CN114926951A - 一种桥梁火灾预警系统及预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于火灾预警技术领域,涉及一种桥梁火灾预警系统及预警方法。该系统通过将红外测温模块、TOF激光雷达模块、单片机模块和网络传输模块集中安装至现场监测装置中,无需在桥梁内部安装传感器,使该系统在新桥和旧桥中都能够发挥作用。该系统所用现场监测装置安装便捷,可采用工厂化制作,加快了制作速度,节约了成本;并采用远端监控中心对桥梁火灾提供计算与预测保障,对火灾和桥梁状态做到实时监测、实时计算、实时对比、实时预测,对救援人员提供指挥意见参考,对救援行动做到充分支援、沟通有效。
Description
技术领域
本发明属于火灾预警技术领域,涉及一种桥梁火灾预警系统及预警方法。
背景技术
桥梁作为国家交通网络的重要组成部分,通常发挥着交通枢纽和关键节点的作用,体现了国家的科学技术水平,也促进了当地的经济发展。随着我国交通建设的快速发展,交通网络密度的提高,经济发展使各地的交通量增加迅速,尤其促进了以油罐车为代表的大型危化品运输车辆的物流需求,从而引发的桥梁火灾愈加频繁。
桥梁或位于交通繁忙的闹市,或位于位置偏移的郊区,在发生火灾时消防救援通常较为滞后。桥梁处于开放环境,充足的氧气加剧了火灾的燃烧,尤以油罐车火灾为例,碳氢化合物的燃烧温度在几分钟内能够达到1000℃。燃烧一段时间后,混凝土发生大面积的爆裂,结构开裂严重,内部预应力钢束与普通钢筋在火灾下强度下降出现软化现象,导致桥梁垮塌破坏。
桥梁火灾预警技术的严重缺乏,导致桥梁火灾通常只能通过路人报警,迟滞了消防救援的速度,且对桥梁火灾的规模和桥梁结构垮塌的时间无法准确预估,容易造成人员财产安全的二次损失。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种桥梁火灾预警系统及预警方法,能够对桥梁火灾提供计算与预测保障,对火灾和桥梁状态做到实时监测、实时计算、实时对比、实时预测,在保证救援人员人身安全的同时有效提高其工作效率。
为实现上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一方面,本发明提供了一种桥梁火灾预警系统,包括:
现场监测装置,用于监测桥梁的实时温度数据信息和变形信息;所述现场监测装置包括立柱,所述立柱上安装有监测箱,所述监测箱内安装有红外测温模块、TOF激光雷达模块、单片机模块和网络传输模块,所述立柱的顶部安装有报警模块和太阳能供电模块,且位于监测箱的上方;所述红外测温模块和TOF激光雷达模块分别与单片机模块连接,所述单片机模块通过网络传输模块与报警模块连接;
远端监控中心,用于接收所述现场监测装置的数据信息及救援人员终端反馈的数据信息;
救援人员终端,用于接收所述远端监控中心的数据信息。
进一步,所述现场监测装置至少安装在桥头、桥墩或距桥侧边100~200m处的任一位置,以保证实测数据的全面性。
进一步,所述太阳能供电模块包括太阳能电池板,与所述太阳能电池板相连接的蓄电池,所述蓄电池用以给红外测温模块、TOF激光雷达模块、单片机模块、网络传输模块和报警模块供电。
进一步,所述太阳能电池板还安装有太阳能跟踪装置。
进一步,所述报警模块采用声光报警器。
进一步,所述红外测温模块和TOF激光雷达模块均设置监测箱的正面,所述单片机模块和网络传输模块均安装在监测箱的背面。
另一方面,本发明还提供了一种桥梁火灾预警方法,应用如上部分或全部所述的桥梁火灾预警系统,具体包括以下步骤:
1)先利用红外测温模块实时采集桥梁的温度数据,单片机模块根据接收到的温度数据确定是否启动报警模块发出第一报警信号;当所述报警模块发出第一报警信号,对所述温度数据进行复核,并将所述温度数据输入桥梁模型中计算桥梁结构状态,从而预测未来时间段内的桥梁结构状态;
2)再利用TOF激光雷达模块对指定位置进行测距,将得到的距离数据传输至单片机模块进行计算得到指定位置的变形量,通过网络传输模块将所述变形量传输至远端监控中心;当指定位置的变形量大于或等于设定的变形阈值时,单片机模块再次启动报警模块发出第二警报信号,所述远端监控中心在接收到所述第二警报信号后,再次复核桥梁结构状态、更新桥梁结构状态预测数据,从而向救援人员提供桥梁垮塌的时间预警。
进一步,所述步骤1)具体包括:
步骤1.1)、常态化开启红外测温模块,利用所述红外测温模块实时采集桥梁的温度数据,并将采集到的温度数据反馈给单片机模块,所述单片机模块对接收到的温度数据进行处理,再通过网络传输模块传输至远端监控中心的数据库进行存储;
步骤1.2)、根据所述温度数据确定是否启动报警模块发出第一报警信号;当所述远端监控中心接收到报警模块的第一警报信号后,复核温度数据,并将所述温度数据输入桥梁模型中计算桥梁结构状态,从而预测未来时间段内的桥梁结构状态;同时将温度数据和预测结构数据发送至救援人员终端,方便为救援行动提供技术支持。
进一步,所述步骤1.2)中根据所述温度数据确定是否启动报警模块发出第一报警信号的具体方式如下:
进一步,所述步骤2)中当指定位置的变形量大于或等于设定的变形阈值时,包括以下情况:
与现有技术相比,本发明提供的技术方案包括以下有益效果:一方面,该预警系统从易实施性出发,通过将红外测温模块、TOF激光雷达模块、单片机模块和网络传输模块集中安装至现场监测装置中,并采用统一供电、统一操作,无需在桥梁内部安装传感器,使该系统在新桥和旧桥中都能够发挥作用;而且,所用现场监测装置安装便捷,可采用工厂化制作,加快了制作速度,节约了成本。另一方面,该系统从智能性出发,采用远端监控中心对桥梁火灾提供计算与预测保障,对火灾和桥梁状态做到实时监测、实时计算、实时对比、实时预测,对救援人员提供指挥意见参考,对救援行动做到充分支援、沟通有效。此外,该现场监测装置既能够在单座桥安装多个以提高监测精度,也能够在多座桥设置并通过同一远端监控中心进行监控以提升监测效率,减少人力成本。
再一方面,该预警方法将火灾预警分为两个阶段,第一阶段包括火源位置、火灾规模、火灾温度等的探测,为救援人员制定救援方案提供参考,提高了救援效率;第二阶段包括火灾下桥梁结构状态的探测,向救援人员提供桥梁垮塌的时间预警,为现场救援人员的逃离提供参考时间。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分,与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而言,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的桥梁火灾预警系统的原理框图;
图2为本发明中现场监测装置正面结构示意图;
图3为本发明中现场监测装置背面结构示意图;
图4为本发明中现场监测装置的结构爆炸图;
图5为本发明中通过TOF激光雷达模块计算结构变形的原理图;
图6为本发明实施例2中模型梁跨中底部的温度随时间的变化曲线;
图7为本发明实施例2中模型梁跨中底部的挠度随时间的变化曲线。
其中:1、太阳能电池板;2、蓄电池;3、监测箱;301、红外测温模块;302、TOF激光雷达模块;303、单片机模块;304、网络传输模块;4、立柱;5、报警模块。
这里将详细地对示例性实施例进行说明,其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时,除非另有表示,不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反,它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统、方法的例子。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例
参见图1所示,本发明提供了一种桥梁火灾预警系统,包括:
现场监测装置,用于监测桥梁的实时温度数据信息或变形信息;所述现场监测装置包括立柱4,所述立柱4上安装有监测箱3,所述监测箱3内安装有红外测温模块301、TOF激光雷达模块302、单片机模块303和网络传输模块304,所述立柱4的顶部安装有报警模块5和太阳能供电模块,且位于监测箱3的上方;所述红外测温模块301和TOF激光雷达模块302分别与单片机模块303连接,所述单片机模块303通过网络传输模块304与报警模块5连接;
远端监控中心,用于接收所述现场监测装置的数据信息及救援人员终端反馈的数据信息;
救援人员终端,用于接收所述远端监控中心的数据信息。
进一步,所述现场监测装置根据实际需求可围绕桥梁设置多套,分别设置于桥梁靠近桥头处、桥墩处和距桥侧边100~200m处,同时将传感模块(红外测温模块301、TOF激光雷达模块302)正面对准桥跨中心和其余变形敏感部位(包括桥梁跨中底部、侧面、桥梁四分点处、桥墩顶部或桥墩中部)。
进一步,太阳能供电模块包括太阳能电池板1,与所述太阳能电池板1相连接的蓄电池2,所述蓄电池2用以给红外测温模块301、TOF激光雷达模块302、单片机模块303、网络传输模块304和报警模块5供电;红外测温模块301和TOF激光雷达模块302与单片机模块303连接输入信号,所述单片机模块303与网络传输模块304和报警模块5连接输出信号。
参见图2-3所示,太阳能电池板1与蓄能锂电池一起安装在监测箱3上方,太阳能电池板1与蓄能锂电池连接蓄能,蓄能锂电池与监测箱3内各模块连接为其供电,监测箱3安装在立柱4之上,报警模块5设置在蓄能锂电池上方,并与蓄能锂电池连接接受供电。
优选的,报警模块5可选用声光报警器或蜂鸣器;太阳能跟踪装置包括控制器、微型电机和转轴等,当太阳能电池板1的输出电压出现下降时,控制器启动微型电机,微型电机通过带动转轴的转动来改变太阳能板的仰角,保证阳光能够垂直照射,从而提高太阳能的吸收效率。
参见图4所示,监测箱3内部设置红外测温模块301、TOF激光雷达模块302、单片机模块303和网络传输模块304。其中,红外测温模块301和TOF激光雷达模块302设置监测箱3正面一侧,红外测温模块301的探头和TOF激光雷达模块302的玻璃窗口安装在监测箱3预留的窗口内,单片机模块303和网络传输模块304安装在监测箱3背面一侧。具体地,红外测温模块301和TOF激光雷达模块302在使用时需将测温镜头对准全桥或局部范围,并调整TOF激光雷达模块302的角度,使其对准所需测距点位。
该系统,具体的工作原理如下:
红外测温模块301和TOF激光雷达模块302的电压信号经放大、滤波处理后输入单片机模块303,单片机模块303进行A/D转换后处理数据并存储,再通过网络传输模块304向远端监控中心发送数据;
启动TOF激光雷达模块302对桥梁结构的指定位置(包括桥跨中心、桥梁跨中底部、侧面、桥梁四分点处、桥墩顶部和桥墩中部等关键位置)进行测距,单片机模块303根据接收到的距离数据计算得到指定位置的变形量,并将该变形量提供给远端监控中心;此外,远端监控中心实时汇总多个现场监测装置的实测温度数据与结构变形数据,同时将实测温度数据作为荷载加入桥梁模型上,计算桥梁结构变形情况并与现场监测装置的实测变形数据对比,为救援人员提供桥梁变形预测和垮塌预警。
此外,本发明还提供了一种桥梁火灾预警方法,利用如上所述的桥梁火灾预警系统,其具体地安装过程如下:先将现场监测装置至少安装在桥梁靠近桥头处、桥墩处或距桥侧边100~200m处的任一位置,安装时按当地纬度设置太阳能电1池板的倾角,将红外测温模块301和TOF激光雷达模块302对准桥跨中心或其余变形敏感部位(包括桥梁跨中底部、侧面、桥梁四分点处、桥墩顶部和桥墩中部),该预警方法的具体步骤如下:
S1、常态化开启红外测温模块301,先利用所述红外测温模块301实时采集桥梁的温度数据信息,并将采集到的温度数据信息反馈给单片机模块303,所述单片机模块303对接收到的温度数据信息进行处理,再通过网络传输模块304传输至远端监控中心的数据库进行存储;
S2、当所述温度数据大于或等于设定温度阈值时,或者,当所述温度数据在时间间
隔内的变化值大于或等于设定温度差阈值时,单片机模块303在向远端监控中心传输数
据的同时启动报警模块5发出第一报警信号,救援人员出发救援,打开现场警报喇叭,进行
现场人员疏散;
S3、当所述远端监控中心接收到报警模块5的第一警报信号后,复核温度数据,复原火灾温度、时间、覆盖范围等参数,并将上述参数输入桥梁模型中计算桥梁结构的位移、内力等状态,预测未来一段时间(5min~30min)内桥梁的结构状态,并预估桥梁倒塌时间;同时,将温度数据和预测结构数据发送至救援人员个人终端,为救援行动提供技术支持;
S4、再开启TOF激光雷达模块302,利用TOF激光雷达模块302对指定位置(包括桥跨中心、梁跨中底部、侧面、桥梁四分点处、桥墩顶部和桥墩中部等变形敏感部位)进行测距,并将距离数据传输至单片机模块303进行计算得到指定位置的变形量,同时通过网络传输模块304将所述变形量传输至远端监控中心;当指定位置的变形量大于或等于设定的变形阈值时,单片机模块303再次启动报警模块5发出第二警报信号,并再次打开现场警报喇叭,进行救援人员疏散;
S5、所述远端监控中心在接收到第二警报信号后,实时复核桥梁结构状态、更新桥梁结构状态预测数据,从而向救援人员提供桥梁垮塌的时间预警。
具体地,步骤S2中,当所述温度数据大于或等于设定温度阈值时,或者,当所述温度数据在指定时间内的变化率大于或等于设定温度差阈值时,报警模块5发出第一报警信号的具体过程如下:
将红外测温模块301测量的温度数据输入单片机模块计算,通过公式(1)计算温度变化值:
当满足条件一或条件二时,即温度或30s内的温度变化值大于或等于阈值时,发出第一次警报信号:
具体地,步骤S4中单片机模块303根据指定位置的变形量判断是否启动报警模块5发出第二警报信号的具体过程如下:
将TOF激光雷达模块302测得的距离长度输入单片机模块303计算,通过公式(2)与
公式(3)得到高度变化值。如图5所示,通过TOF激光雷达模块302测距推导桥梁关键部位变
形状况,将TOF激光雷达模块302测得的距离长度定义为l,将TOF激光雷达模块302测得的距
离长度变化值定义为,将TOF激光雷达模块302测距角度定义为,将测量点位竖直方向
的高度定义为h,将测量点位竖直方向的高度变化值定义为,得到公式(2):
通过公式(2)推导得到公式(3),计算高度变化值:
实施例2
在实施例1的基础上,本实施例将该火灾预警系统应用在某模型梁进行火灾试验。该模型试验梁为缩尺模型,桥梁总长为6.1m,梁宽为700mm,高度为400mm,高跨比约为0.07;该桥梁采用箱型截面,顶板、腹板与底板厚度均为100mm,且在腹板内设置预应力钢束。试验方式如下:将该模型梁放入大型水平火灾试验炉,采用恒载升温方式,采用HC火灾升温曲线预设升温,设置桥梁底面与侧面受火,模拟油罐车在桥下起火导致的桥梁受火情况。
在模型梁的跨中截面布置多个K型镍铬-镍硅热电偶传感器测量火灾试验期间的温度变化,在模型梁的跨中布置线形可变差动变压位移传感器LVDTs测量挠度变形。为测试桥梁火灾预警系统,在火灾试验炉外放置一台现场监测装置,选用一台笔记本电脑作为远端监控中心,手机作为个人终端接收警报信息。由于火灾试验炉的限制,模型梁的腹板和底板无法完全被观测,只能通过观察口对模型梁跨中部分进行局部观测,因此将现场监测装置布置在火灾试验炉外,将监测箱的传感模块对准模型梁底板中心。
当火灾试验开始后,现场监测装置的红外测温模块301对模型梁的温度数据进行采集,并发送到远端监控中心,模型梁跨中底部的温度在289s后持续升温达到400℃,报警模块5发出第一报警信号。将温度数据输入提前建立的桥梁模型,由于试验条件限制,局部(模型梁跨中底部)观测的温度数据不全面,因此将原模型梁上的热电偶传感器接收的温度数据作为补充,从而计算得到模型梁在不同温度下桥梁的挠度变化,并预估其倒塌时间,并将挠度变化与倒塌时间发送至用户手机。
在第一报警信号触发后,开启TOF激光雷达模块302,对模型梁跨中底部进行测距,并将距离值发送至远程监控中心,当跨中底部变形量大于或等于变形阈值时,报警模块5发出第二报警信号,并打开现场警报喇叭提示即将倒塌,从而完成对模拟梁的火灾预警。
整个试验过程中,模型梁跨中底部的温度随时间的变化曲线参见图6。其中,“■”所处曲线(上曲线一)由现场监测装置中红外测温模块301在指定时间测得的温度数据形成,“●”所处曲线(下曲线一)由多个K型镍铬-镍硅热电偶传感器在指定时间测得的温度数据形成;由图6可知,本发明中现场监测装置测得的温度数据与实际布置在模拟梁上的温度传感器测得的温度数据相差不大且在允许范围内,能够满足桥梁火灾预警的数据需求。且由图6中上曲线一可以看出,模型梁跨中底部的温度在接近5min时持续升温达到400℃,报警模块发出第一报警信号。此外,模型梁跨中底部的挠度随时间的变化曲线参见图7。其中,“■”所处曲线(上曲线二)是根据现场监测装置中TOF激光雷达模块302在指定时间测得的距离数据计算得到的变形数据形成,“●”所处曲线(下曲线二)是根据线形可变差动变压位移传感器在指定时间测得的距离数据计算得到的变形数据形成;由图7可知,本发明中现场监测装置得到的挠度数据与实际布置在模拟梁上的位移传感器得到的挠度数据相差很小,能够满足桥梁火灾预警的数据需求。
综上,本发明提供的预警系统从易实施性出发,通过将红外测温模块301、TOF激光雷达模块302、单片机模块303和网络传输模块304集中安装至现场监测装置中,并采用统一供电、统一操作,无需在桥梁内部安装传感器,使该系统能够在新桥和旧桥中都能发挥作用。该系统从智能性出发,采用远端监控中心对桥梁火灾提供计算与预测保障,对火灾和桥梁状态做到实时监测、实时计算、实时对比、实时预测,对救援人员提供指挥意见参考,对救援行动做到充分支援、沟通有效。此外,该现场监测装置既能够在单座桥安装多个以提高监测精度,也能够在多座桥设置并通过同一远端监控中心进行监控以提升监测效率,减少人力成本。
以上所述仅是本发明的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。
应当理解的是,本发明并不局限于上述已经描述的内容,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种桥梁火灾预警系统,其特征在于,包括:现场监测装置,用于监测桥梁的实时温度数据信息和变形信息;所述现场监测装置包括立柱(4),所述立柱(4)上安装有监测箱(3),所述监测箱(3)内安装有红外测温模块(301)、TOF激光雷达模块(302)、单片机模块(303)和网络传输模块(304),所述立柱(4)的顶部安装有报警模块(5)和太阳能供电模块,且位于监测箱(3)的上方;所述红外测温模块(301)和TOF激光雷达模块(302)分别与单片机模块(303)连接,所述单片机模块(303)通过网络传输模块(304)与报警模块(5)连接;远端监控中心,用于接收所述现场监测装置的数据信息及救援人员终端反馈的数据信息;救援人员终端,用于接收所述远端监控中心的数据信息。
2.根据权利要求1所述的桥梁火灾预警系统,其特征在于,所述现场监测装置至少安装在桥头、桥墩或距桥侧边100~200m处的任一位置。
3.根据权利要求1所述的桥梁火灾预警系统,其特征在于,所述太阳能供电模块包括太阳能电池板(1),与所述太阳能电池板(1)相连接的蓄电池(2),所述蓄电池(2)用以给红外测温模块(301)、TOF激光雷达模块(302)、单片机模块(303)、网络传输模块(304)和报警模块(5)供电。
4.根据权利要求3所述的桥梁火灾预警系统,其特征在于,所述太阳能电池板(1)还安装有太阳能跟踪装置。
5.根据权利要求1所述的桥梁火灾预警系统,其特征在于,所述报警模块(5)采用声光报警器。
6.根据权利要求1所述的桥梁火灾预警系统,其特征在于,所述红外测温模块(301)和TOF激光雷达模块(302)均设置在监测箱(3)的正面,所述单片机模块(303)和网络传输模块(304)均安装在监测箱(3)的背面。
7.一种桥梁火灾预警方法,其特征在于,应用权利要求1-6任一项所述的桥梁火灾预警系统,具体包括以下步骤:1)先利用红外测温模块(301)实时采集桥梁的温度数据,单片机模块(303)根据接收到的温度数据确定是否启动报警模块(5)发出第一报警信号;当所述报警模块(5)发出第一报警信号,对所述温度数据进行复核,并将所述温度数据输入桥梁模型中计算桥梁结构状态,从而预测未来时间段内的桥梁结构状态;2)再利用TOF激光雷达模块(302)对指定位置进行测距,将得到的距离数据传输至单片机模块(303)进行计算得到指定位置的变形量,通过网络传输模块(304)将所述变形量传输至远端监控中心;当指定位置的变形量大于或等于设定的变形阈值时,单片机模块(303)再次启动报警模块(5)发出第二警报信号,所述远端监控中心在接收到所述第二警报信号后,再次复核桥梁结构状态、更新桥梁结构状态预测数据,从而向救援人员提供桥梁垮塌的时间预警。
8.根据权利要求7所述的桥梁火灾预警方法,其特征在于,所述步骤1)具体包括:步骤1.1)、常态化开启红外测温模块(301),利用所述红外测温模块(301)实时采集桥梁的温度数据,并将采集到的温度数据反馈给单片机模块(303),所述单片机模块(303)对接收到的温度数据进行处理,再通过网络传输模块(304)传输至远端监控中心的数据库进行存储;步骤1.2)、根据所述温度数据确定是否启动报警模块(5)发出第一报警信号;当所述远端监控中心接收到报警模块(5)的第一警报信号后,复核温度数据,并将所述温度数据输入桥梁模型中计算桥梁结构状态,从而预测未来时间段内的桥梁结构状态;同时将温度数据和预测结构数据发送至救援人员终端。
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