桥梁超限预检系统设计方案.docx

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桥梁超限预检系统设计方案

桥梁超限预检系统设计方案

2015-11-16

前言

公路交通是国民经济大动脉，桥梁则是公路交通的咽喉要道，在保障公路通畅中桥梁起着至关重要的作用。

迄今为止，我国建成通车的高等级公路里程已达到上万公里，其中各类桥梁有22万多座（2010年交通部统计数据，未含市政桥梁）。

目前除大量的中小跨径桥梁外，为适应高等级公路向高原山区延伸和跨越江河湖海的需要，各种类型的大跨度桥梁也得到了很大发展。

其类型涵盖了梁式桥、拱式桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥等五大桥型体系。

反映了我国桥梁建造技术在勘察、设计、施工、科研等方面综合能力的巨大进步。

作为公路主要组成部分的桥梁工程，随着公路技术等级的不断提高，交通量和重型车辆的急剧增加，原设计标准较低的现有桥梁，已严重影响着公路运输事业的发展。

近年来桥梁垮塌等事故时有发生，给人民生命财产带来巨大的损失，桥梁的安全性问题日益引起各方面人士的广泛关注。

一系统背景

1.1近年部份桥梁垮塌事故案例

1）哈尔滨阳明滩大桥垮塌

2012年8月24日晨5点30分许，哈尔滨阳明滩大桥引桥发生坍塌，四辆大型货车坠桥，3人遇难5人受伤。

经鉴定，事故原因为货车严重超载。

2）北京宝山桥被超载车压塌

2011年7月19日，北京怀柔区白河大桥被超载大货车压塌。

一辆载重超过160吨的严重超载货车在通过北京怀柔宝山寺白河桥时，该桥发生坍塌。

宝山寺白河桥始建于1987年，2006年上部结构加固，经检测为二类桥梁，设计荷载为汽车－20级（6轴货车车货总重不超过55吨）。

3）吉林省道锦江大桥垮塌

2010年6月8日20时30分许，吉林省道302朝长公路194公里+100米处的锦江大桥突然垮塌，一辆行驶在桥上的大挂货车连同桥面坠入锦江，一辆出租车驶到垮塌大桥处时坠入桥下，货车与出租车共7人，6人受伤。

4）广东阳山青莲公路桥

2009年8月8日，广东阳山县境内的青莲公路桥路面被超载运煤车压塌。

5）浙江杭州余杭区伍杭镇运河桥

2004年8月14日凌晨1时许，杭州余杭区伍杭镇运河上的一座桥，被一辆满载石块的黄沙车压塌，造成水路、公路全部瘫痪，大卡车也坠入三米深的运河里。

以及：

1999年1月重庆市綦江彩虹桥在建成后不到3年的时间内就发生了整体垮塌，造成49人死亡的惨剧，直接经济损失600余万元。

2001年11月7日，四川省宜宾市金沙江南门大桥两端先后发生断裂，两辆汽车坠入江中，一艘小型船被毁，造成宜宾市区南北公路交通中断。

2007年6月15日广东九江大桥垮塌。

事故造成4辆汽车坠江，9人失踪。

2010年7月2日山西吕梁市兴县忻黑公路九龙大湾桥发生垮塌，致使陕、晋、蒙运煤大道忻黑县段全线封闭……等等。

桥梁坍塌事故一旦发生，不仅造成生命和财产的重大损失，同时对所在地区也造成极其重大的恶劣影响——公路桥梁的坍塌可能导致交通完全中断，市政桥梁则往往位于人口、车流密集区域，事故造成的损失和政治影响更是不容忽视。

1.2桥梁坍塌事故原因分析

1967美国西弗吉尼亚明尼阿波利斯横跨密西西比河的西弗大桥（Silver）在交通高峰期突然坍塌，死亡46人，其后美国联邦公路管理局（FHWA）和国家交通安全委员会建立了全国桥梁数据库的统计数据，并对全部事故进行调查、汇总结果，根据调查结果，公路桥梁坍塌的主要原因有：

1）设计、施工失误

2）车辆超载及密度过高造成的桥梁超负荷运行

3）使用期过长及养护不足

4）外部偶然因素，如洪水、撞击

除选址、设计、施工失误以及自然灾害之外，公路桥梁提前失效或损毁，最重要的原因就是车辆的严重超载和桥梁的超负荷运行。

桥梁所受损伤分为两种——突发损伤和累积损伤。

突发损伤由外部事件引起，如自然灾害（地震、台风）或偶然事件（爆炸、火灾、撞击）；累积损伤则由缓慢累积的性质，到一定程度就引起破坏，影响安全和使用。

我国近三十年来经济发展迅速，迄今为止超载现象仍然相当普遍，并且超载程度也相当严重，超载对于桥梁的使用寿命、维护成本乃至安全都带来了极大的隐患，造成很大的影响。

超载、负荷过大对于桥梁的影响是持续、累积和不可恢复的，不仅加速了老化、使得使用寿命缩短，并且整体的结构和强度也遭到破坏，日积月累，在某种外部诱因的影响下可能导致突然坍塌的重大事故。

由交通部、公安部和其它安全监管部门对系列桥梁坍塌事故所作的联合调查进一步表明：

除设计标准及使用年限外，我国近年来发生的一系列桥梁坍塌事故最主要和直接的原因是货车的严重超载！

超载对桥梁的主要危害有：

1）【易诱发桥面交通事故】超载车辆在桥面行驶无法保证行驶安全、极易出现制动失灵、侧倾、侧翻等交通事故。

2）【加速桥面损坏】单车严重超载，车轮对路面压强过大，并对路面板块形成弯折和剪切力，造成桥体道路结构的老化和损坏。

（根据研究，车辆超载倍数与对路面损坏程度呈8次方关系，即超载2倍的车相当于正常装载车辆行驶256次）

3）【对桥梁结构产生影响和破坏】多辆超载车辆在桥面行驶，会使桥梁总负荷过大，即通行区域车辆载重过大、密度过高，造成桥体总体载荷过大，容易破坏桥体的力学结构，使得桥体老化加快、使用寿命缩短、甚至发生坍塌事故。

1.3桥梁安全保护和超载检测的必要性

本世纪初，交通部已就桥梁安全的重要性，于2001年6月下发了《关于进一步加强桥梁养护管理工作的通知》以及《关于公路桥梁养护管理工作制度的通知》等重要文件,强调“重视桥梁的养护及安全管理工作”。

但至今大部分桥梁管理部门都仍延续人工、定期巡检的传统方式进行检查判定，没有实施更有效的手段来对桥梁的使用和健康状况进行有效、准确、定量的评估。

采用先进技术手段，对现役桥梁的使用、负荷等情况进行精确实时监测和统计，将此作为桥梁安全预警的基础，并配合相应的管理手段是今后桥梁安全保护和管理的必然方向。

无论公路桥梁还是市政桥梁，一旦发生坍塌事故，不仅经济、生命财产蒙受巨大损失，还会造成恶劣的社会、政治影响，涉及相关地区、行业管理部门、相关领导的重大责任。

防止此类恶性事故发生的有效办法，就是利用先进的技术手段对通过桥梁的车辆负荷进行有效地检测和监控，禁止严重超载车辆通过桥梁、减少超载车辆的通行量。

1.4超载监测的解决方法

为全面掌握各路和桥梁的超重车辆通行状况，为行政执法查处提供依据，提出了超重车辆高速动态称重管理系统，此系统基于压电电缆传感式动态称重和视频监测技术的非现场超限超载执法系统，可实现对各种正常行驶车辆的动态称重功能，能在10-200Km/h速度范围内检测过往车辆的轴重、总重、车型、流量、速度及加速度等参数，可对货运机动车超限超载进行有效治理。

根据执法需求，可依法对超限超载车辆进行治理。

高速称重能保证了整个超限超载检测管理系统能够在交通流量较大或车速较快的路段快速识别超限超载车辆而不影响正常交通；系统首次实现超限超载的非现场执法，通过高速动态称重和视频监测有机结合，提供了非现场执法依据，大大节省了人力成本。

此系统用于道路桥涵，也适用于车速较高的高等级公路、交通量较大的干线公路等应用场合超限超载车辆的治理。

二系统应用介绍

2.1系统应用对象和环境介绍

本系统克服了现有超限超载治理系统，适用环境和对象有限/场地投入大，人力成本高，需要大量人员现场值守等不足，其使用对象和环境广泛：

Ø可在城市道路中应用，用于车辆的超限超载治理；

Ø可在高速公路、国/省道中应用，用于对超限超载车辆的治理；

Ø可用于道路桥梁等环境下，起到监测和保护的作用。

2.2系统在超限超载治理和管理中的作用

非现场执法在桥梁及高速公路交通管理工作中的作用主要有以下几方面：

Ø弥补了交通安全管理空当，提高了交通安全管理工作效率，保护了路桥在使用中的安全。

非现场执法通过在重点路段设置前端检测点，实现了对道路交通的全天候24小时不间断数据采集与分析，解决了必须建立固有治超站的不足，同时节省了一定的人力投入，加强了路面管控力度。

Ø非现场执法重证据、重事实，减少了人为因素的干扰，进一步促进了执法公正。

非现场执法针对的是车辆的超限超载行为，不会因超限超载对象的身份不同而区别对待，不会出现执法人员现场执法时，司机讨价还价，甚至阻挠、抗拒等干扰因素；采集的违法数据真实确凿，录入计算机系统后，经管理部门严格设定管理权限，不能随意更改、删除违法数据；有效地避免了说情、走后门等不正之风，最大限度地保证了公正执法。

Ø有效避免执法过程中可能遇到的突发事件。

非现场执法最直接的优点，就是减少了执法与违法行为人的直接接触。

同时，在接受处罚时，由于重事实、重证据、重程序公开，当事人对此争议较少，容易接受处罚，避免了少数违法人在直接面对站内执法人员时容易产生的对抗心理，从而在一定程度上避免了执法过程中的突发事件的发生。

三系统总体设计方案

3.1系统总体设计原则

本公司对建立高速称重点的设计总体要求及相关模块的技术参数要求突出以下重点：

1）所用设备成熟性原则

此方案所选用的相关硬件模块，主要是国际国内有名的品牌，如称重模块中称重传感器采用美国精量公司生产的压电传感器，此类传感器至今已生产15年已上，已生产超过5万条。

此方案采用的称重数据采集模块设备使用的是国产自主研发生产数据采集仪。

2）先进性原则。

采用的系统结构按照国际上超载车检测及管理的经验，系统称重精度为先进水平，根据公司多年类似设计项目经验系统总重的误差可控制在10%至内，结构系统代表了当今国际国内先进水平。

3）省钱实用性原则。

系统选用的称重传感器为具有世界先进水平的压电薄膜传感器，此类型传感器具备对动态车辆的检测响应快，称重精度高，有具备成本相对低廉的特点。

系统选用的称重数据处理设备具有集成度高的特点，一台设备不仅可以检测处理称重传感器的信号，同时也可以检测车进车出的信号。

系统自带车检器的功能，一机二功能，比同类产品费用大大降低。

4）开放的体系结构

系统采用模块化设计，硬件模块接口具备了目前流行的通用接口、软件模块化设计，使系统和其他相关系统连接或今后软件、硬件升级变的容易。

开放的体系结构和使用当中具有科学性的系统,可以无缝隙的与现治超系统相

3.2系统可实现的功能

1）在主要干道上，安装对车辆进行高速称重的全自动化检测设备，在不影响正常交通的基础上，检测出超载车。

通过智超信息化网络将超载车的信息实时传输到监控中心、超限检测站、流动检测站等，对进入城区的超重车可达到全面的掌控。

2）由自动化的检测设备及互联网的技术建立全自动检测点，代替靠人员的检查点，可以减小人员配置及管理，同时用科技设备检测为科学文明执法提供手段。

3）主要干道自动检测点的设置，可以将超载监控管理纳入长效运行机制，通过广泛宣传使社会车辆道路上布有检测网络，建立不能超载的观念。

4）全自动检测点可以自动检测出超载车并同时检测到此车的如下数据：

全车图片、车前脸特写图片、车牌照号、单轴重、轴数、轴组重、总车重、轴间距、总轴距、车长、高度、宽度、车速、车流量、车间距，行驶方向，车型，时间和日期。

3.3系统拓扑图

3.4系统数据流程图

3.5可扩展的系统网络图

四高速动态称重系统的组成

4.1系统的组成与原理

4.1.1系统组成

本套系统主要有两部分构成，前端车辆信息采集系统及后端非现场执法管理平台，如下图：

车辆信息采集系统，主要由称重设备、高清车牌识别系统、车型检测器、工控机、可变情报板、车辆信息检测软件以及相应的安装辅材、线缆线材构成。

主要用于车辆重量数据、车辆图片及车牌信息的采集，超限车辆的报警提示，以及现场数据的上传。

货车超载超限非现场执法管理平台主要由数据库服务器、数据接收和处理服务器、数据备份服务器、WEB服务器、数据备份服务器、WebService数据接收处理软件、管理平台WEB服务软件、数据库等构成。

平台可接收前端车辆信息采集系统上传的数据，并对数据进行安全的存储、管理，提供功能强大的WEB服务应用，包括数据车辆查询、统计、执法管理、站点管理等，并提供公众信息查询系统的演示功能。

4.1.2工作原理

压电称重传感器输出的电压信号与车辆压过的压力相对称的。

信号由控制器转换成电压。

此电压信号用来决定轴被检测到的时间，电压的大小计算出相应轴的重量，每车道2条压电传感器相距3米。

地感线圈安装为2米见方。

线圈对称在传感器中间。

同一车轴经过2条压电传感器的时间被3米来除可以得出此车的速度。

车的轴距是用分别通过一条压电传感器轴时间乘上速度来得出。

系统给测出的轴距是两条压电传感器分别计算的轴距的平均。

当车辆通过线圈中感应区域时，安装道路上地感应线圈的感应值发生改变（上图中深蓝色的长方框），引起控制器内部感应探测器震动频率的变化。

这种频率变化用于系统判定是否有车辆通过感应线圈。

车辆的长度由其金属底盘激活地感应线圈的时间长度而得出。

感应信号也用来区别前车及后车。

4.2系统技术指标

●单轴额定载荷：

30t；

●单轴最大过载能力：

200%；

●速度量程：

10～200km/h

●动态检测精度：

±10%（95%置信度）

●防护等级：

IP68

●MTBF≥20000h；

●工作环境温度范围：

-40℃～+85℃；

●相对湿度范围：

0～95%。

4.3主要设备

4.3.1称重采集仪

称重采集仪（车道单元）用于处理动态称重系统所有的信号和信息。

高速动态称重采集仪是由我公司自主研发制造，产品是10年研发并投入使用,已全国20多个省安装使用过。

这种系统每一车道安装2条压电轴载称重传感器及1个地感应线圈。

控制器设备安装在路边机箱内并与道路上传感器连接。

可监测到车辆通过压电传感器时所产生的信号，此信号可以用来计算轴负荷，车速及车辆轴距。

地感线圈的信号用以判定当前是否有车辆通过，地感线圈的信号也可决定车辆底盘长度,也被系统用于检测前后车。

采集仪的技术参数如下：

1）总重误差范围：

≤10%；

2）置信度：

95%；

3）速度范围：

10—200km/h；

4）荷载能力（单轴）：

30t；

5）过载能力（单轴）：

200%；

6）速度误差：

±2Km/h；

7）流量误差：

小于5%；

8）轴距误差：

±150mm；

9）检测参数信息：

日期和时间、速度、车轴数量、车轴间距、车型、车轴重量、轮重、轴重、轴组重、车辆总重、分类类型、总轴距、车长、车道号和行驶方向、数据记录序号、标准当量轴次、违例类型代码、车辆加速度、车辆间隔时间（毫秒）等；

10）仪器寿命：

MTBF≥20，000h；

11）工作电压：

AC220V±10%，50Hz±4Hz；

12）环境温度：

-40～80℃；

13）湿度：

0～95%；

14）安装方式：

在路面浅表层镶嵌。

15）信号范围：

±10mVDC；

16）采样速率：

150kHz；

17）信号传输方式：

RS422/RS232/RS485多种接口实时传输。

4.3.2称重传感器

这种压电薄膜轴交通传感器是美国MSI公司开发和生产的，此种传感器目前已在世界上三十多个国家得到了广泛的应用，安装数量超过了55000根。

该传感器可以被用于检测车轴数、轴距、轴荷、车速、轮距、轮胎数等各种参数，因而在车型分类、动态称重（WIM）、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通信息采集（道路监控）及机场滑行道监控等应用实例中都有用武之地。

压电薄膜的独特结构和工作原理造就了他在以下几方面无与伦比的优势、精确的速度信号、可靠的触发信号和按国际最新车型分类标准的分类信息采集及详尽实时的车辆统计数据。

传感器图片：

传感器主要技术参数如下：

线芯：

16AWG扁平编织镀银铜芯线

压电材料：

极化压电聚合物涂层P

外护套：

0.4毫米黄铜管

外形尺寸：

6.6*1.6毫米

路面开槽尺寸：

19宽*19深毫米（使用专用灌缝胶与路面填平）

绝缘电阻：

〉500Mohm

电压常数：

200pC/N

无源信号电缆：

RG58

精度误差：

长度方向+-7%

工作温度：

-40%---80%

温度灵敏度：

0.2%/C

传感器寿命：

〉4000万次~1亿次（等效轴载）

此传感器有如下特点：

1）使用寿命长

传感器使用寿命达到1亿次/等效轴次远大于同类型使用穿感器2千万/等效轴的使用寿命，使用寿命超过10年

2）安装简单，施工快

传感器的独特结构可以使它直接以柔性的形式安装在路上可以更好的配合路面的形状。

传感器扁平的结构可排斥驶进车辆对路面的行驶产生的固有的噪声及临近车辆的信号干扰。

安装传感器时只需路面开19MM*19MM与路同宽的槽。

这样可以给路面带来最小的损坏、施工时间短、安装所需填料少。

传感器安装剖面示意图

3）覆盖整个车道，不漏检

单根称重传感器长度可达6米，标准长度3.5米，安装时全长度覆盖车道截面。

传感器现场安装图片

4.3.3控制柜

控制柜用于安装电源、开关保护配件、风机、称重控制器、电荷放大器、线圈车检器、光端机等设备。

整机使用全不锈钢结构，做工方面力求精益求精。

外观美观，结构稳定，经久耐用，能够使内部所有设备长期可靠工作。

■使用环境，温度：

-40℃～+85℃，相对湿度≤95%。

■防护等级：

IP65；

■通信接口：

RS-232串行口、CANOPEN、LAN口；

■数据传输：

控制柜配备光端机，称重控制器通过RS232或以太网连接光端机，再由光纤进行数据传输，使信号稳定可靠，具有极高的抗干扰能力；

■具有防雷、抗浪涌冲击装置；

■机柜内置温控器和轴流风机，调节机柜内始终处于适当的温度范围内；

■MTBF≥20000h；

■控制柜箱体厚度为2mm的冷轧不锈钢材料，门锁采用防盗锁。

4.3.4车牌识别及悬臂支撑架

预检系统中的车牌识别采用海康的车牌自动识别系统。

该系统应用先进的计算机视觉技术和数字信号处理（DSP）技术而研制开发的专用车牌自动识别设备。

视频图像采集前端

系统功能

Ø视频流逐帧识别。

提取出视频中所存在的车牌号码信息、颜色信息，并同时提供相应的包含车辆的单帧或多帧图片、车牌小图、车牌二值化图等信息；

Ø可提供车辆附加信息输出，如实时车牌大小以及位置信息；

Ø可接入外部硬件和软件触发信号，如接入车辆检测器的触发；

Ø可对外输出硬件触发信号，如同步其它后级设备；

Ø通过动态特征检测技术，实现无牌车的检测与抓拍；

Ø提供10/100M自适应以太网接口，用于结果传输和命令控制；

Ø提供RS232串行接口，用于简单结果传输和命令控制；

Ø提供CDMA/GPRS无线传输接口；

Ø提供识别结果的输出时间定制功能；

Ø提供特殊车牌过滤或告警设置功能；

Ø提供实时视频传送功能；

Ø提供雷达测速接口，用于超速治理；

Ø提供全景抓拍功能；

Ø提供用户远程升级功能；

Ø提供设备自恢复功能；

Ø提供对前端LED频闪光源的全功能控制，以适应不同的应用环境；

Ø提供一整套软件开发包（SDK）以及相关使用说明文档，如动态链接库（DLL）、ActiveX控件（OCX）；

系统技术指标：

识别符合“GA36-92”（92式牌照）和“GA36.1-2001”（02式牌照）标准的民用车牌照和04式新军车牌照与07式新武警车牌照的汉字、字母、数字、颜色等信息；

型号

名称

1/1.8" CCD智能交通网络摄像机

摄像机

传感器类型

1/1.8" Progressive Scan CCD

最低照度

0.1Lux@（F1.2,AGC ON）

快门

1/25秒至1/100，000秒

镜头接口类型

C/CS接口

自动光圈

DC驱动

压缩标准

视频压缩标准

H.264/MJPEG

压缩输出码率

32 Kbps~16M bps

图像

图像格式

JPEG

最大图像尺寸

2048*1536

帧率

25fps（2048*1536）

图像设置

饱和度,亮度,对比度,白平衡,增益, 3D降噪通过软件可调

网络功能

存储功能

支持SD/SDHC,USB 存储设备

支持协议

TCP/IP,HTTP,DHCP,DNS,RTP,RTSP,NTP,支持FTP上传图片

通用功能

心跳,密码保护,NTP校时

抓拍功能

图片格式

采用JPEG 编码，图片质量可设

智能识别

车牌识别、车型识别、车辆检测、违章检测

闪光灯控制

闪光灯自动光控、时控可选，支持频闪

专用功能

支持信号灯同步、红绿灯信号状态输入、视频检测红绿灯信号状态、违章连续抓拍

接口

通讯接口

1 个RJ45 10M/100M/1000M 自适应以太网口,1个 RS-485 接口

触发输入

4路外部触发输入

触发输出

3路（光耦隔离2500VAC）,可作为闪光灯同步输出控制

同步输入

SYNC 信号灯电源同步输入

视频输出

1Vp-p Composite Output（75Ω/BNC）

一般规范

工作温度湿度

-30℃~70℃,湿度小于90%（无凝结）

电源供应

DC12V±10%

功耗

10W MAX

尺寸（mm）

150.1×84×69.6

重量

1450g

龙门架/悬臂支撑架用于安装车牌识别摄像机，安装柱采用镀锌焊接钢管制造，底座法兰盘与路面基础相连接，整个龙门架/悬臂支撑架应防腐处理，除锈后涂防锈漆。

龙门架/悬臂支撑架净空高度不小于6m，结构稳固，底座结实，在风速35m/s时摄像机不产生晃动。

效果图：

4.3.5全景监控摄像机

每个预检检测点配置1个全景监控摄像头，安装于抓拍龙门架上，枪口面向来车方向，对检测点车辆通行状况进行实时监控，球机为130万高清摄像机，全景摄像机技术参数如下：

DS-2DM7274-A（B）

镜头

焦距

4.7-94mm, 20倍光学

变倍速度

大约3秒（光学, 广角-望远）

水平视角

58.3-3.2度（广角-望远）

近摄距

10-1000mm（广角-望远）

光圈数

F1.4-F3.5

红外功能

红外照射距离

150米

红外角度

根据焦距可变

网络

最大图像尺寸

1920×1080

主码流分辨率及帧率

50Hz:

25fps（1920×1080）、25fps（1280×720）

60Hz:

30fps（1920×1080）、30fps（1280×720）

视频压缩

H.264/MJPEG/MPEG4，H.264编码支持Baseline/Main/High Profile

音频压缩

G.711/G.722/G.726/MP2L2/AAC

网络协议

IPv4/IPv6,HTTP,HTTPS,802.1x,Qos,FTP,SMTP,UPnP,SNMP,

DNS,DDNS,NTP,RTSP,RTCP,RTP,TCP,UDP,IGMP,ICMP,DHCP,PPPoE,Bonjour

同时预览视频数

最多20路

用户权限

最多32个用户，分3级:

管理员、操作员和普通用户

一般规范

菜单

中、英文

电源

   AC24V 

35W max（其中红外灯15W max，加热6W max）

工作温度和湿度

-30 ℃-65℃

湿度小于90%

防护等级

IP66（室外球）

TVS 4000V 防雷、防浪涌、防突波，符合GB/T17626.5 四级标准

安装方式

多种安装方式可选根