【安防知識網(wǎng)】運(yùn)營管理

　　隨著大跨度和特大跨度橋梁的增加，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。其運(yùn)營管理一般歸屬于交通建設(shè)部門，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。

　　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。

　　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(shí)監(jiān)控和智能化評估，也可為橋梁的“身體健康”提供相應(yīng)的依據(jù)。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，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。

　　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(gè)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)。

　　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(shí)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。以下分別介紹基于光纖傳輸?shù)娜N有效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效避免這些問題。

　　基于光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)——點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

　　點(diǎn)對點(diǎn)橋梁監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也稱之為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由中心節(jié)點(diǎn)(一般為監(jiān)控中心)的設(shè)備對每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備進(jìn)行管理，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行匯總分析管理。

　　一般來說，此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)運(yùn)用的設(shè)備分為兩種，一種是監(jiān)控中心獨(dú)立式結(jié)構(gòu);另一種是監(jiān)控中心集中式結(jié)構(gòu)。前者在監(jiān)控中心的設(shè)備數(shù)量等于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總數(shù)，設(shè)備數(shù)量多，占用空間大，但某一節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障時(shí)，不會影響其他傳輸鏈路上的設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)的相互影響比較小。后者需要在監(jiān)控中心設(shè)置一個(gè)功能較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理中心，所有數(shù)據(jù)都匯集到這個(gè)“數(shù)據(jù)處理中心”，再進(jìn)入操作平臺。但是，一旦數(shù)據(jù)處理中心發(fā)生故障或處理能力不足時(shí)，全網(wǎng)絡(luò)的通信都會受到影響。因此，需要對集中式的監(jiān)控中心設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化處理，一般將對應(yīng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理部分獨(dú)立設(shè)計(jì)，集中設(shè)計(jì)的部分不涉及數(shù)據(jù)處理功能，只將網(wǎng)絡(luò)管理及電源部分功能模塊進(jìn)行共享，并且做好冗余備份處理。

　　此種結(jié)構(gòu)需要橋梁通信線路建設(shè)時(shí)，預(yù)鋪設(shè)的光纜芯數(shù)有計(jì)劃性，不能少于節(jié)點(diǎn)數(shù)量。每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)運(yùn)用一條或一對獨(dú)立的光纖通道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)能有效利用線路的利用率，并且可以通過設(shè)備的優(yōu)化選型，有效避免此種網(wǎng)絡(luò)可靠性差的缺點(diǎn)。在此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只與一個(gè)監(jiān)控中心設(shè)備相連，或所有節(jié)點(diǎn)和一臺CPU獨(dú)立的監(jiān)控中心設(shè)備相連，因此，單個(gè)連接的故障只影響一個(gè)設(shè)備，不會影響全網(wǎng)，而且故障診斷容易，檢修方便。

　　這種組網(wǎng)方式的特點(diǎn)是，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(shí)清晰監(jiān)控到橋梁情況。一般12芯光纖足夠滿足線路需求。

　　此種連接方式的缺點(diǎn)是擴(kuò)容能力差，一旦增加節(jié)點(diǎn)，而且在橋梁通信線路鋪設(shè)時(shí)沒有留有多余的光纖資源，必須重新布線，在橋梁使用階段布線不但困難而且費(fèi)用較高。

　　圖1為橋梁監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)圖——點(diǎn)對點(diǎn)系統(tǒng)圖：

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　　基于光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)——鏈型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

　　鏈型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也稱為總線型結(jié)構(gòu)。在橋梁監(jiān)控建設(shè)中，只需要一芯或一對光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，所有的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)“串”在光纖上，監(jiān)控中心采用廣播的方式詢問各個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)刻做好接收的準(zhǔn)備，由于所有節(jié)點(diǎn)共享一條傳輸鏈路，所以只能是節(jié)點(diǎn)設(shè)備在不同的時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。這種通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由于技術(shù)原理造成了通信速率相對較低的缺點(diǎn)，不宜作大型橋梁通信方式。“串”在光纖上的設(shè)備，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備或一處光纖出現(xiàn)故障，都會造成故障處以后甚至全鏈路通信癱瘓中斷。并且故障點(diǎn)需要在各個(gè)節(jié)點(diǎn)排查，故障隔離難度系數(shù)大。(圖2)

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　　針對此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的局限性，也可通過監(jiān)控中心設(shè)備的智能化和節(jié)點(diǎn)設(shè)備改造有效避免。首先，節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)不再是單方向，而是可以向兩端發(fā)送;再者，在鏈路兩端各建立一個(gè)監(jiān)控中心。如果某一處出現(xiàn)故障，判斷監(jiān)控中心的設(shè)備詢問不到的節(jié)點(diǎn)即為故障點(diǎn)，更能通過兩端的監(jiān)控中心排查出故障點(diǎn)的出處。

　　鏈型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)也有其自身的優(yōu)點(diǎn)：

　　布線容易。光纖占用少節(jié)省光纖資源。橋梁建設(shè)初期，或在原有通信線路的基礎(chǔ)上，需要增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，由于光纖資源的限制，可采用鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　易于擴(kuò)容。如果要增加監(jiān)控線路的長度，或者增加節(jié)點(diǎn)，可加上一段光纖或在需要增加節(jié)點(diǎn)處將設(shè)備接入即可。

　　基于光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)——環(huán)型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

　　環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對設(shè)備要求性高，不僅要求設(shè)備能構(gòu)成一個(gè)閉合鏈路，而且要求有自愈倒換技術(shù)形成一個(gè)自愈環(huán)。目前可選用SDH、MSTP等同步數(shù)字體系設(shè)備，采用令牌環(huán)(Token Ring)的介質(zhì)訪問控制?？蛇x型的設(shè)備有標(biāo)準(zhǔn)化的接口，各種速率設(shè)備可選，光纖傳輸速率高。采用SDH、MSTP技術(shù)，既能傳輸各種監(jiān)控信號，也能傳輸視頻信號。此處視頻信號一般為IP傳輸方式。也有極少數(shù)設(shè)備能提供TDM非IP方式的視頻信號傳輸，使光纖帶寬利用率達(dá)到極限的同時(shí)，保證視頻監(jiān)控信號的實(shí)時(shí)，清晰度，并且通道物理隔離，各種數(shù)據(jù)安全可控。自愈環(huán)的構(gòu)成，使任何一處光纜中斷或某一節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)及視頻等監(jiān)控信號業(yè)務(wù)可以通過迂回方式，倒換到另一環(huán)上傳送，不影響整體網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營，網(wǎng)絡(luò)可靠性高。(圖3)

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　　橋梁監(jiān)控采用的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，光纜長度總體比星型網(wǎng)絡(luò)短，比鏈型網(wǎng)絡(luò)長。自愈環(huán)的建設(shè)有兩種方式，一種是環(huán)線路沿著橋梁布線，另一種方式為水下布線。一般來說，采用水下光纜的方式來構(gòu)成環(huán)的實(shí)際運(yùn)用比較多。而沒有水下布光纜的條件下，采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或星型+鏈型的綜合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較多。

　　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?，前者適于對圖像質(zhì)量要求高且反應(yīng)速度快的視頻監(jiān)控，如大范圍監(jiān)控、防撞監(jiān)控、路面車輛監(jiān)控等。后者適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，可做為原始視頻傳輸?shù)妮o助手段。原始視頻傳輸所需帶寬比較大，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(shí)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(shí)的數(shù)據(jù)量較大，但遠(yuǎn)小于視頻傳輸，此時(shí)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。如何使得這些接口能夠接入光纖傳輸系統(tǒng)，增加傳輸接口的數(shù)量、傳輸速率，提供更強(qiáng)的傳輸性能(如提供統(tǒng)一的工作時(shí)鐘)等，并大大地增強(qiáng)傳輸系統(tǒng)的可靠性，通常基于光纖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(gè)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。