桥梁安全预警监测系统解决方案.docx

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桥梁安全预警监测系统解决方案

桥梁安全预警监测系统

解决方案

2012年12月

1.

项目概述

1.1.项目背景

我国地形复杂，河流密布，如将天然河流连接起来总长度达到43万公里，特别在长江三角洲区域，河网密度接近2公里/平方公里，桥梁成为构成交通的重要部分，与国民经济建设和人民生活密切相关，因此保证桥梁的安全至关重要。

分析来看，桥梁的损坏不外两种原因：

一、内因。

桥梁由于施工质量欠佳或长期连续运行，时常会发生病变，其中桥梁底面裂缝的发生与发育是桥梁出现健康问题的重要特征之一，及时捕捉裂缝信息并报警，可以及时采取相应补救措施，避免桥梁健康继续恶化，甚至垮塌，以保护人民生命财产安全。

二、外因。

近年来，随着国内国民经济的高速增长，内河航运事业发展迅速，内河航运交通越发繁忙，以致水上桥梁被撞事件频发

为达到及时安全预警预报，减少桥梁垮塌事故的发生，对桥梁进行实时安全健康监测十分必要。

1.2.项目目标

桥梁的实时安全健康监测主要集中在两个方面：

桥梁底面裂缝和船只撞击。

对于桥梁底面裂缝监测，目前主要检测方法为人工利用高倍望远镜在桥下观察，该方法可靠性差，难以进行长期观察。

近年虽有利用视频采集技术来监测桥梁底面裂缝情况的方案，在桥底适当位置安装视频采集设备，对桥底进行视频扫描，以观察桥底裂缝情况。

但这种方法中视频采集设备的位置固定，距离所观察桥底表面位置距离较远，导致采集到的视频数据不理想，对裂缝分析和判断意义不大。

对于船只撞击问题，出现了在桥梁上安装反光型交通标志防止撞桥事故发生的技术方案，但由于反光型交通标志是被动型发光体，发光强度受船只光源照射距离、照射角度和浓雾天气等多种因素的影响，往往要距离桥梁很近时船只驾驶者才能看清桥梁通航结构，如果此时船只航向错误或者桥梁航道空间不允许船只通行，而航行速度又较快的情况下，船只驾驶者很难调整船只的航向或停止航行，撞桥事故难以避免。

为了能够对桥梁安全健康状况进行真正有效的监控，需要实时监测分析桥梁底面裂缝，并对船只撞击进行预测预警，本项目采用物联网技术将与桥梁安全健康有关的检测数据实时传送到设立在交通局的监控中心，借助“数字桥梁”技术平台，实现桥梁的数字化管理，提高桥梁安全健康监测的实时性和可靠性，有效杜绝桥梁安全事故的发生。

2.总体设计

2.1.建设原则

为保证桥梁安全预警监测系统发挥应有的作用，在项目建设中遵循以下原则：

●统一规划：

随着交通建设不断发展，桥梁的位置和数量变动较频繁，因此系统的建设需要统一规划，同时根据具体需求分步实施，所有系统的设备、功能都留有充分考虑扩展空间，以保证系统的升级、扩展和设备、网络、数据库的迁移是平稳可靠的；

●资源共享：

针对桥梁监测点位置分散、分布区域广的特点，在系统设计时充分利用已建的信息基础设施和信息资源；

●平台公用：

全面制定和推进标准化与规范化建设，实现资源共享，采用统一平台、架构及标准，以利于实现异构系统的集成与整合，方便管理人员能够简单、快速地访问数据和资源，及时监视和掌握整个系统的工作状态和可能发生的故障，以便于对系统的管理、维护、调度；

●稳定安全：

鉴于桥梁安全健康的重要性，为保证能长期稳定运行，保证监控中心软件平台和数据库工作稳定，系统必须能够定期对自身进行自诊断并形成报告，监视整个系统的工作状态，以便于对系统的维护和维修。

同时监测数据在外部网络上传输时必须保证其完整性和保密性，监控中心服务器需要具备有效的防病毒和防攻击措施；

●开放通用：

系统采用开放式的网络接口、计算机硬件、操作系统和数据库管理系统，在软件设计中采用C/S、B/S、面向服务的体系等先进、通用的结构标准，在软件开发中遵守标准的开发流程和成熟的设计模式；

●可靠监测：

系统现场监测设备安装在桥梁附近环境较差的地点，设备应该能满足工业级应用的要求；

●界面友好：

系统监控软件操作简便，界面直观清晰友好，采用驾驶舱、功能导航和电子地图等展示方式。

2.2.方案说明

桥梁安全预警监测系统在物联网技术支持下，实时采集桥梁状态，按照科学的过程进行数据的组织与管理，在此基础上通过大量的模型进行知识集成，应用智能识别、数据融合、分析诊断、优化预测等技术，完整实现桥梁安全的在线监测、预警和管理。

桥梁安全预警监测系统主要有下列各子系统：

船只撞击预警、报警系统，堆杂物、焚烧物报警系统，裂缝监测、测量系统。

一、船只撞击预警、报警系统。

为了保障桥梁结构的安全，根据桥梁周围的现场情况进行预警机制，包含船只撞击预警。

避免船只撞击桥梁导致桥梁结构受损，与此同时，如发生撞击，将现场第一手数据传输给监控中心；为此船只撞击预警、报警系统需满足以下要求：

●通航船只高度和宽度超过桥梁的限度则进行报警，将实时情况传给数据中心；

●桥墩和桥面进行预警，发现船只即将撞击前对船只进行语音和强光报警；

●发生撞击时图像采集器对船只和桥体进行拍照传输给控制中心；

●满足全天候全天时监测。

二、堆杂物、焚烧物报警系统。

桥体下方为行车通道，常有附近居民将平时的生活垃圾堆积在桥体下方影响道路交通，同时有个别人将堆积在桥墩处的垃圾进行焚烧，这种行为大大损坏了桥体结构，影响桥体的安全性。

为此堆杂物、焚烧物报警系统需满足以下要求：

●对堆杂物和焚烧行为进行语音、强光报警或发送信息给监控中心交由监察人员处理；

●满足全天候全天时监测。

三、裂缝监测、测量系统。

桥梁常年遭受风雨侵蚀，同时接受外来的压力和撞击会不断出现桥体裂缝，针对该现象的出现，摆脱原先的人工监测方式，完全使用智能化监测，利用实时监测到的数据进行第一时间的修补工作。

为此裂缝监测、测量系统需满足以下要求：

●桥梁顶部定期裂缝监测；

●准确定位裂缝位置；

●测量出裂缝的长度和宽度；

●满足全天侯全天时监测。

四、设备防盗报警系统。

所有子系统的设备安装都处于室外无人职守的位置，正因为如此设备的防盗变得尤为重要，为此设备防盗报警系统需满足以下要求；

●首先设备具备相应的防盗标准；

●发生窃取行为时发生声音报警或给系统发送盗窃提示。

2.3.系统架构

桥梁安全预警监侧系统分为传感层、数据传输层、数据采集层、管控平台层和智能应用层，有利于系统的维护和扩展，方便系统的移植和集成，系统总体架构如下：

2.4.总体功能

桥梁安全预警监侧系统提供4大模块、10个功能配置，实现了在线监视、数据采集、模型计算、数据存取、网络发布、报表查询、报警控制、维护管理等功能融为一体，具体如图所示：

3.技术方案

桥梁安全预警监侧系统由传感器、控制器、主机、服务器、客户机等部分组成，系统采用了多层C/S、B/S体系架构，系统实现如图:

3.1.桥梁裂缝监测

选择桥梁底合适距离，在桥梁长度方向两侧安装滑轨，滑轨上安装连接架和驱动连接架移动的驱动装置，在连接架上安装可沿连接架滑动的摄像机，摄像机朝向桥梁底面，采集桥梁底面的视频信息，视频数据通过光纤网络传输到监控中心的采集服务器。

监控中心可控制摄像机滑动，使摄像机在桥梁底面沿桥梁长、宽方向运动，实时监视桥梁底面的状况，利用计算机对采集的数据进行处理和判断，确定桥梁底面是否有裂缝发生和发育情况，监控中心根据裂缝发生发育情况，以及桥梁安全准则对桥梁的健康状况进行判断，在出现安全隐患时进行报警提示。

3.2.桥梁防撞监测

造成船只撞击桥梁事故发生的原因很多，举例如下：

●桥梁建造选址不合理，如建造在河流的弯道上；

●桥区通航宽度小；

●夜间航行或大雾等严重影响能见度气象条件下航行等；

●船只驾驶者主观原因等。

通过对各类船只撞桥事故进行分析统计发现，仅七成的撞桥事故由人为因素引发，因此可以通过增加桥梁防撞系统对过往船只进行监控来达到防撞目的。

桥梁防撞系统由摄像机、控制器和数据采集服务器等组成。

数据采集服务器用于接收、显示、存储来自主控模块的信号，同时也将信号传输给控制器，控制开启连接在控制器上的设备。

控制器上连接有无线电雷达、超声测距传感器和水位传感器，通过传感器和摄像机预测船只与桥梁的距离以及相对于桥梁的方位来监控船只的过往情况，主控模块按照船只航行规约及标准，发出声音及光信号，经继电器及放大器驱动航标灯及船用汽笛，当船只靠近桥梁时，控制器将控制开启警示信号灯，提醒过往船只注意避让重要构造物。

夜晚控制器将自动打开位于桥梁通航孔的照明灯，照亮桥梁墩台及通航孔，方便船只通过，待船只通过桥梁后控制系统将自动关闭照明灯。

当通过无线电雷达监控到船只行驶轨迹偏离主航道进入非通航区域时，控制器将开启高分贝报警喇叭警告船只，同时启动安装在桥梁不同位置上的摄像头，对船只进行摄像取证，并将摄像的录像或图片传给数据采集服务器，控制器连接有GPS时钟模块，用于接收标准时钟信号，以保证摄像机录的时间准确性。

通过对过往桥梁的船只进行监控，实现监控、助航、预警和取证的目的，监管部门可以根据监控的录像及时制止非法航行的船只，有效地预防和减少撞桥事故的发生。

3.3.桥梁周边环境监测

桥梁周边环境监测系统采用多种传感器监测温度、湿度、烟雾、粉尘、明火、热点、噪音等，并可控制灯光照明、摄像取证和降尘灭火。

●采集设备和环境的有关参数（运行状态、工作参数、报警信息等），并通过人机界面直观动态实时显示；

●对采集的参数进行判断分析，发现状态或参数异常，进行现场声光告警并录像取证，、并即时采取多媒体动画警示、语音、声光、电话、短消息、E-mail等多种方式发布给有关管理人员；

●记录历史数据和报警事件，提供查询、分析、报表等手段，提供故障分析和智能专家诊断建议；

●人工/自动控制，启停有关设备或相关操作，设置系统设备的有关运行参数；

●提供远程监控管理功能（客户端Client和WEB浏览）；

●提供实用的管理手段，如设备管理、值班日志管理、事件处理管理、集中运维管理等管理工具。

3.4.设备防盗监控

由于桥梁安全预警监测现场设备安装在野外，为保证设备的安全和系统的稳定运行，设置以下防护措施：

●红外监控

●电子围栏

●控制箱箱门打开报警

●GPRS无线后备通讯

●供电故障报警

●光缆断裂报警

●视频监控

●声光报警

●手机报警

●电话报警

●邮件报警

●蓄电池后备供电

3.5.网络传输

网络传输是桥梁安全预警监测系统集中分布式监控的传输媒体，网络可以是局域网、广域网或国际互联网，传输介质可以是以太网、GPRS、3G、ATM、ISDN、PSTN及DDN等，传输协议为TCP/IP。

为保证桥梁安全预警监测系统的实时功能，网络传输采用光纤通讯为主，无线通讯后备的方式。

3.6.监控中心

监控中心是桥梁安全预警监测系统集中监控管理的服务器，可以根据系统的需要配置冗余热备服务器。

监控终端可以采用网络上的计算机，通过WEB浏览器与服务器联接，显示监测系统界面，接受用户控制请求传达给监控主机。

在监控中心集成基于B/S模式的Web发布系统，充分满足系统门户信息发布的需求。

监控中心软件系统由三层组成：

通信软件子系统、数据服务软件子系统、应用软件子系统。

4.系统实现

4.1.设备选型

一、数据采集服务器

服务器与普通计算机相比，性能强大并且运行稳定，在系统设计中，根据不同功能分别配备服务器，使它们分担不同的任务，通过网络连接，每个服务器都能够单独完成自身的任务，降低单台服务器的工作负担，使功能分开，保证不会因为某个服务器故障而导致整个系统瘫痪。

系统配置一台数据采集服务器，采用IBM3650服务器，担负实时数据处理任务。

实时服务器采用Windows2003Server操作系统。

实时数据处理任务负责处理系统实时数据流，接收实时监测数据，下发控制指令，将实时数据放入数据库中，并为网络中的工作站提供实时数据服务。

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