基于北斗的大桥安全监测系统解决方案.doc

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基于北斗的桥梁安全监测系统解决方案

编写单位：

新疆电科卫星导航科技有限公司

编写人员：

程其东

审核：

郑建平

总工：

陈建国

编制日期：

2015年09月

目录

本方案预期达到的效果为 1

第一章方案背景......................................................................................................1 1.1前言..................................................................................................................1

1.2设计依据........................................................................................................5

第二章在线监测系统整体设计 6

2.1系统设计的目标 6

2.2系统主要监测内容 7

2.3系统建设整体技术要求及性能指标 7

2.3.1系统技术要求 7

2.3.2在线监测系统软件整体要求 8

2.4监测系统设计 8

2.4.4监测点传感器系统总体设计 11

第三章在线监测系统详细设计 12

3.1桥梁监测方案 12

3.1.1桥体表面位移监测 12

3.1.2桥体倾斜监测 18

3.1.4桥体应力、应变监测 20

3.1.5视频监控系统 21

3.2辅助支持系统 23

3.2.1配电系统设计 23

3.2.2监控中心设计 23

3.3监控中心平台软件 26

3.3.1软件流程及功能介绍 26

3.3.2采集与数据处理软件 28

i.软件介绍 28

ii.数据库结构设计 30

iii.开发语言 32

3.4系统可靠性及质量保证技术 33

3.4.1可靠性 33

3.4.2质量保证技术 34

基于北斗的安全监测系统解决方案

本方案预期达到的效果为：

1、能够实现远程自动化监测，无需人员进行监控，采集方式有定时间采集、特殊事件采集等。

远程自动化采集可以实现远程采集监测，无需人员多次进入施工现场。

2、实现测试数据信息化管理，相关人员可以通过不同权限登入平台网络或者利用手机取得现场结构安全数据及安全评估信息。

3、通过实施监测得到丰富的数据样本，通过系统的自动分析功能，可以分析环境因素（温度、湿度等因素）的影响，从而得出结构的实际变化发展趋势，了解大桥结构的安全状况。

4、当结构出现异常信息时，系统自动进行预报警，在监控中心以声音以及警示灯（屏幕警示）方式进行报警，并通过短信方式将信息及时转达给相关管理人员。

最终该系统达到的效果是在已建好的或施工中的大桥，使结构安全监测达到：

自动化、信息化、实时性等效果，从而真正保障桥梁的安全。

第一章方案背景

1.1前言

位于亚欧大陆中部的新疆，是“一路一带”战略中心，是我国反恐维稳的前沿阵地。

周边依次与蒙古、俄罗斯、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦、塔吉克斯坦、阿富汗、巴基斯坦、印度等8个国家接壤，陆地边境线长达5600多公里，占我国陆地边境线的四分之一，是我国面积最大、交界邻国最多、陆地边境线最长的省区。

新疆有18个国家一类口岸（其中公路口岸15个，铁路口岸1个，民航口岸2个），是我国西北的战略屏障和对外开放的重要门户。

新疆还是我国重要的矿产资源大区。

新疆矿产种类全、储量大，开发前景广阔。

据统计，目前发现的矿产有138种，占全国已发现矿种的82%；储量居全国首位的有7种，居前五位的有27种。

一些重要的资源性矿产，如石油、天然气、煤、铁、铜、金、铬、镍、稀有金属、盐类矿产、建材非金属等矿产，新疆蕴藏丰富。

与此同时，新疆周边国家矿产资源特别是能源资源十分丰富，与我国互补性强，贸易潜力巨大。

因此，充分开拓国际国内两个市场、利用两种资源，对于保障我国经济的可持续发展和能源安全具有十分重要的意义。

为进一步加快新疆跨越式发展和长治久安战略的实施，中央已经作出了要把新疆建设成为“国家大型油气生产和储备基地、大型煤炭煤电煤化工基地、大型风电基地和国家能源资源陆上大通道”的战略部署。

2010年中央新疆工作座谈会也提出要“打造中国西部区域经济的增长极和向西开放的桥头堡，建设繁荣富裕和谐稳定的美好新疆”的战略要求。

新疆也是我国的产粮大省，棉花、玉米等农作物位居全国之首。

随着近几年新疆经济社会的快速发展和周边国家经济的回暖，加快新疆对外开放，构筑新疆“外引内联、东联西出、西来东去”对内对外开放的新格局条件已经成熟。

要完成中央的战略部署，充分发挥新疆的地缘和资源禀赋优势，交通建设与发展成为当务之急。

据统计，截止到2012年底，新疆公路里程已经达到16.59万公里，其中高速公路2276公里；铁路营运里程达到4915公里，其中电气化铁路1535公里，复线里程1236公里；民用运输机场有16个。

可以说，目前新疆已经初步形成了以乌鲁木齐为中心，以铁路为主骨架，公路为骨干，民航和管道相配合，东连甘肃、青海，通往内陆，南接西藏，西出中西亚、北通蒙古、俄罗斯的综合交通运输网络，这为新疆的跨越式发展和长治久安奠定了坚实的基础。

随着运输需求量的不断增加，目前对可能淤堵的桥、涵及可能存在危石坠落的隧道口，采取的措施是人工巡视，仅仅是治标不治本，不能从根本上解决问题，无法解决公路运力逐年增长对长效治理的诉求。

为了确保公路运输的顺利进行，以及今后对公路沿线进行长效综合治理，有必要进行公路桥、涵、隧道重点部位灾害性预控技术的研究与实施，并选择具有代表性的桥、涵、隧道作为试点加以实施，成功后再进一步推广应用到全疆，为新疆公路创造一个安全可靠的运输环境。

1.2设计依据

本方案桥梁检测工作将依据下列规程、规范或文件进行：

Ø《美国敏感测试测量元件技术标准》，US-EE-312，1995

Ø《美国ASTM材料测试标准》，ASTM-1293，1993

Ø《自动控制系统设计标准》，国家标准局，1999

Ø《桥梁检测手册》，人民交通出版社，1998

Ø《工程振动测量仪器和测试技术标准》，中国计量出版社，1999

Ø《公路桥梁承载能力检测评定规程》报批稿，2003，交通部公路科学研究所

Ø《桥涵工程试验检测技术》，人民交通出版社，1999

Ø《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/2-2004）

Ø《公路数据库编目编码规则》JTT132-2000

Ø《公路桥涵养护规范》JTGH11-2004

Ø《软件工程国家标准》GB8657

Ø《建筑与建筑群综合布线系统工程设计及验收规范》GB/T50311-12

Ø《电子设备雷击保护导则》GB/T7450-1987

Ø《计算机场地安全要求》GB/T9361-1988

Ø《计算机软件可靠性和可维护性管理》GB/T14393－1993

《桥梁施工方案及设计图纸》

以及北斗相关规则和要求。

第二章在线监测系统整体设计

2.1系统设计的目标

我们将根据每一座大桥进行详细的外观检测、无损检测和静载试验检测。

检测的主要内容有：

1、对全桥进行详细的外观和无损检测；

2、建立桥梁有限元模型，对桥梁荷载效应进行分析计算；

3、对桥梁进行荷载试验；

4、根据检测结果对桥梁现有承载力进行综合评估，并对桥梁技术状况进行评定。

2.2系统主要监测内容

公路大桥监测内容

监测范围

监测项

设备名称

公路大桥

桥体表面位移

北斗卫星（BDS）

桥墩倾斜

倾角仪

桥体伸缩缝

裂缝计

应力、应变监测

应变传感器

视频监控系统

监控专用摄像机

2.3系统建设整体技术要求及性能指标

2.3.1系统技术要求

1．监测、检测设备的可靠性强、稳定性高、耐用性好；

2．为数据传输稳定采取北斗卫星和有线两种形式双通道，以确保数据不间断；

3．设备供电方式选择合理（单体太阳能）；

4．充分考虑数据接口问题；

5．易于操作人员的使用和日常维护；

6．系统可扩展、升级；

7．实时传感监测与视频监测能有机结合。

2.3.2在线监测系统软件整体要求

监测监控平台软件采用具备专业性和集成性、视频监控和智能分析、以及传感器数据监测预警功能须在同一系统内实现，杜绝简单功能堆叠、拼凑造成的系统隐患。

监测监控系统软件需要具备数据联网及报警功能；系统软件设计须采用三层架构，确保自身的稳定性。

监控室终端显示屏应能够同时显示所有监控对象，并支持对多个画面的任意切换组合。

监控画面需要与对应位置的传感器点位数据进行关联，以保障对传感器数据的核查分析有充足的理由。

2.4监测系统设计

公路大桥监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术、北斗高分技术、遥感精准技术等高新技术于一体的综合系统工程。

为使桥梁重点部位监测系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足桥粱重点部位养护管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康监控系统，遵循如下设计原则：

1）遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；

2）系统设置首先需满足桥粱养护管理和运营的需要，立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素。

3）根据结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设。

4）易损性分析原则考虑以下方面：

不同类型的结构受力特点、构件的工作特征；

设计时不同类型结构的控制断面、控制点；

结构不同类型材料的材料特性、使用特性；

结构受外部环境及荷载影响后最易损伤部位；

基于既有同类型结构已发生的损伤部位；

目前阶段尚未有足够资料验证的关键部位。

5）监测与结构安全性密切相关内容，主要监测一些有代表性的结构、必须进行监测的重要结构以及日常养护无法检查或检查非常困难的结构响应。

6）从动力、静力、耐久性对结构进行监测，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；

7）以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。

8）系统应具有可扩展性。

系统功能总框架

系统功能主要分为三层：

1）第一层：

各监测内容所属的各监测项目（参数）的测量系统构成。

2）第二层：

监测外场数据采集站与通信系统外场。

3）第三层：

监控中心的结构健康与安全系统工作站。

系统软件总框架

双轴倾角仪、位移计、裂缝计、温度计、静力水准仪、BDS、雨量计、轨温感知器

软件系统共分三大部分：

1）数据采集工作站软件：

完成数据采集、传输和本地存储的工作；

2）数据处理服务器软件：

完成数据接收、控制、数据处理、数据显示、在线评估及预警等工作；

3）数据库服务器软件：

完成数据存储和管理工作；

2.4.4监测点传感器系统总体设计

结合监测项目的实际情况，针对每一座桥梁重点监测区域各监测点传感器进行布置设计。

传输系统总体设计

根据项目实际情况，传输系统采用北斗卫星BDS传输，各个传感器通过转化模块转化信号再用无线模块进行无线网络传输。

监控中心实时接收各个传感器的数据，将数据实时分析预警。

供电和避雷系统

供电采用两种供电模式：

市电供电与太阳能供电。

避雷系统可根据桥梁实际情况具体的单项设计。

控制中心

根据桥梁实际情况具体的综合设计。

第三章在线监测系统详细设计

3.1桥梁监测方案

3.1.1桥体表面位移监测

监测原理

本系统采用GNSS自动化监测方式对监测体表面位移进行实时自动化监测，其工作原理为：

各GNSS监测点与参考点接收机实时接收GNSS信号，并通过数据通讯网络实时发送到控制中心，