上，用于获取目标的基础信息，并将所述基础信息传输至所述主机；其中所述基础信息包括超高标记和轮廓特征；

所述主机根据超高标记判断所述目标是否超高，根据所述轮廓特征判断所述目标是否为船只；

其中，当判断目标超高且为船只时，所述主机控制视频监控设备对该船只进行录像或拍照，并且所述主机控制报警器发出预警或报警信号。

进一步的，所述主机首先根据所述超高标记的值判断所述目标是否超高，并且仅当判断所述目标超高时再根据所述轮廓特征判断所述目标是否为船只。

进一步的，所述激光扫描传感器通过发射扫描激光平面以形成布防区域，所述布防区域设置在略低于桥梁梁体底面位置处，以检测所述目标的顶部是否超过所述激光扫描平面，若所述目标的顶部超过所述激光扫描平面则设定超高标记为1，若所述船只的顶部不超过所述激光扫描平面时则设定超高标记为0，所述主机根据所述超高标记的值直接确定该船只是否超高。

进一步的，所述激光扫描传感器形成的布防区域包括桥梁、河流上游和/或河流下游方向的预定空间范围。

进一步的，所述激光扫描传感器包括一个或多个传感器，用于沿桥梁长度方向覆盖所需监测范围。

进一步的，所述目标的基础信息还包括所述目标的速度和位置信息。

进一步的，所述主机根据所述目标与桥梁的相对距离将所述布防区域设置为预警区和报警区，所述预警区用于在撞桥事故发生前识别超高船只并向船只操作人员示警；所述报警区用于识别发生的超高船只撞桥事故并向桥梁管理部门报警。

进一步的，所述报警器包括预警单元和报警单元，所述预警单元用于向船只操作人员提供预警信息，所述报警单元用于向桥梁管理人员提供报警信息。

进一步的，当所述主机监测到船只进入所述预警区且船只高度超限时，所述主机启动预警模式，控制报警器向船只发出预警信号；当所述主机监测到所述船只进入所述报警区发生撞击桥梁事故时，向桥梁管理部门发出报警信号。

进一步的，当启动预警模式时，所述主机根据目标的位置信息控制视频监控设备对船只进行跟踪录像或拍照；以及当船只离开布防区域时，所述主机控制视频监控设备停止录像或拍照。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过激光扫描传感器扫描目标的基础信息，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。

(2)本实用新型只需采用激光扫描传感器即可检测船只是否超高，以识别船只是否有撞击梁体风险，检测方法较为简单且可靠性较高；另外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检测的信息更为准确。

(3)本实用新型在识别出船只有撞桥风险但撞桥事故尚未发生时，报警器提醒船只操作人员，尽量避免撞桥事故；在无法避免撞桥事故时，该报警器会通知桥梁管理人员，因此本实用新型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

图1为本实用新型的一种基于激光扫描的桥梁防撞监测装置的一个实施例的结构框图；

图2为本实用新型的激光扫描传感器的一个实施例的激光扫描示意图；

图3是本实用新型的船只与激光扫描传感器的相对位置的一个实施例的示意图；

图4是本实用新型的主机计算船只的位置信息的一个实施例的坐标示意图；

图5是本实用新型的一个实施例的激光扫描传感器的双边监测船只超高的示意图；

图6是本实用新型的另一个实施例的激光扫描传感器的单边监测船只超高的示意图；

图7是本实用新型的一个实施例的自动升降装置的结构框图；

图8是本实用新型的一个实施例的自动升降装置的应用示意图。

其中，110为激光扫描传感器，120为附加激光扫描传感器；

200为视频监控设备；300为报警器；400为主机；

500为自动升降装置；510为液位传感器，520为检测平台，530为驱动装置，531为牵引电机，532为牵引钢丝绳，540为滑道，541为轨道。

具体实施方式

下面结合附图所示的各实施方式对本实用新型进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本实用新型的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本实用新型的保护范围之内。

图1为本实用新型的一种基于激光扫描的桥梁防撞监测装置的一个实施例的结构框图；参见图1，

一种基于激光扫描的桥梁防撞监测装置，包括激光扫描传感器110、视频监控设备200、报警器300和主机400；

所述激光扫描传感器110设置于桥梁梁体或桥墩上，用于获取目标的基础信息，并将所述基础信息传输至所述主机400；其中所述基础信息包括超高标记和轮廓特征；

所述主机400根据所述超高标记判断所述目标是否超高，根据所述轮廓特征判断所述目标是否为船只；

其中，当判断目标超高且为船只时，所述主机控制视频监控设备200对该船只进行录像或拍照，并且所述主机400控制报警器300发出预警或报警信号。

优选的，所述报警器300包括预警单元和报警单元，所述预警单元用于向船只操作人员提供预警信息，所述报警单元用于向桥梁管理人员提供报警信息。

下面将具体描述该桥梁防撞监测装置，在本实施例中，可以将激光扫描传感器110安装于桥梁底面或桥墩上，将视频监控设备200、报警器300和主机400安装于桥梁上；其中激光扫描传感器110、视频监控设备200、报警器300分别与主机400连接。

(一)激光扫描传感器监测船只是否超高

图2是为本实用新型的激光扫描传感器的一个实施例的激光扫描示意图，参见图1和图2，具体的，激光扫描传感器110通过发射扫描激光形成扇形激光扫描平面，根据该扇形激光扫描平面设置布防区域(见图2的矩形B)，所述布防区域设置在略低于桥梁梁体底面位置处，激光扫描传感器110将扫描到的目标的基础信息(本实施例中的目标可能是船只，也可能是飞鸟、漂浮物等异物)传输给主机400，其中所述基础信息包括超高标记和轮廓特征；所述主机400可首先根据所述超高标记的值判断所述目标是否超高，并且仅当判断所述目标超高时再根据所述轮廓特征判断所述目标是否为船只，以减少报警器的误报。

主机400根据所述目标与桥梁的相对距离可将所述布防区域设置为预警区和报警区，所述预警区用于在撞桥事故发生前识别超高船只并向船只操作人员示警；所述报警区用于识别已发生的超高船只撞桥事故并向桥梁管理部门报警。

具体的，激光扫描传感器110在检测到所述目标进入所述预警区时，首先，激光扫描传感器110检测目标的顶部是否超过所述激光扫描平面，若所述目标的顶部超过所述激光扫描平面则设定超高标记为1，若所述目标的顶部不超过所述激光扫描平面时则设定超高标记为0，所述主机400根据所述超高标记的值直接确定该目标是否超高；

然后，主机400根据目标的轮廓特征判断目标是否为船只还是飞鸟、漂浮物等异物，以减少了报警器300的误报；其中，所述轮廓特征包括目标的宽度、高度等；进一步的，主机400还可以结合目标的速度来判断所述目标是否为船只；

最后，当主机400识别出目标超高且为船只时，说明船只存在撞击梁体等风险，主机400则启动预警模式向视频监控设备200发出指令，该视频监控设备200包括摄像头和存储单元等，主机400计算船只的位置信息并控制摄像头转向船只所在的位置，摄像头则根据船只的位置信息追踪船只航迹，并进行录像或拍照等，而当船只离开布防区域时，所述主机400控制摄像头停止录像或拍照；另外所述主机400控制报警器300的预警单元发出预警信号并向船只操作人员提供预警提示，所述主机400集成处理相关数据信息且向用户展示。

当主机400识别出目标为船只时，若船只超高撞击桥梁的风险未能及时消除(即实际已经发生撞桥事故)，则主机400监测到所述船只进入报警区发生撞击桥梁事故时并向桥梁管理部门发出报警信号，报警器300的报警单元进行报警，提醒桥梁管理人员及时采取措施以避免发生二次事故。

可以理解的是，所述报警器300可以采用声、光、电等一种或多种方式进行报警，在此不做限制。

图3是本实用新型的船只与激光扫描传感器的相对位置的一个实施例的示意图，参见图2和3，上述船只的位置信息可以通过以下方式获取：当船只进入布防区域(见图2的矩形B)时，激光扫描传感器110发射的激光接触到船体并返回至该激光扫描传感器110，此时激光扫描传感器110可获取船只相对于激光扫描传感器110的距离L和角度α(即船只在激光扫描传感器110坐标系中的角度)，该坐标系以激光扫描传感器110为原点O'，以激光扫描传感器110扫描激光平面的正前方向为Y'轴，以垂直于Y'轴的方向为X'轴，如图3所示。根据所述距离L和角度α得到船只在激光扫描传感器110坐标系中的坐标值(x',y')：

x'＝L*cosα (1)

y'＝L*sinα (2)

图4为本实用新型的主机计算船只的位置信息的一个实施例的坐标示意图，具体的，主机400解算船只的位置信息是参照桥梁坐标系，即以桥梁监测区段的中点为原点O，以桥梁长度方向为X轴，垂直于桥梁的方向(即水流方向)为Y轴，建立坐标系，参见图4，检测到的船只的位置信息(x，y)可以采用如下计算方法：

x＝(x'-x_center)*cosθ+(y'-y_center)*sinθ (3)

y＝(y'-y_center)*cosθ-(x'-x_center)*sinθ (4)

其中，(x，y)是船只在桥梁坐标系中的坐标值；(x',y')是船只在激光扫描传感器110坐标系中的坐标值；

(x_center，y_center)为激光扫描传感器110的中心点在桥梁坐标系下的坐标值；

θ是激光扫描传感器110的坐标轴相对于桥梁坐标系的旋转角度，即图4中桥梁坐标系的X轴和激光扫描传感器110坐标系的X'轴之间的夹角。

综上所述，本实施中仅通过激光扫描传感器110预先设置好的布防区域即可判断船只是否超高，不需要结合水位传感器检测的水位高度信息来监测船只是否超高，因此本实施例中的桥梁防撞监测装置监测方法和安装过程简单，且防止了由于水位传感器发生故障而整个桥梁防撞监测装置无法使用的情况，从而提高了桥梁防撞监测装置的可靠性。

(二)激光扫描传感器的布防方式

另外根据激光扫描传感器110的扫描量程和桥梁的长度，在识别船只是否超高时，激光扫描传感器110沿桥梁长度方向覆盖所需监测范围可采用不同的布防方式；

图5是本实用新型的一个实施例的激光扫描传感器的双边监测船只超高的示意图；对于小跨度桥梁，可以仅采用1个激光扫描传感器110即可对河流的上下游的船只同时进行检测；其中图5中的矩形C为布防区域，当船只进入该布防区域C时，报警器将进行报警。在另一个实施例中，也可以采用多个激光扫描传感器110分别对河流的上下游的船只进行检测，例如可用一个或多个激光扫描传感器110对河流的上游的船只进行检测，以及用一个或多个激光扫描传感器110对河流的下游的船只进行检测。

图6是本实用新型的另一个实施例的激光扫描传感器的单边监测船只超高的示意图；对于大跨度桥梁，可以采用如图6所示的多个激光扫描传感器器110组合的方式来设置布防区域，以对河流的下游进行监测，所述布防区域即图6中的矩形D；

相似的，在本实用新型的又一个实施例中，也可以采用多个激光扫描传感器器110组合的方式来设置布防区域，以对河流的上游进行监测，其布防方式同图6类似。

本实用新型的再一个实施例中，也可以仅采用1个激光扫描传感器110对河流的上游目标进行监测；

本实用新型的另一个实施例中，也可以仅采用1个激光扫描传感器110对河流的下游目标进行监测。

综上，所述激光扫描传感器110形成的布防区域包括桥梁、河流上游和/或河流下游方向的预定空间范围。

在本实用新型的一个优选实施例中，还可以在桥梁的桥墩上设置附加激光扫描传感器120以用于识别船只是否走错航道，是否存在撞击桥墩的风险。

具体的，将附加激光扫描传感器120设置于桥墩上以识别目标的位置信息；所述附加激光扫描传感器120、视频监控设备200、报警器300分别与主机400连接；

所述主机400用于接收附加激光扫描传感器120传输的所述目标的位置信息，并向所述视频监控设备200、报警器300发送指令；

所述视频监控设备200用于采集目标的图像数据，并将所述目标的图像数据传输至所述主机400；

主机400根据附加激光扫描传感器120发射的扫描激光所形成的检测平面来设置布防区域，判断船只是否侵入布防区域；当船只进入布防区域时，说明船只走错航道，存在撞击桥墩等风险，并向视频监控设备200、报警器300发出指令，该报警器300启动并向船只上的工作人员或桥梁管理部门进行预报警提示；并集成处理相关数据信息且向用户展示。

附加激光扫描传感器120识别目标是否为船只的过程以及附加激光扫描传感器120计算船只的位置信息同激光扫描传感器110的工作原理和过程相似，在此不再赘述。图7是本实用新型的一个实施例的自动升降装置的结构框图，图8是本实用新型的一个实施例的自动升降装置的应用示意图，参见图7和8，为了适应一年四季水位的高低变化，可以在桥梁防撞监测装置上设置自动升降装置500以使附加激光扫描传感器120跟随水位变化而上下浮动。

当水位上升时，附加激光扫描传感器120不能有效地检测船只的位置信息等，甚至附加激光扫描传感器120可能会被淹没在水中使该附加激光扫描传感器120损坏，不能正常检测船只信息；或者水位下降时，该附加激光扫描传感器120的高度与船只的高度不匹配，不能够有效识别船只的位置信息等，造成识别出的位置信息不准确。

具体的，可以在所述自动升降装置500上安装附加激光扫描传感器120，以使得附加激光扫描传感器120发射的激光扫描平面平行水面且距水面的距离保持为预设的高度(例如：可以预设附加激光扫描传感器120的激光扫描平面距离水面的距离为2m，在此不做限制)。

所述自动升降装置500包括液位传感器510、检测平台520和驱动装置530；优选的，所述驱动装置530包括牵引电机531和牵引钢丝绳532；

所述液位传感器510安装于所述检测平台520下方，用于检测水位的高度，并将检测到的水位数据传输至驱动装置530；

所述检测平台520安装于桥墩上，在所述检测平台520上安装有所述附加激光扫描传感器120；

所述驱动装置530与检测平台520固定连接，以驱动所述检测平台520在桥墩上可以上下移动。

优选的，所述自动升降装置500还包括滑道540和滑动装置(图中未示出)；所述滑道540固定安装于桥墩上，并在滑道540的上部安装有光滑平顺的轨道541；所述检测平台520通过滑动装置与所述滑道540相连；优选的，所述滑动装置可以为滑轮或滑块。

下面将具体描述所述自动升降装置500的工作过程，具体的，所述液位传感器510实时检测水位数据，并将检测到的水位数据传输至所述牵引电机531的相关配套控制装置(例如电机控制器)，牵引电机531的相关配套控制装置(例如电机控制器)根据水位数据向所述牵引电机531发送指令，所述牵引电机531通过牵引钢丝绳532牵引滑动装置移动，从而使检测平台520在轨道541上上下移动。

在本实施例中，所述驱动装置530可采用被动驱动方式；即当水位上升时，所述驱动装置530的浮力超过所述驱动装置530和所述检测平台520的重量以及所述滑动装置与所述滑道510之间的滑动阻力之和时，所述驱动装置530推动所述检测平台520上升；

当水位下降时，所述驱动装置530和所述检测平台520的重量大于所述驱动装置530的浮力以及所述滑动装置与所述滑道510之间的滑动阻力之和时，所述驱动装置530推动所述检测平台520下降；

优选的，在水面上还可设置有浮漂等，以助于更方便地识别水位上升或下降的情况。

通过设置上述自动升降装置500，能够自动升降来调整附加激光扫描传感器120的垂直位置，使得本实施例中的附加激光扫描传感器120能够跟随水位变化而自动上下浮动，能够适应各种气候条件或者其他因素导致的水位高低变化，而不会影响检测效果，仍然能够有效识别船只的位置信息。

与激光扫描传感器110布防方式类似，所述附加激光扫描传感器120根据其扫描量程和桥梁的长度也可采用以下不同的布防方式：

对于小跨度桥梁，可以采用1个附加激光扫描传感器120来对上下游的船只同时进行检测；

而对于大跨度桥梁，可以采用多个附加激光扫描传感器120组合方式来设置布防区域。

本实用新型的优点是：

(1)本实用新型通过激光扫描传感器扫描目标的基础信息，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。

(2)本实用新型只需采用激光扫描传感器即可检测船只是否超高，以识别船只是否有撞击梁体的风险，检测方法较为简单且可靠性较高；另外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检测的信息更为准确。

(3)本实用新型在识别出船只有撞桥风险但撞桥事故尚未发生时，报警器提醒船只操作人员，尽量避免撞桥事故；在无法避免撞桥事故时，该报警器会通知桥梁管理人员，因此本实用新型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。

(4)本实用新型中所有设备可全部安装于桥梁上，从而避免在岸边安装设备所导致的工程实施难度和复杂性。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实用新型实施例中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。