基于光纖傳輸?shù)膶拵I(yè)務(wù)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)
2011-07-14 來源：網(wǎng)絡(luò)
隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)投入越來越多，更多橋梁建設(shè)的現(xiàn)代化水平越來越高。橋梁的智能化建設(shè)顯得越來越重要。有更多的檢測和控制信息需要及時處理，傳統(tǒng)監(jiān)控信息傳輸手段例如雙絞線，局限性越來越大，目前已經(jīng)不能滿足遠(yuǎn)距離通訊的要求，同時，網(wǎng)絡(luò)中斷系統(tǒng)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，直接導(dǎo)致了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。橋梁監(jiān)控對網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化、可靠性越來越高，因此需要引入基于光纖傳輸?shù)膶拵ЬC合業(yè)務(wù)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)。
基于橋梁智能化發(fā)展的需要，可以預(yù)測到未來的橋梁是一個基于光纖傳輸?shù)膶拵Ф鄻I(yè)務(wù)智能接入平臺。該平臺將集點(diǎn)到點(diǎn)的星狀網(wǎng)絡(luò)與鏈型網(wǎng)絡(luò)、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)于一體的智能多業(yè)務(wù)接入系統(tǒng)。
綜合業(yè)務(wù)的橋梁光纖監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該是一個集運(yùn)營管理系統(tǒng)、安全監(jiān)視系統(tǒng)、健康監(jiān)控體檢系統(tǒng)于一體的綜合業(yè)務(wù)信息收發(fā)平臺。
一、運(yùn)營管理
運(yùn)營管理一般歸屬于交通建設(shè)部門，隨著大跨度和差大跨度橋梁的增加，專家們對大型的、重要橋梁的安全性、耐久性、日常管理等功能越加關(guān)注。系統(tǒng)包括收費(fèi)管理、車輛載荷監(jiān)測、信號燈/指示牌管理、車流量管理等等。這些信息供橋梁安全運(yùn)營管理部門使用。
目前主要橋梁均有這種設(shè)施，除一些橋梁使用租用的E1通道外，還有使用電纜專線系統(tǒng)的。由于目前需要視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)、連接數(shù)據(jù)庫的寬帶以太網(wǎng)業(yè)務(wù)越來越多，因此光纖通信是最佳的選擇，在光纖上除能夠提供這些寬帶業(yè)務(wù)外、還能提供符合原有接口條件的各種信號系統(tǒng)。并能為車輛提供的增值業(yè)務(wù)，如RF標(biāo)簽識別、WLAN等熱點(diǎn)覆蓋、移動電視的中繼傳輸。
下圖為橋梁監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)圖——點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)圖：
圖一：點(diǎn)對點(diǎn)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)圖
這種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)是點(diǎn)對點(diǎn)光纖組網(wǎng)方式，系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)，故障干擾小。光纖帶寬大，原始視頻圖像傳輸，在中心實(shí)時清晰監(jiān)控到橋梁情況。一般12芯光纖足夠滿足線路需求。
二、安全監(jiān)控
安全監(jiān)控系統(tǒng)包括水面防撞監(jiān)控、路面車輛超限監(jiān)控、橋面人員安全監(jiān)控等，這些信息和信號燈/指示牌管理、車流量管理等將被送到公安交通管理部門。
目前橋梁的視頻安全監(jiān)控手段采用的也比較多，但通常是監(jiān)測點(diǎn)比較少、監(jiān)測手段比較單一，如多是采用紅外補(bǔ)光攝像系統(tǒng)，和白天使用的攝像頭，在雨霧天能夠穿透雨霧的攝像頭（如熱成像、X射線等手段），以及微波成像雷達(dá)等。
圖二：鏈型網(wǎng)絡(luò)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)圖
鏈型網(wǎng)絡(luò)連接，節(jié)省光纖資源，圖像模式為以太網(wǎng)傳輸，可進(jìn)行兩端監(jiān)控，一旦某一節(jié)點(diǎn)處中斷，不會影響兩端數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)會從中斷點(diǎn)處分別向兩端傳輸。
三、橋梁健康監(jiān)控
橋梁健康監(jiān)控的新概念與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)不同，大型橋梁健康監(jiān)控不僅是為了結(jié)構(gòu)狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控和智能化評估，
由于目前橋梁建設(shè)方面技術(shù)的局限性，在設(shè)計(jì)階段完全準(zhǔn)確及預(yù)測橋梁的力學(xué)特征和行為是很困難的，所以，尤其是斜拉橋、懸索橋等大型橋梁的健康監(jiān)控，可以為橋梁建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域提供有效的分析數(shù)據(jù)，甚至可以對相關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正及改進(jìn)。
健康監(jiān)控體檢系統(tǒng)包括橋梁各種狀態(tài)參數(shù)，如應(yīng)變、壓力、結(jié)構(gòu)溫度、空氣噪聲、振動、位移、墩船撞荷、撓度、拉索張力等。這些信息將被送到橋梁運(yùn)營監(jiān)理部門。
目前少數(shù)橋梁裝有多種傳感測量手段，主要問題是測量點(diǎn)分布的較少，能夠使用統(tǒng)一時鐘進(jìn)行同步測量的少、測量項(xiàng)目不太全面。主要原因是受限于傳輸方式的限制，目前還有一些測量系統(tǒng)使用電纜傳輸手段，也有一些使用光纖傳輸手段，但傳輸通道較少。以上分別介紹了基于光纖傳輸?shù)娜N有效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效避免這些問題。
對于視頻監(jiān)控的需求，通常有無壓縮的原始視頻傳輸、和采用MEPG4/H.264壓縮技術(shù)的IP傳輸?shù)仁侄?，前者適合于對圖像質(zhì)量要求高反應(yīng)速度快的視頻監(jiān)控，如大范圍的監(jiān)控、防撞監(jiān)控、路面車輛監(jiān)控等。后者適合于圖像做為輔助手段的變化速度慢的目標(biāo)監(jiān)控，如江面船只監(jiān)控、路面人員監(jiān)控等，可以做為原始視頻傳輸?shù)妮o助手段。原始視頻傳輸所需要的帶寬比較大，宜采用星型網(wǎng)絡(luò)、考慮到系統(tǒng)的安全性，可以在橋的兩端設(shè)置主監(jiān)控中心和輔助監(jiān)控中心。
對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笸ǔ７譃镮P包傳輸手段和時分復(fù)用手段?；贗P包的傳輸數(shù)據(jù)量一般不大，只有動態(tài)應(yīng)變測試時的數(shù)據(jù)量較大，但遠(yuǎn)小于視頻傳輸，此時要求系統(tǒng)的可靠性比較高，一般采用帶有光纖冗余的環(huán)網(wǎng)傳輸系統(tǒng)。
目前使用最多的各種健康參數(shù)測量系統(tǒng)通常使用RS485總線、CAN總線、RS232串口等。如何能夠使得這些接口能夠接入光纖傳輸系統(tǒng)、并且能夠增加傳輸接口的數(shù)量、增加傳輸速率、提供更強(qiáng)的傳輸性能（如提供統(tǒng)一的工作時鐘）等，并大大地增強(qiáng)傳輸系統(tǒng)的可靠性，通?；诠饫w的寬窄帶一體化接入設(shè)備能夠滿足這種環(huán)境的要求。系統(tǒng)將是一個沿橋梁布局的鏈網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在有更高系統(tǒng)可靠性要求的情況下，可以使用光纖冗余環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)。在這種網(wǎng)絡(luò)中如果某處光纖斷開，系統(tǒng)能夠自動沿備用光纖愈合，不影響用戶通信。
圖三：環(huán)型網(wǎng)絡(luò)橋梁監(jiān)控系統(tǒng)圖
方案特點(diǎn)：環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成光纖冗余，即使線路故障的情況下，也能監(jiān)測到圖像數(shù)據(jù)。數(shù)字壓縮視頻，采用TDM非IP方式，能有效利用帶寬的同時，保證圖像的質(zhì)量及安全可控。
目前市政部門每年投入大量人力與資金對橋梁進(jìn)行各種類型的檢測，當(dāng)前的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)多是各個部門各自建設(shè)通信與測量系統(tǒng)，多數(shù)情況是在橋梁建成后又重新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，施工困難，也會對橋梁造成一定的損傷。如果在橋梁設(shè)計(jì)施工時設(shè)計(jì)一個綜合的寬窄帶一體化系統(tǒng)，能夠?yàn)楦鞑块T提供測量傳輸接口，能夠滿足目前的用戶接入需求，也能夠滿足未來系統(tǒng)擴(kuò)展的需求。能夠提供應(yīng)急通信接口，也能夠?yàn)殡娦胚\(yùn)營商或其他用戶（如水利、航運(yùn)）提供通信鏈路的出租業(yè)務(wù)。要確保橋梁的安全,還必須引入科學(xué)養(yǎng)管橋梁的理念,將來的橋梁結(jié)構(gòu)安全設(shè)施應(yīng)向著數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。
一座現(xiàn)代化的橋梁，從設(shè)計(jì)到建成、從使用到管理，涉及到設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)營管理等各個環(huán)節(jié)。缺少那一個環(huán)節(jié)都會給國家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。然而，在運(yùn)營管理過程中，加強(qiáng)巡查和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，就能在一定程度上避免經(jīng)濟(jì)損失。
北京瑞光極遠(yuǎn)數(shù)碼科技有限公司研制的IDM系列綜合業(yè)務(wù)接入設(shè)備能夠滿足寬帶、窄帶光纖接入的多種組網(wǎng)模式，能夠提供多種類型的用戶接口，滿足目前絕大多數(shù)測量設(shè)備的接入組網(wǎng)。不影響原有測量系統(tǒng)的使用方式。
由于系統(tǒng)地傳輸容量足夠大（如IDM-120ASM通常可提供63*31=1953個通道）、并且可以采用總線式結(jié)構(gòu)、X.50零次群復(fù)用技術(shù)、IP復(fù)用技術(shù)等，進(jìn)一步擴(kuò)充系統(tǒng)容量。IDM系列產(chǎn)品提供的無壓縮視頻傳輸、壓縮視頻的TDM傳輸、壓縮視頻的IP傳輸方式等能夠滿足多種用戶環(huán)境的需要。
IDM系列產(chǎn)品可以根據(jù)配置將同一網(wǎng)絡(luò)上的不同信息送到各自的信息處理部門，如應(yīng)力/應(yīng)變、振動、載荷/撞荷送到健康監(jiān)測部門。流量、RFID、收費(fèi)等信息送到運(yùn)營管理部門。也可以將同一信息送到多個信息處理中心，如溫度、載荷等可以同時運(yùn)營部門和健康管理部門，以便于多個部門共享測量信息。
IDM系列產(chǎn)品的信息采集分配模式有助于為多種信息監(jiān)測中心提供數(shù)據(jù)。隨著智能化管理水平的提高，會有更多的信息處理手段。目前有很多的信息處理中心需要這些原始數(shù)據(jù)。有的系統(tǒng)需要增加更多的信息采集手段，IDM系列設(shè)備可以很方便地適應(yīng)這種需要。
IDM系列綜合業(yè)務(wù)接入設(shè)備為橋梁監(jiān)測提供多樣化的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造及多種業(yè)務(wù)接口，配套良好的傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、攝像頭及微波成像雷達(dá)等設(shè)備，能夠組成比較完善的，性能可靠的監(jiān)測、監(jiān)控、通信系統(tǒng)。再加以檢測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，構(gòu)成了現(xiàn)代化的橋梁通信管理。
