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。

实时数据处理任务包含与桥梁采集控制器和网络摄像机的通信链接、协议转换、网络管理等任务，同时还负责系统实时数据流程和数据转换，以便适应不同现场仪表参数量程、单位等差异，为系统提供统一、规范的数据格式。

数据采集服务器主要性能技术参数表如下所示：

基本参数

服务器级别

企业级

服务器类型

机架式

服务器结构

2U

主要性能

标配CPU个数

1颗

最大CPU个数

2颗

CPU类型

IntelXeonE5640

处理器

标称主频

2.66GHz

智能加速主频

2.933GHz

三级缓存

12MB

总线规格

5.86GT/s

多核运算

四核心八线程

内存

内存容量

8GB（2×4GB）

内存描述

ECCDDR3

内存插槽

集成18个DIMM插槽

存储

存储控制

ServerRAIDM5015阵列卡

RAID阵列模式

集成RAID0,1

存储扩展位

最多16个2.5英寸热插拔SAS/SATA或固态硬盘驱动器

网络

网络控制器

集成的双口千兆以太网（2端口标配,2端口可选）

电源

电源功率

675W

电源类型

单电源

其他

PCI扩展槽

4个PCI-Express二代插槽

保修服务

三年有限保修

安全管理

IBMIMM,VirtualMediaKey用于可选的远程呈现支持、预测故障分析、诊断LED、光通路诊断、服务器自动重启、IBMSystemsDirector和IBMSystemsDirectorActiveEnergyManager、IBMServerGuide

二、Web服务器

Web发布是实现系统监控数据在总队内部各部门应用和共享的实现方法，基于B/S结构，客户端只需具备标准的浏览器即可，并且没有用户点数限制。

Web服务提供了一个分布式的计算技术，通过使用标准的协议和信息格式来实现监控数据应用。

使用标准的协议提供了一个中立的平台，允许Web服务平台、语言和发布者互相对立。

Web服务通过松散的应用集成，能够高效、低成本地开发、发布、发现和绑定应用。

Web服务器与数据采集服务器共用IBM3650服务器。

三、监控工作站

监控工作站可以采用普通计算机，推荐采用工控机加大屏幕液晶显示器，其中主机选用研华工控机PC610H，性能描述如下：

原装Advantech标准19”架装式工业PC机,IPC610H；

4个49CFM前板带可清洗过滤器的冷却风扇，保证机箱内部微正压，防尘、防潮、散热功能优越；

CPU为双核2.0GHz，计算功能强大；

主板：

PCA-6179V，多槽ISA和PC/ISA无源底板。

提供可更换的250-350W大功率电源,可拆卸的抗震软硬盘托架

高性能VGA控制器，显存64MB；

双网卡：

双10/100Base-T网络控制器（双以太网卡），接口：

RJ-45x2；

硬件状态监控全面，有效防止系统故障；

BIOS：

Award4MbFlash；

多条PCI扩展槽，32-bit/33MHz；

多条ISA：

HISA扩展槽，驱动能力可达64mA；

DDR内存：

2GB；

2个USB（USB2.0兼容）接口；

串口：

2（RS-232）；

并口：

1（SPP/EPP/ECP）；

硬盘：

250G*2；

光驱：

DVD-ROM；

前面板提供带锁的防尘保护门，防止误操作；

前后面板都有键盘插孔；

带防止插卡松动的压条；

环境温度：

工作，0~60摄氏度；非工作，-20~70摄氏度，湿度20％～90％。

LCD显示器选用三星T24彩色大屏幕液晶显示器，三星T24的性能数据：

液晶板类型：

TN

尺寸（英寸）：

24

点距（mm）：

0.248

平均亮度（cd/m2）：

300

最大色彩：

16.7M

灰阶响应时间（ms）：

5

带宽（MHz）：

147

分辨率：

1920×1080

水平扫描频率（KHz）：

30-81

垂直扫描频率（Hz）：

56-76

四、网络摄像机

采用海康威视防暴高清网络摄像机，型号与技术参数如下表：

参数/型号

DS-2CD752MF-FBHDS-2CD752MF-F

摄像机

传感器类型

1/3”CMOS

有效像素

1600（水平）×1200（垂直）

最低照度

0.5Lux@F1.2

0.1Lux@F1.2，感光度X5

日夜转换模式

电子彩转黑

镜头

2.7-9mm

压缩标准

视频压缩标准

MPEG-4

压缩输出码率

32K～2M，也可以自定义（上限8M，单位：

bps）

音频压缩标准

OggVorbis

图像

最大图像尺寸

1600×1200

帧率

12.5帧（1600×1200），12.5帧（1600×912），

25帧（1280×720）,25帧（704×576）

30帧（704×480）

功能

ePTZ

支持

移动侦测

支持

双码流

支持

SD卡存储功能

支持

心跳机制

支持

密码保护

支持

支持协议

TCP/IP,HTTP,DHCP,DNS,RTP/RTCP,PPPoE（FTP,SMTP,NTP,SNMP可添加）

接口

语音对讲输入

1路，3.5mm音频接口（线性电平：

2.0～2.4Vp-p，阻抗：

1kΩ）

语音输出

1路，3.5mm音频接口（线性电平，阻抗：

600Ω）

通讯接口

1个RJ4510M/100M自适应以太网口，1个RS－485接口端子

报警输入

1路，信号量

报警输出

1路，开关量

一般规范

工作温度

-10℃~60℃，带“H”支持-40℃~60℃

电源

AC24V±10%/DC12V±10%/PoE；-H：

仅支持AC24V±10%

功耗

4WMAX（24WMAX加热开启）

电辅助加热/散热

带“H”支持，不带“H”不支持

防暴等级

IEC60068-2-75测试，Eh,50J;EN50102,超过IK10

防护尘、水等级

IP66

尺寸（mm）

Φ156x134.5

重量

1400g

五、各类传感器和开关设备

温湿度、红外探测、明火探测、烟雾探测、粉尘探测、距离探测、防盗开关、信号灯、汽笛等选用国产优质产品。

六、打印机

监控中心配置一台打印机完成报警信息、报表、图形和曲线等打印输出功能。

打印机可以根据需要设置成自动或手动打印，选用选用HPLaserJet5200Lx激光黑白打印机。

HPLaserJet5200Lx的打印分辨率为1200×1200dpi，打印速度为35ppm，在进纸口可以根据用户不同的需求放置不同大小的纸张，最大的打印幅面为A3。

HPLaserJet5200Lx采用了型号为Q7516A的硒鼓，使用寿命大概在12000页左右，降低了使用成本。

随机自带48M内存，并且支持扩容，最大可以扩至512M。

可以实现网络打印，使用起来简单、方便。

HPLaserJet5200Lx主要技术参数如下表：

设备型号

HPLaserJet5200Lx

类型

黑白激光打印机

介质类型

复印纸、证券纸、羊皮纸、特殊用途纸、再生纸、透明较片和标签信封

供纸方式

自动进纸/手动进纸

最高分辩率（dpi）

1200×1200

最高打印速度（ppm）

35

最大打印幅面

A3

最大打印能力（页/月）

65000

功率（W）

50

接口类型

48MB，可扩展到512MB

七、服务器柜

监控中心配置一台服务器机柜，选用标准机柜，其主要技术参数如下表：

设备型号

19英寸标准机柜

规格

2100800800mm

机柜主体

1套

钢化玻璃前门

1个

全钢后门

1个

侧门

2个

19"角规

4根

风机单元

1套

固定托盘

2个

地脚轮

4颗

地脚钉

4颗

安装螺丝

40套

根据系统需要可配置操作台，操作台采用国产标准工位操作台，外形美观、简单、实用。

并配置相配套座椅。

4.2.软件部署

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。

系统工作站与数据服务器组建C/S模式的同时，与Web服务器组建B/S模式，从而实现两种模式的互备与互补。

调度控制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。

通信软件子系统实现对系统监控组网、网络操作系统平台、网络通信协议、网络接口服务、网络平台管理、监控数据远程实时采集等软件的集成，并为其上层系统-数据服务子系统提供数据支持。

数据服务子系统实现对服务器操作系统、数据库软件平台（实时数据库、关系型数据库等）、数据服务（WebServices、DCOM组件、数据接口服务、中间件等）软件的集成，并为其上层系统-应用软件子系统提供数据支持。

应用软件子系统实现对应用客户端操作系统、组态应用软件、工具软件、各类人机界面软件的集成，从而最终满足用户对系统的操作使用需求。

通过分层结构，大大提高了系统集成“高内聚、低耦合”的程度，并降低了系统中各组成部分相互关联与依赖复杂度，同时利于各层软件与资源的复用，从而有效地提高了系统的性能价格比。

服务器操作系统选用MicrosoftWindows2003Server中文版。

Windows2003Server是Microsoft公司设计用于局域网服务器的操作系统，它内部完全是32位体系结构，支持多CPU。

它在运行时有多个线程，从而可以支持功能更为强大的应用程序；同时通过向操作系统和应用程序提供分离的内存空间，防止数据冲突又确保了系统的稳定性。

它的抢占多任务方式使操作系统能为每个应用程序分配足够的处理时间，因而具有很高的性能。

Windows2003Server在可移植性、可伸缩性（对称多处理）、个性/兼容性、安全性、容错性（可恢复文件系统、磁盘镜像RAID、对UPS的支持）等多方面的考虑使Windows2003Server成为真正的企业解决之道。

监控工作站操作系统采用MicrosoftWindowsXPProfessional中文专业版。

数据库采用SQLSERVER2005。

5.实现措施

5.1.实施准备

在施工准备期间提前办好施工手续，根据甲方对工程施工的有关管理规定，对全体施工人员进行安全教育，提前办理人员出入、车辆出入及工具材料出入、开工报告、动工证明及通行证明等，并与甲方管理部门签订安全施工协议，确保安全施工。

5.2.实施人员

项目经理（现场施工主管）一名，工程技术负责人员硬件、软件各一名，布线工程师一名，确保桥梁安全预警监测系统项目的工程质量及进度，该工程施工人员均具有大专以上学历或专业资格证书。

5.3.实施设备

主要施工及调试检测设备有：

升降梯、万用表、电钻及一般接线工具、手提电脑等。

5.4.实施方案

根据工程情况、工程要求和施工条件，本工程施工方案着重考虑以下几个问题：

一、实施工艺

电线、管排列整齐，设备安装和外壳接地牢固，地线电缆与地极的联接牢固。

二、实施质量

为促使质量管理措施的落实，随时掌握施工现场的工程质量动态及时发现问题，采取质量工作以预控为主的方针，对在施工中进行定期或不定期检查。

按照ISO9000标准的基本要求和工程相关的设计规范，开展施工的组织设计。

设备安装，系统调试严格按照设备用户手册和系统调试大纲进行，并保存原始记录，编制系统调试报告，提交甲方存档。

实施计划进度表如下：

序号

任务名称

时间

内容

阶段目标

1

方案制定

5天

确定项目目标、计划、进度安排和关键节点。

通过双方讨论，完成项目进度计划表。

2

软件开发

180天