1.本发明涉及桥梁防护技术领域，尤其涉及一种桥梁防碰撞预警系统。
背景技术：2.对于内河航道的桥梁来说，存在着被过往船只碰撞的风险，这种风险对桥梁的结构安全会造成严重影响。目前，不存在自动化的桥梁防碰撞监控和预警系统，桥梁防碰撞主要由桥梁工作人员根据经验完成，由于人工方式对船只高度和航线判断的准确率不高，因此无法杜绝碰撞事件的发生，并且，这种方法难以提前获知船只高度等碰撞相关数据以进行预警。
技术实现要素：3.有鉴于此，本发明实施例提供一种集成传感器、自动控制、计算机等技术的桥梁自动化防碰撞预警系统，能够全天候监测桥梁附近船只的高度、航线等相关数据并在存在碰撞风险时进行告警和引导，从而有效防止桥梁碰撞事件的发生。
4.为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种桥梁防碰撞预警系统。
5.本发明实施例的桥梁防碰撞预警系统包括：超高检测单元、偏航检测单元、现场主控单元、水位监测单元和报警单元；所述超高检测单元基于在所述桥梁上游方向和下游方向安装的第一激光雷达以探测即将经过所述桥梁的船只是否超高，并在确定存在超高船只时将相应的超高检测结果向所述现场主控单元发送；其中，第一激光雷达发出平行于水面的激光束，通过判断船只是否触碰所述激光束来检测船只是否超高；所述偏航检测单元基于预先安装的第二激光雷达和摄像机以探测即将经过所述桥梁的船只是否发生偏航，并在确定存在偏航船只时将相应的偏航检测结果向所述现场主控单元发送；所述水位监测单元通过预先安装的水位传感器获取当前水位高度，根据获取到的当前水位高度和所述桥梁的设计高度确定当前实际通航净高数据，并将所述当前实际通航净高数据向所述现场主控单元发送；所述现场主控单元在接收到所述超高检测结果和/或所述偏航检测结果之后，控制所述报警单元发出报警信号；其中，所述报警信号包括以下至少一种：声信号、光信号、无线电信号、图像信号；所述现场主控单元将接收到的所述当前实际通航净高数据向即将经过所述桥梁的船只发送。
6.可选地，所述超高检测单元、所述偏航检测单元、所述现场主控单元、所述水位监测单元和所述报警单元属于所述桥梁防碰撞预警系统中的前端子系统；所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括云端子系统和用户端子系统；所述前端子系统将采集到的数据上传到所述云端子系统；所述云端子系统对所述前端子系统发送的数据进行存储和备份，并向所述用户端子系统提供现场数据；其中，所述现场数据包括以下至少一种：船只运行状态、桥梁地图信息、设备在线状态、所述桥梁的电子围栏信息、船只超高和偏航的预警监测信息和预警通知信息、违规船只取证信息、通航记录和超高偏航的统计信息。
7.可选地，所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括船只自动识别系统ais设备以及甚
高频vhf设备，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备与船只通信。
8.可选地，第一激光雷达包括安装在所述桥梁上游方向的两个激光雷达和安装在所述桥梁下游方向的两个激光雷达，第一激光雷达安装在所述桥梁的预设预警高度；在任一目标触碰到一个激光雷达发出的激光束时，所述超高检测单元向所述现场主控单元发送第一数据，所述现场主控单元处理第一数据并执行预设策略，以使所述用户端子系统的监控中心显示相应位置的实时画面，用户的移动终端接收到相应的视频链接；在任一目标依次触碰到两个激光雷达发出的激光束时，所述超高检测单元向所述现场主控单元发送所述超高检测结果，所述报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向相应船只发送超高报警信号，以防止船只碰撞桥面。
9.可选地，所述偏航检测单元在基于第二激光雷达检测到有船只进入到预设的预警区域后，向所述现场主控单元发送偏航检测结果；所述现场主控单元根据该偏航检测结果控制所述报警单元向所述用户端子系统报警并提供相应的视频信息；所述偏航检测单元在基于第二激光雷达检测到有船只进入到预设的报警区域后，向所述现场主控单元发送偏航检测结果；所述现场主控单元根据该偏航检测结果控制所述报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向相应船只发送偏航报警信号，以防止船只碰撞桥墩；其中，所述报警区域的重要级别高于所述预警区域。
10.可选地，所述现场主控单元将航道上的实体航标和航行控制点的位置数据封装为ais数据并通过所述ais设备向外发射，从而将所述实体航标和所述航行控制点模拟为ais航标，所述ais航标形成ais电子围栏；所述ais设备响应于检测到船只进入所述ais电子围栏，向所述现场主控单元发送偏航检测结果，所述现场主控单元根据该偏航检测结果控制所述报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向相应船只发送偏航报警信号，以避免船只碰撞桥墩。
11.可选地，所述现场主控单元通过所述ais设备获取船只的速度数据；所述现场主控单元在判断任一船只的速度超过预设的安全速度时，控制所述报警单元向该船只发送报警信号，通过所述vhf设备向该船只发送警告语音信号。
12.可选地，所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括视频监控单元；所述视频监控单元基于预先安装在通航孔和/或桥墩的上游方向和下游方向的摄像机捕获船只的视频信息并存储，以作为取证资料；并记录船只之间的对话录音作为事故调查数据。
13.可选地，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向船只发送管制信息、提示信息和/或水文气象信息。
14.可选地，所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括安装在航道的激光扫描仪，所述激光扫描仪用于获取船只的特征数据，所述特征数据包括以下至少一种：长度、宽度、高度、吃水情况、载重情况。
15.根据本发明的技术方案，上述发明中的实施例具有如下优点或有益效果：
16.通过超高检测单元中的第一激光雷达来自动检测船只是否超高，即，第一激光雷达发出平行于水面的激光束，通过判断船只是否触碰所述激光束来检测船只是否超高；使
用偏航检测单元中的第二激光雷达和摄像机来检测船只是否发生偏航而进入预警区域或报警区域；作为控制中枢的现场主控单元在接收到超高检测结果或偏航检测结果时，可以控制报警单元以声信号、光信号、无线电信号、图像信号等方式进行告警，并可以通过ais设备或vhf设备向相应船只传输报警信息，从而有效防止碰撞事件的发生。本发明实施例的桥梁防碰撞预警系统能够自动检测当前水位以计算当前实际通航净高并向船只发送，使船只提前判断是否存在碰撞的可能。此外，本发明实施例的桥梁防碰撞预警系统还能够将航道上的实体航标和航行控制点模拟为ais航标从而形成ais电子围栏，通过ais电子围栏实现偏航检测；并且，能够根据ais信息对船只进行超速检测，在发现超速时进行告警和防范；进一步地，能够使用视频监控单元采集全天候的船只相关视频以及记录船只之间的对话录音作为后续的取证资料，由此形成完整的桥梁碰撞监测、预警、引导和事故处理系统。
17.上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
18.附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
19.图1是本发明实施例中桥梁防碰撞预警系统的架构示意图；
20.图2是本发明实施例的监控视频示意图；
21.图3是本发明实施例的电子围栏示意图；
22.图4是本发明实施例的激光雷达立体效果示意图；
23.图5是本发明实施例的超高检测单元安装示意图；
24.图6是本发明实施例的超高检测单元工作状态示意图；
25.图7是本发明实施例的偏航检测单元安装示意图；
26.图8是本发明实施例的视频监控单元安装示意图；
27.图9是本发明实施例的水位传感器安装示意图；
28.图10是本发明实施例的船舶实时动态监控示意图；
29.图11是本发明实施例的船舶航行轨迹示意图；
30.图12是本发明实施例的视频取证示意图；
31.图13是本发明实施例的船舶类型分析示意图。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
33.需要指出的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。
34.图1是本发明实施例中桥梁防碰撞预警系统的架构示意图，如图1所示，本发明实施例的桥梁防碰撞预警系统可以包括：超高检测单元、偏航检测单元、现场主控单元、水位监测单元和报警单元。实际应用中，以上桥梁可以是内河桥梁。其中，超高检测单元用于船
只的超高检测，偏航检测单元用于船只的偏航检测，现场主控单元作为这些单元的控制中枢，水位监测单元用于水位检测，报警单元用于执行告警。
35.具体地，超高检测单元基于在桥梁上游方向和下游方向安装的第一激光雷达以探测即将经过桥梁的船只是否超高，并在确定存在超高船只时将相应的超高检测结果向现场主控单元发送。实际应用中，第一激光雷达发出平行于水面的激光束，通过判断船只是否触碰激光束来检测船只是否超高。
36.偏航检测单元基于预先安装的第二激光雷达和摄像机以探测即将经过桥梁的船只是否发生偏航，并在确定存在偏航船只时将相应的偏航检测结果向现场主控单元发送。可以理解，激光雷达和摄像机都能够对船只定位，判断船只是否进入预设的预警区域和报警区域进而判断船只是否偏航，以上预警区域和报警区域都是非航行区域，一般地，报警区域的优先级高于预警区域。
37.现场主控单元在接收到以上超高检测结果和/或以上偏航检测结果之后，控制报警单元发出报警信号，从而防止碰撞事件的发生。示例性地，以上报警信号包括以下至少一种：声信号、光信号、无线电信号、图像信号，也可以包括任意适用的其它类型的报警信号。
38.水位监测单元通过预先安装的水位传感器获取当前水位高度，根据获取到的当前水位高度和所述桥梁的设计高度确定当前实际通航净高数据，例如，将桥梁的设计高度减去当前水位高度得到当前实际通航净高数据，最后，水位监测单元将当前实际通航净高数据向现场主控单元发送，现场主控单元将接收到的当前实际通航净高数据向即将经过桥梁的船只发送，使船只提前防范碰撞风险。
39.在本发明实施例中，以上超高检测单元、偏航检测单元、现场主控单元、水位监测单元和报警单元属于桥梁防碰撞预警系统中的前端子系统，前端子系统是作用在桥梁一线的工作系统。桥梁防碰撞预警系统可以进一步包括云端子系统和用户端子系统，其中，云端子系统可以与前端子系统互为数据备份，前端子系统将采集到的数据上传到云端子系统之后，云端子系统对前端子系统发送的数据进行存储和备份，并可以向用户端子系统提供以下现场数据：船只运行状态、桥梁地图信息、设备在线状态、桥梁的电子围栏信息、船只超高和偏航的预警监测信息和预警通知信息、违规船只取证信息、通航记录和超高偏航的统计信息。用户可以在用户端子系统的页面或者软件客户端对各桥梁现场的船只航行、超高偏航预警等情况进行查看并实现相应功能。
40.作为一个优选方案，桥梁防碰撞预警系统可以进一步包括船只自动识别系统ais设备以及甚高频vhf设备，所述现场主控单元通过ais设备或所述vhf设备与船只通信。
41.较佳地，第一激光雷达可以包括安装在所述桥梁上游方向的两个激光雷达和安装在桥梁下游方向的两个激光雷达，以上第一激光雷达可以安装在桥梁的预设预警高度。通过两个激光雷达的交叉式检测方法能够提高超高检测的准确性。具体地，在任一目标触碰到一个激光雷达发出的激光束时，超高检测单元向现场主控单元发送第一数据，现场主控单元处理第一数据并执行预设策略，以使用户端子系统的监控中心显示相应位置的实时画面，用户的移动终端接收到相应的视频链接。在任一目标依次触碰到两个激光雷达发出的激光束时，超高检测单元向现场主控单元发送超高检测结果，报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，现场主控单元通过ais设备或vhf设备向相应船只发送超高报警信号，以防止船只碰撞桥面。
42.在一个可选的技术方案中，偏航检测单元在基于第二激光雷达检测到有船只进入到预设的预警区域后，向现场主控单元发送偏航检测结果；现场主控单元根据该偏航检测结果控制报警单元向用户端子系统报警并提供相应的视频信息。偏航检测单元在基于第二激光雷达检测到有船只进入到预设的报警区域后，向现场主控单元发送偏航检测结果；现场主控单元根据该偏航检测结果控制报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，现场主控单元通过ais设备或vhf设备向相应船只发送偏航报警信号，以防止船只碰撞桥墩。
43.在一个实施例中，现场主控单元将航道上的实体航标和航行控制点的位置数据封装为ais数据并通过ais设备向外发射，从而将实体航标和航行控制点模拟为ais航标，以上ais航标形成ais电子围栏以用于船只偏航检测。具体地，当ais设备检测到船只进入ais电子围栏之后，向现场主控单元发送偏航检测结果，现场主控单元根据该偏航检测结果控制报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，并且，现场主控单元通过ais设备或vhf设备向相应船只发送偏航报警信号，以避免船只碰撞桥墩。基于以上ais电子围栏的偏航检测方式能够进一步提高偏航检测的准确性。
44.特别地，在一个实施例中，现场主控单元可以通过ais设备获取船只的速度数据，以及，现场主控单元在判断任一船只的速度超过预设的安全速度时，控制报警单元向该船只发送报警信号，通过vhf设备向该船只发送警告语音信号。
45.具体应用中，桥梁防碰撞预警系统可以进一步包括视频监控单元，视频监控单元基于预先安装在通航孔和/或桥墩的上游方向和下游方向的摄像机捕获船只的视频信息并存储，以作为取证资料。视频监控单元还可以记录船只之间的对话录音作为事故调查数据。在一可选实现方式中，现场主控单元还可通过ais设备或vhf设备向船只发送管制信息、提示信息和/或水文气象信息，以使船只提前获知相关信息。
46.此外，在本发明实施例中，桥梁防碰撞预警系统可以进一步包括安装在航道的激光扫描仪，以上激光扫描仪用于获取船只的特征数据，这些特征数据包括以下至少一种：长度、宽度、高度、吃水情况、载重情况，从而为后续作业提供便利。
47.以下说明本发明的一个具体实施例。
48.桥梁防碰撞预警系统设计的主要功能有：船舶超高检测及报警功能、船舶偏航检测及报警功能、水位检测及实时净高预警功能、电子围栏及船舶偏航报警功能、桥区超速航行报警功能等，桥梁防碰撞预警系统的主要功能描述如下。
49.对于船舶超高检测及报警功能，系统在桥梁的上下游方向各安装激光雷达(即第一激光雷达)，安装的高度与桥梁设计标高底面以下的安全高度持平，对即将经过桥梁的船舶进行探测，如果检测到船舶超高，将通过ais、vhf、桥廓照明单元向船舶发出报警信号。
50.对于船舶偏航检测及报警功能，系统采用激光雷达、ais电子围栏、可见光摄像机等技术，对经过桥梁的船舶航迹进行跟踪，如果检测到船舶偏航，系统启动vhf、ais、桥廓照明等装置向偏航船舶发布预警信息。
51.对于水位监测及实时净高预警功能，系统根据实际水位高度、预设桥梁高度及施工吊装设备高度计算出实时通航净高，通过ais短信、无线对讲机语音等多种方法把实时通航净高告知船舶驾驶员。
52.对于超速报警功能，系统通过接收船舶的ais信号，采集到进入桥区所有船舶的速度数据，系统一旦发现船舶超过设定的安全速度，自动向船舶发出告警。
53.系统还具有视频监控、拍照与录像功能。具体地，系统能够进行普通视频监控，系统设置视频监控单元，7
×
24小时全天候监视桥区的工作状态，一旦发生船舶碰撞事故，视频监控资料作为一个重要的取证资料。系统具有视频监控及录像功能，系统将经过监测点的船舶资料如船舶名称、速度等信息叠加到监控视频信号，监控中心管理人员通过叠加的信息能对监控的内容更直观了解。系统具有进入(经过)监控点自动拍照及短视频功能。船舶进入桥区或经过监控点，系统自动对其进行拍摄照片以及短视频，作为船舶经过监控点的图像以及视频数据，在夜晚，自动开启补光灯进行拍照，对进入桥区的船舶起到警醒的作用。系统具有桥区vhf对讲语音录音功能，系统可以把桥梁区域内船舶之间的对话语音记录下来，需要时可以还原桥区的通航语音记录。系统的监控视频如图2所示。
54.系统进一步具有虚拟航标功能，具体地，系统根据需要可以把航道上的实体航标位置或航道上的航行控制点坐标封装成ais数据包向周围发射，把这些点模拟成ais航标，以便被过往船舶驾驶员发现。这些ais航标形成如图3所示的电子围栏。
55.系统具有管制信息自动发布功能，可通过vhf语音、ais短信方式自动向驶入桥区水域的船舶发布各种管制信息，如桥梁施工信息、封航信息等。
56.系统进一步具有船舶三维扫描功能，系统在航道设置激光扫描仪对过往航道的船舶进行三维外形扫描，以便了解船舶的特征数据，包括船舶的长度、宽度、高度、吃水、载重情况，为其它模块决策提供数据。
57.系统具有vhf播报功能。具体地，系统通过vhf语音以及ais短信息提醒进入桥区的船舶注意防碰撞，vhf提示语音以“叮咚”声开头，用来提醒船舶驾驶员的注意，vhf语音提示内容及提示次数可以在客户端修改设定。
58.系统还具有软件管理、数据查询及大数据统计功能，保存每次报警的时间、录像数据和过往船舶的数据，根据需要由管理人员随时调取这些数据进行查阅、统计、打印。
59.以下说明本实施例的桥梁防碰撞预警系统的原理。
60.桥梁跨越江面部分主要由桥墩及桥面组成，航道上航行的船舶对桥梁的安全风险因素主要有两个：1)碰撞桥墩，对应措施为防止船舶偏航；2)碰撞桥梁，对应措施为防止船舶超高。防碰撞预警基本原理主要根据以上情况，通过图像检测、雷达等技术手段，对桥梁下过往船舶进行防偏航和防超高的监测，从而提前预警及应对。
61.系统主要是利用激光雷达、ais、图像识别ai处理等技术对过往船舶的高度和航迹进行监控，通过对船舶形态分析、三维重构、吨位计算数据处理后，可向现场系统服务器或者监管中心相关人员报送观测数据。如发生违章超高及偏航事件，通过声、光等技术发出报警信号，同时通过无线电台、ais信息警告违章船舶，并且自动拍摄录像取证，对过往船舶进行安全提示和预警，以对大桥结构安全进行保护，对提高桥梁和航道的管理水平有积极意义。
62.基于大数据系统改进或新建航道监控系统，当重点船舶在监控点出现时，系统能显示船舶的各种数据以及预警信息，监控系统能让多部门参与进来监管航道以及桥梁安全，通过大数据系统分析过往辖区船舶的型号大小、航行轨迹规律、季节出行规律结合历史水文数据，可以给航道建设管理、桥梁安全分析、辖区新桥的规划设计提供历史参考数据。
63.以下说明本实施例的桥梁防碰撞预警系统的架构。
64.桥梁防碰撞预警系统由主控制器(即现场主控单元)、网络单元、偏航检测单元、超高检测单元、报警单元、视频监控单元等系统单元及对应的系统软件构成。采用的架构模式是现场系统(即前端子系统)
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云服务器(即云端子系统)
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用户(即用户端子系统)，即b/s模式，把现场系统采集的数据，通过光纤或4g信号上传到云服务器储存、查询、备份、处理，提供用户账号，方便用户可以在任何地点通过浏览器访问现场系统的数据，观测现场的船舶运行状态、桥梁地图信息、设备在线状态等参数信息。通常情况下，现场系统的数据存储工作由现场的服务器承担，云平台承担数据的备份，当云平台或网络故障时，现场系统能独立控制现场设备工作并储存数据，当网络故障解除，能自动与云平台同步。如果现场系统故障，云平台能检测到故障信息并通知相关部门进行处理。云平台及现场服务器组成双备份控制系统，无论云平台系统还是现场服务器中的任何一个损坏，都不会影响系统的正常使用及数据安全。
65.前端子系统主要有偏航检测单元、超高检测单元、视频监控单元、报警单元等，传输部分有光纤或4g信号，中心系统包括云平台和后台管理系统等。偏航检测主要由激光雷达结合摄像机图像ai处理对江面进行实时监控，激光雷达呈现的是船舶的三维形态立体成像，在雷达软件绘制偏航区域对进入预警区域的船只进行实时后台报警并可通过可见光查看报警联动的视频信息，对进入二级或者一级报警区域的船只可联动报警设备及高音喇叭喊话，提醒船只进入规定航道。
66.系统通过建设专用传输网络或者4g信号保障视频、报警信息传递的实时性和可靠性。后台中心可以通过大屏系统或者客户端软件，实时了解并处理外场入侵报警信息。中心系统包括桥梁防撞预警管理平台及云存储系统，实现“报警—视频监控”智能联动。
67.本实施例的桥梁防碰撞预警系统具有以下特点：
68.(1)船舶向主航道行驶进入1000米范围内，如果船舶整体未在主航道内，则触发报警装置。系统实时监控大桥通行船只的动态位移，保证船舶正常通航的同时不与桥墩发生碰撞。
69.(2)激光雷达能够侦测船只运行轨迹，当有偏离航道的船只行驶到桥梁500米内，系统自动发出声光预警警告信号和屏幕提醒，系统管理平台会自动弹出警告信息，使用短信发送给相关管理人员。
70.(3)系统适应各种天气条件，全天候无障碍、无间断动态监控。
71.(4)满足24小时不间断监控，具有监控回放功能，录像可存储一个月，能够自动抓拍预警图片。
72.(5)具有船舶模式自学习功能，对航道内的船舶可进行自动归类，并能预测出船的运动轨迹和行进速度。
73.(6)发生预警后不仅能够采用声音和视频弹出窗口的方式及时通知监控人员，也能够采用声、光、通讯等方式与船舶进行沟通、报警、导航。声、光、通讯系统可以根据预警级别的不同采取相应动作以引导船舶从桥洞内通过。
74.以上现场主控单元由船舶信息收发器、ais、vhf天线、工控主机等构成，主要作用是对经过现场的船舶信息进行收集、分析。
75.以上超高检测单元是在桥梁上下游的预警高度安放激光检测仪对航道的预警高
度平面进行远距检测，根据返回测量的数据判断是否有超高物体，这种检测方法优点是安装简便，不容易受天气等外界的影响，同时激光交叉式测量成本低、设备整体稳定性高。
76.系统对待检测的船只进行智能识别之后发送信号给两个第一激光雷达(即图4中的a和b)，第一激光雷达收到信号后，发射与江面平行的激光束。设置两束激光的目的是防止误报，譬如鸟类或者其它物体偶然触碰激光，两束水平射出的激光分别与桥梁形成一定夹角，如果船舶超高，则在船舶行进过程中，必然会依次触碰两束激光。当船舶接触到a发射的激光，监控中心弹出告警桥梁的实时画面，管理人员手机接收到告警桥梁的视频链接。当船舶接触到b发射的激光，系统已经完全确定该船舶为超高船舶，前端桥梁上的告警设备开始工作，高音定向喇叭对船舶进行语音告警，led显示屏进行图像告警。图5是本发明实施例的超高检测单元安装示意图，如图5所示，激光感应器(即第一激光雷达)可以安装在桥梁上下游通航孔的不同位置，一般安装在支架下方。
77.图6是本发明实施例的超高检测单元工作状态示意图，参见图6，可以在桥梁上、下游均安装超高监测系统，实时监测过往船舶通航高度，对进入辐射区的超高船舶发出危险警报，可以在监控中心增加led信号灯对超高情况发出警示，可以将预警信号传输至监控台，并精确定位船舶所在位置，同步计算船舶航向、航速等信息。图6中的固定式激光反射检测器即第一激光雷达。
78.对于偏航检测来说，现阶段主要的技术手段是ais船舶位置识别和可见光图像识别。ais船舶位置识别可识别船舶经纬度、船速、船向等信息，具有检测距离远，不受天气影响等优点，但ais信息延时较高，且需船舶开启ais设备时才能检测到相关信息；可见光图像识别受夜晚和雨雾天气的影响较大，识别度差。
79.与现有的技术手段对比，本实施例采用的激光雷达呈现的是立体感，而可见光、热成像等所呈现的是平面。在精度方面，由于激光传感器的指向性好，分辨率高，可以获得毫米级的船舶三维数据，不受昼夜、光照、气候等观测环境因素的影响，可实现7*24小时全自动无间断连续观测。
80.为保护大桥，可以在大桥上下游方向各布设2台雷达偏航检测仪(即第二激光雷达)，安装示意图如图7，具体安装点视实际情况而定。
81.相关设备的清单如下表：
82.[0083][0084]
视频监控单元主要由上下游通航监控摄像机、通航孔桥墩摄像机、vhf接收器、硬盘录像机以及网络线路组成，可7
×
24小时全天候监视桥梁附近航道的交通状况，实时发现危及桥梁安全的航道违法违规行为，也可以接受主控装置(即现场主控单元)的控制，对监控内容进行抓拍录像。桥区一旦发生船舶碰撞事故，视频监控数据可以作为一个重要的取证资料。
[0085]
视频监控单元的主要功能有：
[0086]
1、桥区船舶vhf对话录音
[0087]
实时记录桥区船舶之间的通话情况，发生事故时桥区对话录音可以作为事故调查数据。
[0088]
2、桥区通航情况远程监控及录像
[0089]7×
24小时全天候监视桥梁附近航道的交通状况及录像，管理者也可以远程观看桥区水域通航情况以及桥面的交通情况。
[0090]
3、船舶偏航监控及录像
[0091]
利用摄像机的智能检测功能，检测船舶偏离航道的情况并进行报警录像。
[0092]
4、通航孔及引桥防撞监控及录像
[0093]
利用相应摄像机的智能检测功能，检测船舶偏离航道并进行报警录像。
[0094]
5、桥墩桥台防撞监控及录像
[0095]
利用相应摄像机的智能检测功能，检测靠近桥墩的船舶并进行报警录像。
[0096]
图8是本发明实施例的视频监控单元安装示意图，参见图8，为监视桥梁附近航道的交通及通航状况，需要在桥梁上下游方向各布设1台8寸黑光球机、4台4寸球机，具体安装点视实际情况而定。
[0097]
对于报警单元，系统设置该单元的作用在于：在有违章船舶在河道上行驶，即船舶偏离航道的情况下，系统除了通过高频vhf语音告知违章船舶以及短信通知外，还可以通过声光报警的形式警示违章船舶，即使用高音电笛、高亮led爆闪灯等。报警单元主要有声光报警控制器、高亮度led爆闪灯、船用电笛及其它配件，能够提醒进入桥区的船舶注意防碰撞，可开启对准航道并符合船舶驾驶规定的避碰灯号以警示偏航的船舶，可基于船用电笛开启符合船舶驾驶规定的避碰声号以警示偏航的船舶。报警单元的安装位置是在通航孔边缘上方的桥面处，可通过光纤或网线与其它单元通信。
[0098]
系统设置水位监测单元的作用是采集当前水位高度，并根据桥梁的设计高度计算出桥梁的当前实际通航净高并告知通过桥梁的船舶，提示其注意安全，水位监测单元主要包括水位传输变送器、水位传感器、水位传感器安装支架、传输电缆等。系统可以选取超声波水位传感器作为采集元件，这种传感器有安装简单、不受环境影响等优点。超声波水位传感器的安装位置是在一侧通航孔边缘上方的桥面处，可通过光纤或网线与其它单元进行通信。超声波水位传感器的安装方式参见图9。超声波水位传感器的设备清单如下：
[0099][0100][0101]
对于系统的网络传输构建，前端监控点的局域网络传输采用rj45网线结合光纤传输模式，可将前端采集点的视频信号直接传输到前端设备箱内的网络硬盘录像机内储存，前端网络硬盘录像机内的储存数据可以通过视频监控4g网直接传输至服务器。
[0102]
以下说明本实施例的服务器系统设计。
[0103]
服务器系统由服务器硬件、服务器软件组成，可以租用云空间建设专用服务器，云服务器由系统承建单位团队建设以及管理。
[0104]
该软件系统为智慧航道大数据收集、分析软件，主要功能是为航道管理单位远程访问航道大数据提供服务，软件系统采用c#开发，采用b/s架构开发和分布式redis缓存技术，让系统支持大量并发，web端能适应从ie7到ie11以及firefox、chrome等常用的浏览器，同时支持移动端查看、提供gis数据资源地图、对区域内航道所有监测点位的实时数据进行查询分析等服务。
[0105]
系统能够接收前端设备上传的各种数据，进行分折处理，保存监测数据、告警等信息至监控中心数据库中，用于监测、分析、处理。
[0106]
服务器软件具有以下功能模块：
[0107]
(1)ais接口模块
[0108]
ais接口模块负责将ais硬件收集回来的船舶信息(速度、航向、坐标等)进行过滤、录入到数据库，同时具有给指定船舶发送ais信息的功能。
[0109]
(2)助航预警模块
[0110]
助航预警模块主要负责对进入检测范围的船舶播报vhf语音和ais等内容，提醒船主注意航行，通过ais获取船名信息，可以对每个监控点的预警内容进行单独设置。
[0111]
(3)超速事件模块
[0112]
对ais硬件收集回来的船舶信息(速度、航向、坐标等)进行分析比对，确定船舶是否超速，并且录入到数据库，同时具有给指定船舶发送vhf警告语音的功能。
[0113]
(4)水文气象信息自动发布模块
[0114]
由现场主控单元根据系统采集或者录入的信息，对过往船舶自动进行vhf语音播报。
[0115]
(5)检测设备在线模块
[0116]
实时监测各设备是否在线，如果离线马上通过邮寄方式通知维护单位进行处理。
[0117]
(6)用户登录模块
[0118]
(7)用户管理模块
[0119]
(8)内网服务器软件接口
[0120]
系统的硬件总服务器架设在业主单位的内网，每个点支持扩容接入服务。
[0121]
以下说明云平台管理系统的构成。
[0122]
通过云平台管理平台，可以通过计算机对整个平台的运行进行参数设置和运行管理，包括前台管理部分与后台管理部分：
[0123]
1、前台程序包括：船舶地图浏览模块、ais浏览模块、设备信息浏览模块、发布信息浏览模块、图像图片信息浏览模块、水位信息浏览模块。
[0124]
2、后台程序包括：
[0125]
(1)桥梁管理模块(包括以下子模块：1.添加桥梁2.桥梁管理)
[0126]
(2)设备管理模块(包含子模块：1.添加设备2.设备管理)
[0127]
(3)设备事件模块(包含子模块：1.ais预警信息管理2.mcu预警信息管理3.dau预警信息管理4.acu预警信息管理5.设备连接信息管理)
[0128]
(4)船舶档案模块(包含子模块：1.添加船舶2.船舶管理)
[0129]
(5)用户管理模块(包含子模块：1.添加用户2.用户管理3.功能模块管理)
[0130]
(6)系统日志模块(包含子模块：1.登陆日志管理2.操作日志管理)
[0131]
(7)系统设置模块(包含子模块：提醒信息管理)
[0132]
3、设备通讯信息管理
[0133]
4、船舶管理
[0134]
5、桥梁地图查看
[0135]
6、桥梁附近船舶
[0136]
7、水道虚拟航标
[0137]
8、桥梁视频录像
[0138]
9、水位净高监测
[0139]
10、预警信息查询。
[0140]
11、平台接口兼容海事、路桥等管理部门监管系统。
[0141]
以下说明云平台管理系统功能。
[0142]
用户界面子系统是桥梁管理和维护人员了解、查询桥梁预警信息的交互式平台，方便对大桥各种船舶同行情况和发生的事故进行详细查看和处理。此外，桥梁管理人员、业主、专家和政府监管部分等其他人员在不同时间、地点都能查阅到大桥的相关预警信息。
[0143]
本实施例的桥梁防碰撞预警系统的后台服务器软件分为两个部分设计：(1)用户服务程序(主要针对普通用户设计)、(2)系统管理程序(主要针对系统的管理人员设计)。首先说明用户服务程序。
[0144]
(1)登录系统
[0145]
输入用户名、密码、验证码登录系统；用户名、密码、验证码输入错误需要给出相应的提示；用户登录系统时需要记录登录信息。
[0146]
(2)桥梁信息列表设计
[0147]
(3)预警信息实时提示界面设计
[0148]
对预警信息进行实时提示，如果有新的预警信息，发出声音提醒和文字提醒。
[0149]
(4)电子地图浏览模块设计
[0150]
显示桥梁中心位置、上下游监控点位置、监控船舶范围、虚拟航标、电子围栏，将ais解码后的船舶中文名称、船号、位置、航向、航速、大小、船舶类型等信息实时显示在地图上，点击船舶显示该船舶的以上信息。菜单栏控制显示不同图层，要控制的图层有虚拟航标、在航和停航的船舶、电子围栏等。
[0151]
(5)船舶列表浏览模块设计
[0152]
系统对过往船舶进行记录，对过往桥区2公里内的船舶实时跟踪动态，将船舶中文名称、船号、位置、航向、航速、大小、船舶类型等信息录入数据库，以文字列表的形式提供用户浏览，需要区分上游和下游的船舶列表。
[0153]
(6)系统设备信息模块
[0154]
系统中主要的硬件设备信息记录在数据库中，并且实时更新数据库中的设备状态，用户可以实时查看设备运行状态，可以远程对现场的设备测试，可以查看设备运行事件。
[0155]
(7)图像信息浏览模块
[0156]
可以在管理客户端实现实时图像浏览，图像可以叠加监测点名称、时间、设备编号。
[0157]
(8)预警信息浏览模块
[0158]
查看所有的事件信息、设备连接上下线信息、设备发出的提示信息等。
[0159]
①
船舶助航信息查看
[0160]
②
超高报警信息查看
[0161]
③
超速报警信息查看
[0162]
④
偏航报警信息查看
[0163]
⑤
违规关闭ais报警信息查看
[0164]
⑥
设备连接上下线信息查看
[0165]
⑦
ais信息查看(发送到船舶ais设备的信息)
[0166]
⑧
主控模块mcu预警信息查询(mcu设备发出的信息)
[0167]
⑨
桥梁报警模块dau预警信息查询(dau设备发出的信息)
[0168]
⑩
施工报警模块acu预警信息查询(acu设备发出的信息)
[0169]
(9)水位信息浏览模块
[0170]
①
实时水位信息查询和历史水位记录。
[0171]
②
可按年/月/日条件查询，以图/表的形式直观地呈现水文信息以及报表打印、数据导出。
[0172]
(10)发布信息浏览模块
[0173]
①
助航信息设置
[0174]
②
偏航信息设置
[0175]
③
违规关闭ais信息设置
[0176]
④
gsm短信号码设置
[0177]
⑤
设备报警时间长度
[0178]
⑥
定时检测设备设置
[0179]
⑦
水位读取时间间隔设置
[0180]
⑧
虚拟航标设置
[0181]
⑩
电子围栏设置
[0182]
(11)数据统计浏览模块
[0183]
①
统计助航信息
[0184]
②
统计船舶的进出次数(按照日、月、年统计)
[0185]
③
统计偏航报警信息
[0186]
④
统计关闭ais报警信息
[0187]
以下说明软件系统的界面设计。
[0188]
(1)登录系统
[0189]
输入用户名、密码、验证码登录系统，用户名、密码、验证码输入错误需要给出相应的提示，用户登录系统时需要记录登录信息。
[0190]
(2)基础地图管理
[0191]
在地图上实现ais船舶实时动态监控，船舶实时动态监控参见图10。
[0192]
(3)桥梁基础信息管理
[0193]
桥梁以列表方式显示登陆用户所管辖的桥梁。
[0194]
(4)桥梁电子围栏管理
[0195]
绘制电子围栏，记录大桥警戒区信息，并对警戒区进行管理，可删除、定位警戒区，实现警戒区的添加。
[0196]
(5)桥梁船舶运行轨迹管理
[0197]
记录进入离开禁航区的船舶信息，提供记录查询，可查看某一时间段轨迹。图11是
本发明实施例的船舶航行轨迹示意图，船舶轨迹查询可参见图11。
[0198]
(6)设备及在线状态监测
[0199]
记录系统中主要硬件设备(如超高监测单元、报警单元、vhf设备、ais基站、雷达等)的运行信息，并实时更新设备状态，用户可实时查看设备运行状态。
[0200]
(7)船舶偏航预警监测分析
[0201]
当检测设备监测到船舶靠近桥梁而且偏离航道时，系统会自动识别并通过ais与vhf警告越界船舶，同时后台系统接收并记录船舶偏航信息。系统可以记录偏航预警信息，提供船舶定位，查看前后一小时轨迹，查看视频取证，查看其它详细信息。
[0202]
(8)电子围栏预警监测分析
[0203]
系统对进入离开电子围栏警戒区域的船舶进行判断并记录船舶信息，如果有船舶进入非通航地区，现场设备将会发出船舶偏航预警信息，进一步提高船舶航行安全。
[0204]
(9)违规船舶取证
[0205]
系统将船舶违章视频信息、抓拍的图像信息传输到后台数据库记录保存，供桥梁管理部门及海事部门调查取证使用，参见图12。系统还可以记录违规船舶穿越桥梁通航区前后1小时的历史轨迹，用户可调取查看历史轨迹进行取证。
[0206]
(10)预警通知管理
[0207]
当监测设备监测到超高及偏航船舶时，系统可进行vhf语音广播，系统还可接收并记录vhf消息，提供对vhf消息推送的管理操作，包括删除vhf消息推送记录等。
[0208]
(11)查询统计分析
[0209]
系统可统计分析不同桥隧、不同预报类型、不同船舶类型的船舶通航记录，分日、月、年进行统计，包括通航数量统计和通航船舶类型分析。对于通航数量统计，系统以表格形式展示各时间段的船舶通航数量，支持导出excel表格，提供通航船舶的信息，包括船舶名、mmsi、航速、航向、穿越时间等，以柱状图形式展示各时间段大桥船舶预报统计分析，支持导出图片。对于通航船舶类型分析，系统以饼状图形式展示船舶统计，支持导出图片。船舶类型分析可参见图13。
[0210]
(12)船舶偏航统计分析
[0211]
系统可统计分析不同桥梁、不同船舶类型的船舶偏航记录，按照日、月、年进行统计，包括通航数量统计和通航船舶类型分析。对于通航数量统计，系统以表格形式展示各时间段的船舶偏航数量，支持导出excel表格，提供偏航船舶的信息，包括船舶名、mmsi、呼叫消息、采集时间，以柱状图形式展示各时间段大桥船舶偏航统计分析，支持导出图片。对于通航船舶类型分析，系统以饼状图形式展示大桥航道偏航统计分析，大桥船舶类型偏航统计分析，支持导出图片。
[0212]
在本发明实施例的技术方案中，通过超高检测单元中的第一激光雷达来自动检测船只是否超高，即，第一激光雷达发出平行于水面的激光束，通过判断船只是否触碰所述激光束来检测船只是否超高；使用偏航检测单元中的第二激光雷达和摄像机来检测船只是否发生偏航而进入预警区域或报警区域；作为控制中枢的现场主控单元在接收到超高检测结果或偏航检测结果时，可以控制报警单元以声信号、光信号、无线电信号、图像信号等方式进行告警，并可以通过ais设备或vhf设备向相应船只传输报警信息，从而有效防止碰撞事件的发生。本发明实施例的桥梁防碰撞预警系统能够自动检测当前水位以计算当前实际通
航净高并向船只发送，使船只提前判断是否存在碰撞的可能。此外，本发明实施例的桥梁防碰撞预警系统还能够将航道上的实体航标和航行控制点模拟为ais航标从而形成ais电子围栏，通过ais电子围栏实现偏航检测；并且，能够根据ais信息对船只进行超速检测，在发现超速时进行告警和防范；进一步地，能够使用视频监控单元采集全天候的船只相关视频以及记录船只之间的对话录音作为后续的取证资料，由此形成完整的桥梁碰撞监测、预警、引导和事故处理系统。
[0213]
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
技术特征：1.一种桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，包括：超高检测单元、偏航检测单元、现场主控单元、水位监测单元和报警单元；所述超高检测单元基于在所述桥梁上游方向和下游方向安装的第一激光雷达以探测即将经过所述桥梁的船只是否超高，并在确定存在超高船只时将相应的超高检测结果向所述现场主控单元发送；其中，第一激光雷达发出平行于水面的激光束，通过判断船只是否触碰所述激光束来检测船只是否超高；所述偏航检测单元基于预先安装的第二激光雷达和摄像机以探测即将经过所述桥梁的船只是否发生偏航，并在确定存在偏航船只时将相应的偏航检测结果向所述现场主控单元发送；所述水位监测单元通过预先安装的水位传感器获取当前水位高度，根据获取到的当前水位高度和所述桥梁的设计高度确定当前实际通航净高数据，并将所述当前实际通航净高数据向所述现场主控单元发送；所述现场主控单元在接收到所述超高检测结果和/或所述偏航检测结果之后，控制所述报警单元发出报警信号；其中，所述报警信号包括以下至少一种：声信号、光信号、无线电信号、图像信号；所述现场主控单元将接收到的所述当前实际通航净高数据向即将经过所述桥梁的船只发送。2.根据权利要求1所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述超高检测单元、所述偏航检测单元、所述现场主控单元、所述水位监测单元和所述报警单元属于所述桥梁防碰撞预警系统中的前端子系统；所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括云端子系统和用户端子系统；所述前端子系统将采集到的数据上传到所述云端子系统；所述云端子系统对所述前端子系统发送的数据进行存储和备份，并向所述用户端子系统提供现场数据；其中，所述现场数据包括以下至少一种：船只运行状态、桥梁地图信息、设备在线状态、所述桥梁的电子围栏信息、船只超高和偏航的预警监测信息和预警通知信息、违规船只取证信息、通航记录和超高偏航的统计信息。3.根据权利要求2所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括船只自动识别系统ais设备以及甚高频vhf设备，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备与船只通信。4.根据权利要求3所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，第一激光雷达包括安装在所述桥梁上游方向的两个激光雷达和安装在所述桥梁下游方向的两个激光雷达，第一激光雷达安装在所述桥梁的预设预警高度；在任一目标触碰到一个激光雷达发出的激光束时，所述超高检测单元向所述现场主控单元发送第一数据，所述现场主控单元处理第一数据并执行预设策略，以使所述用户端子系统的监控中心显示相应位置的实时画面，用户的移动终端接收到相应的视频链接；在任一目标依次触碰到两个激光雷达发出的激光束时，所述超高检测单元向所述现场主控单元发送所述超高检测结果，所述报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向相应船只发送超高报警信号，以防止船只碰撞桥面。5.根据权利要求3所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述偏航检测单元在基于
第二激光雷达检测到有船只进入到预设的预警区域后，向所述现场主控单元发送偏航检测结果；所述现场主控单元根据该偏航检测结果控制所述报警单元向所述用户端子系统报警并提供相应的视频信息；所述偏航检测单元在基于第二激光雷达检测到有船只进入到预设的报警区域后，向所述现场主控单元发送偏航检测结果；所述现场主控单元根据该偏航检测结果控制所述报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向相应船只发送偏航报警信号，以防止船只碰撞桥墩；其中，所述报警区域的重要级别高于所述预警区域。6.根据权利要求3所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述现场主控单元将航道上的实体航标和航行控制点的位置数据封装为ais数据并通过所述ais设备向外发射，从而将所述实体航标和所述航行控制点模拟为ais航标，所述ais航标形成ais电子围栏；所述ais设备响应于检测到船只进入所述ais电子围栏，向所述现场主控单元发送偏航检测结果，所述现场主控单元根据该偏航检测结果控制所述报警单元使用发声设备进行语音告警、使用显示屏进行图像告警和/或使用发光设备进行光线告警，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向相应船只发送偏航报警信号，以避免船只碰撞桥墩。7.根据权利要求3所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述现场主控单元通过所述ais设备获取船只的速度数据；所述现场主控单元在判断任一船只的速度超过预设的安全速度时，控制所述报警单元向该船只发送报警信号，通过所述vhf设备向该船只发送警告语音信号。8.根据权利要求3所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括视频监控单元；所述视频监控单元基于预先安装在通航孔和/或桥墩的上游方向和下游方向的摄像机捕获船只的视频信息并存储，以作为取证资料；并记录船只之间的对话录音作为事故调查数据。9.根据权利要求3-8任一所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述现场主控单元通过所述ais设备或所述vhf设备向船只发送管制信息、提示信息和/或水文气象信息。10.根据权利要求1-8任一所述的桥梁防碰撞预警系统，其特征在于，所述桥梁防碰撞预警系统进一步包括安装在航道的激光扫描仪，所述激光扫描仪用于获取船只的特征数据，所述特征数据包括以下至少一种：长度、宽度、高度、吃水情况、载重情况。
技术总结本发明公开了一种桥梁防碰撞预警系统，涉及桥梁防护技术领域。该系统的一具体实施方式包括：超高检测单元、偏航检测单元、现场主控单元、水位监测单元和报警单元；超高检测单元基于在桥梁上游方向和下游方向安装的第一激光雷达以探测即将经过桥梁的船只是否超高，并在确定存在超高船只时将相应的超高检测结果向现场主控单元发送；偏航检测单元基于预先安装的第二激光雷达和摄像机以探测即将经过桥梁的船只是否发生偏航，并在确定存在偏航船只时将相应的偏航检测结果向现场主控单元发送；现场主控单元在接收到超高检测结果和/或偏航检测结果之后，控制报警单元发出报警信号。该实施方式能够有效防止桥梁碰撞事件的发生。施方式能够有效防止桥梁碰撞事件的发生。施方式能够有效防止桥梁碰撞事件的发生。
技术研发人员：王正虎 钱奕宁 徐剑辉 姚未正 杜晓鹏 章恒 胡志强 李岩 马好宾
受保护的技术使用者：宁波上航测绘有限公司
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
