CN115938161A
审中
一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统
技术领域
[0001]本发明涉及桥梁安全防护技术领域，具体公开了一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，尤其公开了一种新型高智能化的主动式高速水射流桥墩防撞系统。
背景技术
[0003]目前，国内外对桥梁防撞技术的研究分为桥梁主动型防撞与被动型防撞。局限于技术现状，目前应用于实际工程中的桥梁防撞系统普遍采用的是被动型桥梁防撞，其是利用柔性耗能装置，减小船舶与桥梁碰撞时的作用力以起到减轻船只碰撞对桥墩的破坏效果。这种被动式桥梁防撞方案智能化程度低，只能起到减缓桥墩被撞效果，不能从根本上预防事故发生。而目前应用于工程实际中的主动型桥梁防撞系统仅仅只停留在防撞预警层次，需通过人为干涉预防事故发生，当突遇船舶减速失灵问题时不能保障桥墩与船舶安全。
发明内容
[0004]有鉴于此，本发明为了解决目前主动型桥梁防撞系统仅仅停留在防撞预警层次，需通过人为干涉预防事故发生，当突遇船舶减速失灵问题时不能保障桥墩与船舶安全的问题，提供一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，该防撞系统打破了传统防撞设施的局限性，提供了一种智能化监测、调控，主动采取措施实现船舶改向的新思路。该项目可应用于各类桥梁建筑及通航河道中，为桥墩的设施安全提供保障，有效降低了桥墩的维修护理成本。
[0005]为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006]一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，包括船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统；其中船只检测系统用于实时采集桥墩的图像信息，分析决策系统用于对船舶撞击桥墩事故做出预测分析；电控高速射流系统用于根据分析决策系统做出的桥墩碰撞预测风险实时调控水泵工作数量、射流强度和射流方向进而作用船只使其改变航向。
[0007]进一步，电控高速射流系统中最晚水泵射流时间、射流强度和射流方向的预测方法为：
[0008]假设点O1，O2为与船舶最近的桥墩中心，船舶与桥墩最近的识别点为A，识别点A与桥墩中心的距离R1，R2，船舶相对于桥墩的位置唯一，且船舶行进的法线方向x也已知；将坐标系建立在船舶行进的法线方向x上，坐标系与船舶交点为B和C，抛物线弧BAC方程为：
[0009]
[0010]转化为极坐标格式为：
[0011]
[0012]考虑水泵作用下，桥墩-船舶的相互关系，设水柱在船艏的作用点为K(kx，ky)，作用力为T，在x，y方向上分别分解为Tx，Ty，再将力由点K平移至点G，得到一个外加力矩M0，其中，Tx的效果为使发生x方向减速，Ty的效果为使发生y方向加速，M0的效果为使发生绕中心点的匀速转动；其中由于水波阻力作用，假设各个力的作用效果迅速衰减消失，x方向由于船舶发动机的作用，使船保持行进状态，无转动模量及y方向的平动模量；M0的数值大小为：
[0013]M0＝(kx+lOG)Ty-kyTx (3)
[0014]引入旋转矩阵，在T的作用下，桥墩中心Oi在xOy坐标系中的新坐标为：
[0015]
[0016]其中，M是船舶的质量，d为水柱与船艏接触点与船舶中心的垂直投影距离；
[0017]定义临界相撞状态，当桥墩外圆与直线段Bm相切于点B时，船能够不在启动水泵的前提下安全通过，只需要保证：
[0018]|PQ|≤|O1O2|-2R (5)
[0019]所以在临界相撞状态下桥墩坐标为：
[0020]
[0021]通过等式和能够确定运动系统的终止时刻约束条件；最后，构建本模型的目标函数：
[0022]本装置期望在水泵喷射的最小水量的情况下，计算启动水泵的最晚时间；假设水泵的喷射水量是一个与时间有关的函数B(t)；水泵的输出函数为：
[0023]
[0024]其中B0是水泵极限输出功率的条件下的射流量，受水泵的可输出冲击力的上限影响，定义总时长的输出量为：
[0025]
[0026]该数学优化模型为：
[0027]
[0028]通过该优化模型来计算满足条件的最优值t，即最晚水泵启动时间，将得到的t值代入式，得到每一时刻的水泵射流强度B(t)。
[0029]本装置的运作机理为基于极限状态法的动力控制理论。首先我们根据对船舶运动状态的研究，将船舶的运动过程中的危险状态分为七个极限状态，包括三个主状态和四个合成状态，附图7所示为三个主状态的示意情况：其中附图7(a)表示船只直线行进靠近桥梁主体结构，船艏部位可能与桥墩发生碰撞；附图7(b)表示船只在两桥墩之间受矩作用与湍流作用发生转动，可能与相邻桥墩发生碰撞；附图7(c)表示船只远离桥墩，发生平动与转动，船尾可能与桥墩发生碰撞。其余四个合成状态由三个主状态中的两个或三个同时进入极限状态。
[0030]分别对各个极限状态下的船进行动力学的理论建模，可以得到不同状态下水泵的工作情况。进而，计算机配合雷达可以建立桥墩与行进船之间的数据点云关系，判断船只处于哪一个极限状态下。进而调用该状态下的调整程序，实现理论效果。
[0031]进一步，该桥墩防撞系统采用扫描激光雷达、图像识别和深度学习叠加结合技术，通过雷达捕捉视场上船舶点云数据分布，分析船只航行轨迹；通过识别船只IMO识别编码，得到船只基本信息；通过视觉深度特征学习，基于卷积运算的神经网络，训练船舶识别墩-船运动模型，实时调控射流孔启动范围及数量，改变船舶行运方向，预防船舶撞击桥墩。
[0032]进一步，船只检测系统通过高速摄像机、超声波传感器实时采集桥墩的图像信息，通过图像识别功能采集船舶IMO编码，通过WIFI模块传送到电脑端，实时获取船舶船艏长度、船身宽度、吃水深度、吨位的信息参数；分析决策系统采用S7-300西门子p;c作为控制系统的核心处理器实时分析船只航行状态，计算处理方案；电控高速射流系统根据分析决策系统的分析情况实时调控水泵工作数量、射流强度和射流方向进而作用船只使其改变航向。
[0033]进一步，电控高速射流系统安装在桥墩外的浮体上，包括IH型耐腐蚀性水泵(IH-125-100-315)、PPR铝塑复合管、转向舵机、转向轴承和65直流水枪，水泵连接吸水PPR铝塑复合管、压力PPR铝塑复合管，压力管连接水带枪头，转向舵机通过转向轴承连接65直流水枪，控制高速射流方向。
[0034]进一步，电控高速射流系统为系统执行模块，分析决策系统中主控制器下达指令实时控制水泵工作电压来调整射流防撞系统的水泵射流压力，通过调整舵机旋转方向来控制系统出水方向，根据不同碰撞风险采取不同射流压力及射流出射角度改变船只航行方向。
[0035]本方案的工作原理及有益效果在于：
[0036]1、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，包括船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统，通过扫描激光雷达、图像识别和深度学习叠加技术，分析判断得出不同船只在不同情况下可能撞击桥墩时，实时控制高压射流枪启动与结束时刻、喷射的流量、速度和范围，从而达到桥墩主动防撞的智能决策效果。该系统融合了“互联网+”人工智能前沿技术，弥补了传统桥墩被动防撞系统的不足，降低了桥墩的维护成本，将有效减少我国国民经济财产损失，为我国桥梁、航运事业腾飞保驾护航。
[0037]2、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，整个控制电路包括电源、S7-300西门子plc主控制器、传感器和执行器四大构成。具体的工作过程为：当有船只来临时，传感器对船只的航行状态进行检测，主控制器通过对传感器采集到的信息进行分析处理，判断是否有碰撞风险；当存在撞船风险时，根据船只航行状态，确定碰撞风险级别；根据不同情况的碰撞风险，主控制器控制输出不同的PWM波形来调控水泵两端电压，进而调节水泵出水压力，对船只作用；传感器对船只航行状态进行实时监控，主控制器根据船只与桥墩碰撞风险，实时调节PWM波形的占空比，实现防碰撞系统的实时调节。
[0038]3、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，为获取船只基本特征信息，本系统采取图像识别船只IMO识别码，与建立的船只编号信息库进行对比，检索出船只基本参数信息；通过采用卷积神经网络识别船只IMO识别码字符，我们前期对摄像头系统进行训练，在CNN卷积神经网络模型输出神经网络识别到的识别码，采用监督学习法对神经网络的参数进行调整，以保证图像识别系统的应用可信性和准确性。
[0039]4、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，具有以下创新特色：
[0040]①融合电子电控与人工智能深度学习技术，实时调整决策方案。本项目运用图像识别技术捕捉船只IMO识别码，获取船只吨位、船艏长度等基本信息，并由传感器实时监测船只与桥墩的距离、船只航向、船只速度，将上述信息反馈给主控制系统后，由主控制系统不断计算调整，实时给出最合适的射孔个数、射流方向以及射流量大小，并控制射流装置对船只进行冲击以实现对船只航向的干预，直至船只对桥墩不再构成威胁。
[0041]②创建数学模型实现危险区域的判断。本项目分别对各个极限状态下的船进行动力学的理论建模，利用数学模型建立了一套较为完整的决策方案。通过此模型，可以得到不同状态下水泵的工作情况。进而，计算机配合雷达可以建立桥墩与行进船之间的数据点云关系，判断船只处于哪一个极限状态下。进而调用该状态下的调整程序，实现理论效果，为后续实现船只改向提供了保障。
[0042]③实现桥墩主动防撞决策功能，从根本上预防事故发生。目前在桥墩防撞领域，多采用被动式桥墩防撞设施，无先期预警能力且无法主动采取应对措施；而现阶段的主动防撞也只是停留在采用喇叭、告警信号来警示船只的层面，无法对发生故障的船只实施有效干预。而本项目突破了传统防撞系统的局限性，利用安装于浮体上的射流喷枪对船只进行高速流冲击，从而实现故障船只的改向，以达到桥墩防撞的目的。
[0043]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0044]图1为本发明一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统流程框图一；
[0045]图2为本发明基于高速水射流的桥墩智能防撞系统流程框图二；
[0046]图3为本发明图1分析决策系统中核心处理器工作原理图；
[0047]图4为本发明实施例中基于高速水射流的桥墩智能防撞系统迭代曲线图；
[0048]图5为本发明实施例中电控高速射流系统安装示意图；
[0049]图6为本发明实施例中电控高速射流系统局部安装示意图；
[0050]图7为本发明船舶运动过程中三个主状态的示意图，其中图7(a)表示船只直线行进靠近桥梁主体结构，船艏部位可能与桥墩发生碰撞；附图7(b)表示船只在两桥墩之间受矩作用与湍流作用发生转动，可能与相邻桥墩发生碰撞；附图7(c)表示船只远离桥墩，发生平动与转动，船尾可能与桥墩发生碰撞。
具体实施方式
[0051]下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0052]如图1～3所示的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，包括船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统；采用扫描激光雷达、图像识别和深度学习叠加结合技术，通过雷达捕捉视场上船舶点云数据分布，分析船只航行轨迹；通过识别船只IMO识别编码，得到船只基本信息；通过视觉深度特征学习，基于卷积运算的神经网络，训练船舶识别墩-船运动模型，实时调控射流孔启动范围及数量，改变船舶行运方向，预防船舶撞击桥墩。
[0053]船只检测系统通过高速摄像机、超声波传感器实时采集桥墩的图像信息，通过图像识别功能采集船舶IMO编码，通过WIFI模块传送到电脑端，实时获取船舶船艏长度、船身宽度、吃水深度、吨位的信息参数；
[0054]本实施例中船只检测系统采用16线激光雷达，该雷达应用于无人驾驶汽车环境检测设备。本系统中通过激光扫描可以得到桥面上过往船只的3D模型，运用算法比对上一帧和下一帧模型的变化可以容易的探测出水面上船只的动态位置变化。该板具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大，可用于复杂功能等优点。
[0055]另外本系统将通过WIFI模块，将实时视频流信息传递给电脑端，在浏览器上即可查看摄像头拍摄的桥墩附近的河道情况，从而对一些船舶撞击桥墩事故等做出预测分析。
[0056]分析决策系统采用S7-300西门子plc，该板为德国西门子公司生产的可编程序控制器产品之一，该板具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大，可用于复杂功能等优点，其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，在桥墩防撞系统中得到充分利用。
[0057]电控高速射流系统根据分析决策系统的分析情况实时调控水泵工作数量、射流强度和射流方向进而作用船只使其改变航向。
[0058]如图5～6所示的电控高速射流系统安装在桥墩外的浮体上，包括IH型耐腐蚀性水泵(IH-125-100-315)、PPR铝塑复合管、转向舵机、转向轴承和65直流水枪，水泵连接吸水PPR铝塑复合管、压力PPR铝塑复合管，压力管连接水带枪头，转向舵机通过转向轴承连接65直流水枪，控制高速射流方向。
[0059]电控高速射流系统为系统执行模块，分析决策系统中主控制器下达指令实时控制水泵工作电压来调整射流防撞系统的水泵射流压力，通过调整舵机旋转方向来控制系统出水方向，根据不同碰撞风险采取不同射流压力及射流出射角度来作用船只进行航向改变。
[0060]其中电控高速射流系统中最晚水泵射流时间、射流强度和射流方向的预测方法为：
[0061]假设点O1，O2为与船舶最近的桥墩中心，船舶与桥墩最近的识别点为A，识别点A与桥墩中心的距离R1，R2，船舶相对于桥墩的位置唯一，且船舶行进的法线方向x也已知；将坐标系建立在船舶行进的法线方向x上，坐标系与船舶交点为B和C，抛物线弧BAC方程为：
[0062]
[0063]转化为极坐标格式为：
[0064]
[0065]考虑水泵作用下，桥墩-船舶的相互关系，设水柱在船艏的作用点为K(kx，ky)，作用力为T，在x，y方向上分别分解为Tx，Ty，再将力由点K平移至点G，得到一个外加力矩M0，其中，Tx的效果为使发生x方向减速，Ty的效果为使发生y方向加速，M0的效果为使发生绕中心点的匀速转动；其中由于水波阻力作用，假设各个力的作用效果迅速衰减消失，x方向由于船舶发动机的作用，使船保持行进状态，无转动模量及y方向的平动模量；M0的数值大小为：
[0066]M0＝(kx+lOG)Ty-kyTx (3)
[0067]引入旋转矩阵，在T的作用下，桥墩中心Oi在xOy坐标系中的新坐标为：
[0068]
[0069]其中，M是船舶的质量，d为水柱与船艏接触点与船舶中心的垂直投影距离；
[0070]定义临界相撞状态，当桥墩外圆与直线段Bm相切于点B时，船能够不在启动水泵的前提下安全通过，只需要保证：
[0071]|PQ|≤|O1O2|-2R (5)
[0072]所以在临界相撞状态下桥墩坐标为：
[0073]
[0074]通过等式和能够确定运动系统的终止时刻约束条件；最后，构建本模型的目标函数：
[0075]本装置期望在水泵喷射的最小水量的情况下，计算启动水泵的最晚时间；假设水泵的喷射水量是一个与时间有关的函数B(t)；水泵的输出函数为：
[0076]
[0077]其中B0是水泵极限输出功率的条件下的射流量，受水泵的可输出冲击力的上限影响，定义总时长的输出量为：
[0078]
[0079]该数学优化模型为：
[0080]
[0081]通过该优化模型来计算满足条件的最优值t，即最晚水泵启动时间，将得到的t值代入式，得到每一时刻的水泵射流强度B(t)。本装置的运作机理为基于极限状态法的动力控制理论。首先我们根据对船舶运动状态的研究，将船舶的运动过程中的危险状态分为七个极限状态，包括三个主状态和四个合成状态，附图7所示为三个主状态的示意情况：
[0082]其中附图7(a)表示船只直线行进靠近桥梁主体结构，船艏部位可能与桥墩发生碰撞；附图7(b)表示船只在两桥墩之间受矩作用与湍流作用发生转动，可能与相邻桥墩发生碰撞；附图7(c)表示船只远离桥墩，发生平动与转动，船尾可能与桥墩发生碰撞。
[0083]其余四个合成状态由三个主状态中的两个或三个同时进入极限状态。
[0084]分别对各个极限状态下的船进行动力学的理论建模，可以得到不同状态下水泵的工作情况。进而，计算机配合雷达可以建立桥墩与行进船之间的数据点云关系，判断船只处于哪一个极限状态下。进而调用该状态下的调整程序，实现理论效果。
[0085]该桥墩智能防撞系统工作时，系统初始为待机状态，当船只检测系统检测到有航行船只来临时，启动高速摄像机识别系统，对船只IMO识别码进行图像识别，获取船只基本参数信息；同时启动16线激光雷达、HC-SR04超声波传感器元件动态获取船只距离桥墩距离、航行速度、航向等相关信息；并将获取到的相关信息反馈给S7-300西门子plc主控制器。
[0086]分析决策系统中核心控制器对获取到的船只航行信息进行分析判断是否具有碰撞风险，当发现船只没有碰撞风险，分析决策系统不向电控高速射流系统反馈船只信息。当发现船只具有碰撞风险后，分析决策系统中核心处理器对船只进行动态追踪检测，并根据传感器反馈回的动态航行信息。
[0087]电控高速射流系统计算出水泵的最佳出水压力、出水方向、出水口数量，最终通过主控制器下达指令来控制水泵、舵机对射流量进行主动调控，实现船只航向改变。改变航向后的船只继续经过16线激光雷达、HC-SR04超声波传感器元件的检测，继续通过分析决策系统中核心处理器实时分析是否有碰撞风险，如此往复，直到船只没有碰撞风险。
[0088]如图3所示随着船只的航行，船只与桥墩的距离、船只航向、船只速度不断改变，传感器实时检测，电控高速射流系统中S7-300西门子plc主控中主控制器会根据传感器反馈的参数信息，不断计算出适用方案。当船只与桥墩的距离较小且速度较大时，主控制器通过调节占空比，控制PWM波形输出，提高水泵工作电压，来增大水泵出水压力，增强对船只的作用；当船只安全驶过桥墩时，主控制器降低PWM占空比，降低水泵工作电压，降低水泵出水压力，减少对船只作用；同时主控制器根据船只与桥墩的相对位置，实时控制舵机的旋转，从而控制水枪出水方向，实现桥墩防撞系统的智能调节。
[0089]实施例
[0090]该桥墩智能防撞系统中船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统中各配件的选型见下表：
[0091]表1系统配件选型表
[0092]
[0093]
[0094]该桥墩智能防撞系统工作原理见附图1～附图3，电控高速射流系统安装示意图见附图5～附图6，以主状态a为例，通过对极限状态的定义建立相关动力学模型，并阐述水泵的对应工作情况。本实施例实验过程中搜集到的实验数据如下表所示：
[0095]表2实验参数
[0096]
[0097]本文调用了简单的模拟退火算法来求解这个问题，设置的参数情况如下表所示：
[0098]表3模拟退火实验参数设置
[0099]
[0100]得到的迭代曲线图如图4所示，结果显示，对于如表1所示的船只，水泵提供的最大冲击力为3285.5KN，在船只进入危险半径30m时启动水泵，约69.7947s后船只驶入安全位置。
[0101]以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。
[0010]转化为极坐标格式为：
[0011]
[0012]考虑水泵作用下，桥墩-船舶的相互关系，设水柱在船艏的作用点为K(kx，ky)，作用力为T，在x，y方向上分别分解为Tx，Ty，再将力由点K平移至点G，得到一个外加力矩M0，其中，Tx的效果为使发生x方向减速，Ty的效果为使发生y方向加速，M0的效果为使发生绕中心点的匀速转动；其中由于水波阻力作用，假设各个力的作用效果迅速衰减消失，x方向由于船舶发动机的作用，使船保持行进状态，无转动模量及y方向的平动模量；M0的数值大小为：
[0013]M0＝(kx+lOG)Ty-kyTx (3)
[0014]引入旋转矩阵，在T的作用下，桥墩中心Oi在xOy坐标系中的新坐标为：
[0015]
[0016]其中，M是船舶的质量，d为水柱与船艏接触点与船舶中心的垂直投影距离；
[0017]定义临界相撞状态，当桥墩外圆与直线段Bm相切于点B时，船能够不在启动水泵的前提下安全通过，只需要保证：
[0018]|PQ|≤|O1O2|-2R (5)
[0019]所以在临界相撞状态下桥墩坐标为：
[0020]
[0021]通过等式和能够确定运动系统的终止时刻约束条件；最后，构建本模型的目标函数：
[0022]本装置期望在水泵喷射的最小水量的情况下，计算启动水泵的最晚时间；假设水泵的喷射水量是一个与时间有关的函数B(t)；水泵的输出函数为：
[0023]
[0024]其中B0是水泵极限输出功率的条件下的射流量，受水泵的可输出冲击力的上限影响，定义总时长的输出量为：
[0025]
[0026]该数学优化模型为：
[0027]
[0028]通过该优化模型来计算满足条件的最优值t，即最晚水泵启动时间，将得到的t值代入式，得到每一时刻的水泵射流强度B(t)。
[0029]本装置的运作机理为基于极限状态法的动力控制理论。首先我们根据对船舶运动状态的研究，将船舶的运动过程中的危险状态分为七个极限状态，包括三个主状态和四个合成状态，附图7所示为三个主状态的示意情况：其中附图7(a)表示船只直线行进靠近桥梁主体结构，船艏部位可能与桥墩发生碰撞；附图7(b)表示船只在两桥墩之间受矩作用与湍流作用发生转动，可能与相邻桥墩发生碰撞；附图7(c)表示船只远离桥墩，发生平动与转动，船尾可能与桥墩发生碰撞。其余四个合成状态由三个主状态中的两个或三个同时进入极限状态。
[0030]分别对各个极限状态下的船进行动力学的理论建模，可以得到不同状态下水泵的工作情况。进而，计算机配合雷达可以建立桥墩与行进船之间的数据点云关系，判断船只处于哪一个极限状态下。进而调用该状态下的调整程序，实现理论效果。
[0031]进一步，该桥墩防撞系统采用扫描激光雷达、图像识别和深度学习叠加结合技术，通过雷达捕捉视场上船舶点云数据分布，分析船只航行轨迹；通过识别船只IMO识别编码，得到船只基本信息；通过视觉深度特征学习，基于卷积运算的神经网络，训练船舶识别墩-船运动模型，实时调控射流孔启动范围及数量，改变船舶行运方向，预防船舶撞击桥墩。
[0032]进一步，船只检测系统通过高速摄像机、超声波传感器实时采集桥墩的图像信息，通过图像识别功能采集船舶IMO编码，通过WIFI模块传送到电脑端，实时获取船舶船艏长度、船身宽度、吃水深度、吨位的信息参数；分析决策系统采用S7-300西门子p;c作为控制系统的核心处理器实时分析船只航行状态，计算处理方案；电控高速射流系统根据分析决策系统的分析情况实时调控水泵工作数量、射流强度和射流方向进而作用船只使其改变航向。
[0033]进一步，电控高速射流系统安装在桥墩外的浮体上，包括IH型耐腐蚀性水泵(IH-125-100-315)、PPR铝塑复合管、转向舵机、转向轴承和65直流水枪，水泵连接吸水PPR铝塑复合管、压力PPR铝塑复合管，压力管连接水带枪头，转向舵机通过转向轴承连接65直流水枪，控制高速射流方向。
[0034]进一步，电控高速射流系统为系统执行模块，分析决策系统中主控制器下达指令实时控制水泵工作电压来调整射流防撞系统的水泵射流压力，通过调整舵机旋转方向来控制系统出水方向，根据不同碰撞风险采取不同射流压力及射流出射角度改变船只航行方向。
[0035]本方案的工作原理及有益效果在于：
[0036]1、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，包括船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统，通过扫描激光雷达、图像识别和深度学习叠加技术，分析判断得出不同船只在不同情况下可能撞击桥墩时，实时控制高压射流枪启动与结束时刻、喷射的流量、速度和范围，从而达到桥墩主动防撞的智能决策效果。该系统融合了“互联网+”人工智能前沿技术，弥补了传统桥墩被动防撞系统的不足，降低了桥墩的维护成本，将有效减少我国国民经济财产损失，为我国桥梁、航运事业腾飞保驾护航。
[0037]2、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，整个控制电路包括电源、S7-300西门子plc主控制器、传感器和执行器四大构成。具体的工作过程为：当有船只来临时，传感器对船只的航行状态进行检测，主控制器通过对传感器采集到的信息进行分析处理，判断是否有碰撞风险；当存在撞船风险时，根据船只航行状态，确定碰撞风险级别；根据不同情况的碰撞风险，主控制器控制输出不同的PWM波形来调控水泵两端电压，进而调节水泵出水压力，对船只作用；传感器对船只航行状态进行实时监控，主控制器根据船只与桥墩碰撞风险，实时调节PWM波形的占空比，实现防碰撞系统的实时调节。
[0038]3、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，为获取船只基本特征信息，本系统采取图像识别船只IMO识别码，与建立的船只编号信息库进行对比，检索出船只基本参数信息；通过采用卷积神经网络识别船只IMO识别码字符，我们前期对摄像头系统进行训练，在CNN卷积神经网络模型输出神经网络识别到的识别码，采用监督学习法对神经网络的参数进行调整，以保证图像识别系统的应用可信性和准确性。
[0039]4、本发明所公开的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，具有以下创新特色：
[0040]①融合电子电控与人工智能深度学习技术，实时调整决策方案。本项目运用图像识别技术捕捉船只IMO识别码，获取船只吨位、船艏长度等基本信息，并由传感器实时监测船只与桥墩的距离、船只航向、船只速度，将上述信息反馈给主控制系统后，由主控制系统不断计算调整，实时给出最合适的射孔个数、射流方向以及射流量大小，并控制射流装置对船只进行冲击以实现对船只航向的干预，直至船只对桥墩不再构成威胁。
[0041]②创建数学模型实现危险区域的判断。本项目分别对各个极限状态下的船进行动力学的理论建模，利用数学模型建立了一套较为完整的决策方案。通过此模型，可以得到不同状态下水泵的工作情况。进而，计算机配合雷达可以建立桥墩与行进船之间的数据点云关系，判断船只处于哪一个极限状态下。进而调用该状态下的调整程序，实现理论效果，为后续实现船只改向提供了保障。
[0042]③实现桥墩主动防撞决策功能，从根本上预防事故发生。目前在桥墩防撞领域，多采用被动式桥墩防撞设施，无先期预警能力且无法主动采取应对措施；而现阶段的主动防撞也只是停留在采用喇叭、告警信号来警示船只的层面，无法对发生故障的船只实施有效干预。而本项目突破了传统防撞系统的局限性，利用安装于浮体上的射流喷枪对船只进行高速流冲击，从而实现故障船只的改向，以达到桥墩防撞的目的。
[0043]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0044]图1为本发明一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统流程框图一；
[0045]图2为本发明基于高速水射流的桥墩智能防撞系统流程框图二；
[0046]图3为本发明图1分析决策系统中核心处理器工作原理图；
[0047]图4为本发明实施例中基于高速水射流的桥墩智能防撞系统迭代曲线图；
[0048]图5为本发明实施例中电控高速射流系统安装示意图；
[0049]图6为本发明实施例中电控高速射流系统局部安装示意图；
[0050]图7为本发明船舶运动过程中三个主状态的示意图，其中图7(a)表示船只直线行进靠近桥梁主体结构，船艏部位可能与桥墩发生碰撞；附图7(b)表示船只在两桥墩之间受矩作用与湍流作用发生转动，可能与相邻桥墩发生碰撞；附图7(c)表示船只远离桥墩，发生平动与转动，船尾可能与桥墩发生碰撞。
具体实施方式
[0051]下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0052]如图1～3所示的一种基于高速水射流的桥墩智能防撞系统，包括船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统；采用扫描激光雷达、图像识别和深度学习叠加结合技术，通过雷达捕捉视场上船舶点云数据分布，分析船只航行轨迹；通过识别船只IMO识别编码，得到船只基本信息；通过视觉深度特征学习，基于卷积运算的神经网络，训练船舶识别墩-船运动模型，实时调控射流孔启动范围及数量，改变船舶行运方向，预防船舶撞击桥墩。
[0053]船只检测系统通过高速摄像机、超声波传感器实时采集桥墩的图像信息，通过图像识别功能采集船舶IMO编码，通过WIFI模块传送到电脑端，实时获取船舶船艏长度、船身宽度、吃水深度、吨位的信息参数；
[0054]本实施例中船只检测系统采用16线激光雷达，该雷达应用于无人驾驶汽车环境检测设备。本系统中通过激光扫描可以得到桥面上过往船只的3D模型，运用算法比对上一帧和下一帧模型的变化可以容易的探测出水面上船只的动态位置变化。该板具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大，可用于复杂功能等优点。
[0055]另外本系统将通过WIFI模块，将实时视频流信息传递给电脑端，在浏览器上即可查看摄像头拍摄的桥墩附近的河道情况，从而对一些船舶撞击桥墩事故等做出预测分析。
[0056]分析决策系统采用S7-300西门子plc，该板为德国西门子公司生产的可编程序控制器产品之一，该板具有循环周期短、处理速度高、指令集功能强大，可用于复杂功能等优点，其模块化结构、易于实现分布式的配置以及性价比高、电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，在桥墩防撞系统中得到充分利用。
[0057]电控高速射流系统根据分析决策系统的分析情况实时调控水泵工作数量、射流强度和射流方向进而作用船只使其改变航向。
[0058]如图5～6所示的电控高速射流系统安装在桥墩外的浮体上，包括IH型耐腐蚀性水泵(IH-125-100-315)、PPR铝塑复合管、转向舵机、转向轴承和65直流水枪，水泵连接吸水PPR铝塑复合管、压力PPR铝塑复合管，压力管连接水带枪头，转向舵机通过转向轴承连接65直流水枪，控制高速射流方向。
[0059]电控高速射流系统为系统执行模块，分析决策系统中主控制器下达指令实时控制水泵工作电压来调整射流防撞系统的水泵射流压力，通过调整舵机旋转方向来控制系统出水方向，根据不同碰撞风险采取不同射流压力及射流出射角度来作用船只进行航向改变。
[0060]其中电控高速射流系统中最晚水泵射流时间、射流强度和射流方向的预测方法为：
[0061]假设点O1，O2为与船舶最近的桥墩中心，船舶与桥墩最近的识别点为A，识别点A与桥墩中心的距离R1，R2，船舶相对于桥墩的位置唯一，且船舶行进的法线方向x也已知；将坐标系建立在船舶行进的法线方向x上，坐标系与船舶交点为B和C，抛物线弧BAC方程为：
[0062]
[0063]转化为极坐标格式为：
[0064]
[0065]考虑水泵作用下，桥墩-船舶的相互关系，设水柱在船艏的作用点为K(kx，ky)，作用力为T，在x，y方向上分别分解为Tx，Ty，再将力由点K平移至点G，得到一个外加力矩M0，其中，Tx的效果为使发生x方向减速，Ty的效果为使发生y方向加速，M0的效果为使发生绕中心点的匀速转动；其中由于水波阻力作用，假设各个力的作用效果迅速衰减消失，x方向由于船舶发动机的作用，使船保持行进状态，无转动模量及y方向的平动模量；M0的数值大小为：
[0066]M0＝(kx+lOG)Ty-kyTx (3)
[0067]引入旋转矩阵，在T的作用下，桥墩中心Oi在xOy坐标系中的新坐标为：
[0068]
[0069]其中，M是船舶的质量，d为水柱与船艏接触点与船舶中心的垂直投影距离；
[0070]定义临界相撞状态，当桥墩外圆与直线段Bm相切于点B时，船能够不在启动水泵的前提下安全通过，只需要保证：
[0071]|PQ|≤|O1O2|-2R (5)
[0072]所以在临界相撞状态下桥墩坐标为：
[0073]
[0074]通过等式和能够确定运动系统的终止时刻约束条件；最后，构建本模型的目标函数：
[0075]本装置期望在水泵喷射的最小水量的情况下，计算启动水泵的最晚时间；假设水泵的喷射水量是一个与时间有关的函数B(t)；水泵的输出函数为：
[0076]
[0077]其中B0是水泵极限输出功率的条件下的射流量，受水泵的可输出冲击力的上限影响，定义总时长的输出量为：
[0078]
[0079]该数学优化模型为：
[0080]
[0081]通过该优化模型来计算满足条件的最优值t，即最晚水泵启动时间，将得到的t值代入式，得到每一时刻的水泵射流强度B(t)。本装置的运作机理为基于极限状态法的动力控制理论。首先我们根据对船舶运动状态的研究，将船舶的运动过程中的危险状态分为七个极限状态，包括三个主状态和四个合成状态，附图7所示为三个主状态的示意情况：
[0082]其中附图7(a)表示船只直线行进靠近桥梁主体结构，船艏部位可能与桥墩发生碰撞；附图7(b)表示船只在两桥墩之间受矩作用与湍流作用发生转动，可能与相邻桥墩发生碰撞；附图7(c)表示船只远离桥墩，发生平动与转动，船尾可能与桥墩发生碰撞。
[0083]其余四个合成状态由三个主状态中的两个或三个同时进入极限状态。
[0084]分别对各个极限状态下的船进行动力学的理论建模，可以得到不同状态下水泵的工作情况。进而，计算机配合雷达可以建立桥墩与行进船之间的数据点云关系，判断船只处于哪一个极限状态下。进而调用该状态下的调整程序，实现理论效果。
[0085]该桥墩智能防撞系统工作时，系统初始为待机状态，当船只检测系统检测到有航行船只来临时，启动高速摄像机识别系统，对船只IMO识别码进行图像识别，获取船只基本参数信息；同时启动16线激光雷达、HC-SR04超声波传感器元件动态获取船只距离桥墩距离、航行速度、航向等相关信息；并将获取到的相关信息反馈给S7-300西门子plc主控制器。
[0086]分析决策系统中核心控制器对获取到的船只航行信息进行分析判断是否具有碰撞风险，当发现船只没有碰撞风险，分析决策系统不向电控高速射流系统反馈船只信息。当发现船只具有碰撞风险后，分析决策系统中核心处理器对船只进行动态追踪检测，并根据传感器反馈回的动态航行信息。
[0087]电控高速射流系统计算出水泵的最佳出水压力、出水方向、出水口数量，最终通过主控制器下达指令来控制水泵、舵机对射流量进行主动调控，实现船只航向改变。改变航向后的船只继续经过16线激光雷达、HC-SR04超声波传感器元件的检测，继续通过分析决策系统中核心处理器实时分析是否有碰撞风险，如此往复，直到船只没有碰撞风险。
[0088]如图3所示随着船只的航行，船只与桥墩的距离、船只航向、船只速度不断改变，传感器实时检测，电控高速射流系统中S7-300西门子plc主控中主控制器会根据传感器反馈的参数信息，不断计算出适用方案。当船只与桥墩的距离较小且速度较大时，主控制器通过调节占空比，控制PWM波形输出，提高水泵工作电压，来增大水泵出水压力，增强对船只的作用；当船只安全驶过桥墩时，主控制器降低PWM占空比，降低水泵工作电压，降低水泵出水压力，减少对船只作用；同时主控制器根据船只与桥墩的相对位置，实时控制舵机的旋转，从而控制水枪出水方向，实现桥墩防撞系统的智能调节。
[0089]实施例
[0090]该桥墩智能防撞系统中船只检测系统、分析决策系统、电控高速射流系统中各配件的选型见下表：
[0091]表1系统配件选型表
[0092]
[0093]
[0094]该桥墩智能防撞系统工作原理见附图1～附图3，电控高速射流系统安装示意图见附图5～附图6，以主状态a为例，通过对极限状态的定义建立相关动力学模型，并阐述水泵的对应工作情况。本实施例实验过程中搜集到的实验数据如下表所示：
[0095]表2实验参数
[0096]
[0097]本文调用了简单的模拟退火算法来求解这个问题，设置的参数情况如下表所示：
[0098]表3模拟退火实验参数设置
[0099]
[0100]得到的迭代曲线图如图4所示，结果显示，对于如表1所示的船只，水泵提供的最大冲击力为3285.5KN，在船只进入危险半径30m时启动水泵，约69.7947s后船只驶入安全位置。
[0101]以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和本发明的实用性。
