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的制作方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、技术方案：一种桥梁船撞报警感知设备，包括：

3、振动传感器，用于感知xyz三轴振动数据；

4、摄像头，用于抓拍船舶图像；

5、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；

6、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；

7、通讯模块，和微处理器电性连接，

8、电源模块，用于设备供电。

9、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；

10、sobel算子水平变化为：

11、

12、sobel算子垂直变化为：

13、

14、总体变化为：

15、

16、其中，i为拍摄图像灰度化后整张图像的像素值；

17、根据轮廓大小和位置判断是否发生船撞。

18、优选的，所述通讯模块为nb-iot。

19、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。

20、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。

21、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。

22、进一步的，设备和pc端或手机端通讯连接。

23、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。

24、有益效果

25、与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：

26、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；

27、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；

28、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；

29、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。

技术特征：

1.一种桥梁船撞报警感知设备，其特征在于，包括：

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；

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。

技术总结
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。

技术研发人员：徐一超,赵亮,承宇,陈军浩,张宇峰
受保护的技术使用者：苏交科集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13