桥梁安全预警监测系统解决方案

1、桥梁安全预警监测系统解决方案2012年12月目录1. 项目概述 21.1. 项目背景 21.2. 项目目标 22. 总体设计 32.1. 建设原则 32.2. 方案说明 32.3. 系统架构 424总体功能 43. 技术方案 53.1. 桥梁裂缝监测 53.2. 桥梁防撞监测 53.3. 桥梁周边环境监测 63.4. 设备防盗监控 63.5. 网络传输 73.6. 监控中心 74. 系统实现 74.1. 设备选型 74.2. 软件部署 135. 实现措施 145.1.实施准备 1452实施人员 1453实施设备 1454实施方案 146. 供货范围 151. 项目概述1.1. 项目背景我国地形

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、， 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

10、， 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：船只撞击预警声音、强光提示船只撞击报警、拍照短信通知桥梁安全预警监测系统图像Web展示数值

11、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

12、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。32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，

13、 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，

14、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、

15、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

16、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

17、 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。IBM 3650服务器，担负实时数据处理任务。实时服务器实时数据处理 实时监测数据， 库中，并为网络 数据处理任务 的通信链接、协系统配置一台数据采集服务

18、器，采用 采用 Windows 2003 Server操作系统。 任务负责处理系统实时数据流，接收 下发控制指令，将实时数据放入数据 中的工作站提供实时数据服务。实时 包含与桥梁采集控制器和网络摄像机议转换、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:基本参数企业级服务器类型机架式服务器结构2U主要性能1颗2颗In tel Xeon E5640处理器2.66GHz智能加速主频2.933GHz三级缓存12MB总线规格5.86GT/S四核心八线程内存8GB(2X 4GB)E

19、CC DDR3内存插槽集成18个DIMM插槽存储ServerRAID M5015 阵列卡RAID阵列模集成 RAID 0, 1式存储扩展位最多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单电源其他4 个 PCI-Express 二代插槽保修服务三年有限保修安全管理IBM IMM, Virtual Media Key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、IBM Systems Director 和IBM Systems Director Active En ergy Man

20、age、 IBM ServerGuide、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IBM 3650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PC6

21、10H性能描述如下：业PC冷却防潮、原装Advantech标准19”架装式工 机,IPC610H;4个49CFM前板带可清洗过滤器的 风扇，保证机箱内部微正压，防尘、 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: Award 4 Mb Flash ；多条 PCI 扩展槽，32-bit/33MHz ；多条IS

22、A： HISA扩展槽，驱动能力可达64mADDF内存：2GB2个 USB (USB 2.0 兼容)接口;串口：2 (RS-232)；并口：1 (SPP/EPP/EC)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，060摄氏度；非工作，-2070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) :

23、147分辨率：1920 X 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-FBH DS-2CD752MF-F摄像机传感器类型1/3 ” CMOS有效像素1600 (水平)X 1200 (垂直)最低照度0.5LuxF1.20.1LuxF1.2,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32 K2M 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1600x1200帧率1

24、2.5 帧(1600 x 1200), 12.5 帧(1600 x 912),25 帧(1280 X 720),25 帧(704 X 576)30 帧(704 X 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,SNM可 添加)接口语音对讲输入1路,3.5mm音频接口（线性电平：2.02.4Vp-p ,阻 抗：1kQ）语音输出1路,3.5mm音频接口（线性电平,阻抗：600Q）通讯接口1个RJ45 10M/100M自适应以太网口， 1个RS-485接

25、口端子报警输入一1路，信号里报警输出1路，开关量一般规范工作温度-10 C 60C，带“ H支持-40 C 60C电源AC24 10% / DC12V 10% / PoE ; -H：仅支持 AC24V 10%功耗4W MA（ 24W MA加热开启）电辅助加热/散 热带“H支持，不带“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) 156x134.5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

26、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HP LaserJet 5200Lx激光黑白打印机。LaserJet 5200Lx 的打印分辨率为1200X 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A3o LaserJet 5200Lx采用了型号为Q7516A 的，使用寿命大概在12000页左右，降低了使用成本。随机自带 48M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。LaserJet 5200Lx 主要技术参数如下表:设备型号HP LaserJe

27、t 5200Lx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、供纸方式自动进纸/手动进纸最高分辩率(dpi)1200X1200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2100 800 800mm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

28、相配套座椅。42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、DCOI

29、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。中文版。Win dows 2003 Server 是全是32位体系 能更为强大的 间，防止数据冲 为每个应用程服务器操作系统选用Microsoft Win dows 2003 ServerMicrosoft公司设计

30、用于局域网服务器的操作系统，它内部完 结构，支持多CPU它在运行时有多个线程，从而可以支持功 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 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 序分配足够的处理时间，因而具有很高的性能。Windows2003 Server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 Windows 2003 Server成为真正 的企业解决之道。监控工作站操作系统采用 Microsoft Win dows XP Professio nal中文专业版。数据库采用

31、SQL SERVER 20055. 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