基于光纤传输的宽带业务桥梁监控系统

　 运营管理

　　随着大跨度和特大跨度桥梁的增加，专家们对大型的、重要桥梁的安全性、耐久性、日常管理等功能越加关注。其运营管理一般归属于交通建设部门，系统包括收费管理、车辆载荷监测、信号灯/指示牌管理、车流量管理等等。这些信息供桥梁安全运营管理部门使用。

　　目前主要桥梁均有这种设施，除一些桥梁使用租用的E1通道外，还有使用电缆专线系统的。由于目前需要视频监控业务、连接数据库的宽带以太网业务越来越多，因此光纤通信是最佳的选择，在光纤上除能够提供这些宽带业务外、还能提供符合原有接口条件的各种信号系统，并能为车辆提供增值业务，如RF标签识别、WLAN等热点覆盖、移动电视的中继传输。

　　安全监控

　　安全监控系统包括水面防撞监控、路面车辆超限监控、桥面人员安全监控等，这些信息和信号灯/指示牌管理、车流量管理等将被送到公安交通管理部门。

　　目前桥梁的视频安全监控手段采用的也比较多，但通常是监测点比较少、监测手段比较单一，如多是采用红外补光摄像系统和白天使用的摄像头，在雨雾天能够穿透雨雾的摄像头(如热成像、X射线等手段)，以及微波成像雷达等。

　　桥梁健康监控

　　桥梁健康监控的新概念与传统的监测技术不同，大型桥梁健康监控不仅是为了结构状态的实时监控和智能化评估，也可为桥梁的“身体健康”提供相应的依据。由于目前桥梁建设方面技术的局限性，在设计阶段完全准确及预测桥梁的力学特征和行为是很困难的，尤其是斜拉桥、悬索桥等大型桥梁的健康监控，可以为桥梁建设技术领域提供有效的分析数据，甚至可以对相关的规范标准进行校正及改进。

　　健康监控体检系统包括桥梁各种状态参数，如应变、压力、结构温度、空气噪声、振动、位移、墩船撞荷、挠度、拉索张力等，这些信息将被送到桥梁运营监理部门。

　　基于桥梁智能化发展的需要，可以预测到未来的桥梁是一个基于光纤传输的宽带多业务智能接入平台。该平台将集点到点的星状网络与链型网络、环型网络于一体的智能多业务接入系统。

　　目前少数桥梁装有多种传感测量手段，主要问题是测量点分布的较少，能够使用统一时钟进行同步测量的少、测量项目不太全面。主要原因是受限于传输方式的限制，目前还有一些测量系统使用电缆传输手段，也有一些使用光纤传输手段，但传输通道较少。以下分别介绍基于光纤传输的三种有效网络结构，能有效避免这些问题。

基于光纤传输网络——点对点拓扑网络

　　点对点桥梁监控网络结构也称之为星型网络结构。由中心节点(一般为监控中心)的设备对每一个节点的设备进行管理，每一个节点的设备将数据传输到监控中心进行汇总分析管理。

　　一般来说，此种网络结构运用的设备分为两种，一种是监控中心独立式结构;另一种是监控中心集中式结构。前者在监控中心的设备数量等于监控节点设备的总数，设备数量多，占用空间大，但某一节点设备故障时，不会影响其他传输链路上的设备，网络的相互影响比较小。后者需要在监控中心设置一个功能较强的数据处理中心，所有数据都汇集到这个“数据处理中心”，再进入操作平台。但是，一旦数据处理中心发生故障或处理能力不足时，全网络的通信都会受到影响。因此，需要对集中式的监控中心设备进行优化处理，一般将对应各个节点的数据处理部分独立设计，集中设计的部分不涉及数据处理功能，只将网络管理及电源部分功能模块进行共享，并且做好冗余备份处理。

　　此种结构需要桥梁通信线路建设时，预铺设的光缆芯数有计划性，不能少于节点数量。每个监控点运用一条或一对独立的光纤通道。每个节点能有效利用线路的利用率，并且可以通过设备的优化选型，有效避免此种网络可靠性差的缺点。在此种拓扑结构中，每个节点只与一个监控中心设备相连，或所有节点和一台CPU独立的监控中心设备相连，因此，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响全网，而且故障诊断容易，检修方便。

　　这种组网方式的特点是，系统独立性强，故障干扰小，光纤带宽大，原始视频图像传输，在中心实时清晰监控到桥梁情况。一般12芯光纤足够满足线路需求。

　　此种连接方式的缺点是扩容能力差，一旦增加节点，而且在桥梁通信线路铺设时没有留有多余的光纤资源，必须重新布线，在桥梁使用阶段布线不但困难而且费用较高。

　　图1为桥梁监控系统组网图——点对点系统图：

基于光纤传输网络——链型拓扑网络

链型拓扑结构也称为总线型结构。在桥梁监控建设中，只需要一芯或一对光纤作为数据传输介质，所有的监控节点“串”在光纤上，监控中心采用广播的方式询问各个节点，各个节点时刻做好接收的准备，由于所有节点共享一条传输链路，所以只能是节点设备在不同的时间发送数据。这种通信网络结构由于技术原理造成了通信速率相对较低的缺点，不宜作大型桥梁通信方式。“串”在光纤上的设备，任何一个节点设备或一处光纤出现故障，都会造成故障处以后甚至全链路通信瘫痪中断。并且故障点需要在各个节点排查，故障隔离难度系数大。(图2)

　　针对此种网络结构的局限性，也可通过监控中心设备的智能化和节点设备改造有效避免。首先，节点设备发送数据不再是单方向，而是可以向两端发送;再者，在链路两端各建立一个监控中心。如果某一处出现故障，判断监控中心的设备询问不到的节点即为故障点，更能通过两端的监控中心排查出故障点的出处。

　　链型拓扑网络也有其自身的优点：

　　布线容易。光纤占用少节省光纤资源。桥梁建设初期，或在原有通信线路的基础上，需要增加节点时，由于光纤资源的限制，可采用链型网络结构。

　　易于扩容。如果要增加监控线路的长度，或者增加节点，可加上一段光纤或在需要增加节点处将设备接入即可。

基于光纤传输网络——环型拓扑网络

　　环型拓扑结构对设备要求性高，不仅要求设备能构成一个闭合链路，而且要求有自愈倒换技术形成一个自愈环。目前可选用SDH、MSTP等同步数字体系设备，采用令牌环(Token Ring)的介质访问控制。可选型的设备有标准化的接口，各种速率设备可选，光纤传输速率高。采用SDH、MSTP技术，既能传输各种监控信号，也能传输视频信号。此处视频信号一般为IP传输方式。也有极少数设备能提供TDM非IP方式的视频信号传输，使光纤带宽利用率达到极限的同时，保证视频监控信号的实时，清晰度，并且通道物理隔离，各种数据安全可控。自愈环的构成，使任何一处光缆中断或某一节点故障时，数据及视频等监控信号业务可以通过迂回方式，倒换到另一环上传送，不影响整体网络的运营，网络可靠性高。(图3)

　　桥梁监控采用的环型网络，光缆长度总体比星型网络[FS:Page]短，比链型网络长。自愈环的建设有两种方式，一种是环线路沿着桥梁布线，另一种方式为水下布线。一般来说，采用水下光缆的方式来构成环的实际运用比较多。而没有水下布光缆的条件下，采用星型网络结构或星型+链型的综合网络结构比较多。

　　对于视频监控的需求，通常有无压缩的原始视频传输和采用MEPG4/H.264压缩技术的IP传输等手段，前者适于对图像质量要求高且反应速度快的视频监控，如大范围监控、防撞监控、路面车辆监控等。后者适于图像做为辅助手段的变化速度慢的目标监控，如江面船只监控、路面人员监控等，可做为原始视频传输的辅助手段。原始视频传输所需带宽比较大，宜采用星型网络、考虑到系统的安全性，可以在桥的两端设置主监控中心和辅助监控中心。

　　对于数据传输的需求通常分为IP包传输手段和时分复用手段。基于IP包的传输数据量一般不大，只有动态应变测试时的数据量较大，但远小于视频传输，此时要求系统的可靠性比较高，一般采用带有光纤冗余的环网传输系统。

　　目前使用最多的各种健康参数测量系统通常使用RS485总线、CAN总线、RS232串口等。如何使得这些接口能够接入光纤传输系统，增加传输接口的数量、传输速率，提供更强的传输性能(如提供统一的工作时钟)等，并大大地增强传输系统的可靠性，通常基于光纤的宽窄带一体化接入设备能够满足这种环境的要求。系统将是一个沿桥梁布局的链网结构。在有更高系统可靠性要求的情况下，可以使用光纤冗余环网系统。在这种网络中如果某处光纤断开，系统能够自动沿备用光纤愈合，不影响用户通信。