GSM-R通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)研究

■ 袁振江 呂曉鵬 白明明

1 概述

近年來，隨著鐵路無線通信技術的飛速發(fā)展，作為保障高速鐵路安全運營的重要基礎設施——GSM-R通信鐵塔，越來越多地被部署和應用。然而，由于一些極端自然現(xiàn)象（如地殼運動、惡劣氣候）、人為破壞及鐵塔自身老化、氧化等原因，造成鐵塔傾斜情況時有發(fā)生，嚴重時甚至導致鐵塔倒塌。鐵塔的傾斜和倒塌不僅會造成通信網絡中斷，甚至會引發(fā)其他鐵路事故，這對通信網正常工作和安全行車帶來安全隱患。

目前，鐵路通信鐵塔維護主要靠定期巡檢、人為觀測等，這些是非常必要的安全防護手段，但存在一定主觀性，某些參數(shù)人工實測困難，不容易及時發(fā)現(xiàn)問題，無法滿足鐵塔實時監(jiān)測需求。鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、精度高的優(yōu)勢，利用先進的傳感技術，結合成熟的信號采集、網絡通信技術，對鐵塔運行狀態(tài)及潛在的各類自然災害和人為破壞進行實時監(jiān)測，并及時預警和告警。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)分層和模塊化的設計方式，鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)由4部分組成：采集層、匯聚層、業(yè)務邏輯層和表示層（見圖1）。通常，采集層由安置在鐵塔上的各個采集感知設備組成；匯聚層功能主要由采集處理主機實現(xiàn)；業(yè)務邏輯層主要由部署在鐵塔監(jiān)控中心的各種服務器實現(xiàn)；表示層采用基于JavaEE的B/S架構來實現(xiàn)用戶終端展示。

2.2 系統(tǒng)功能

2.2.1 采集層

采集層通過多種傳感器獲取鐵塔安全監(jiān)測數(shù)據(jù)（傾斜角度、振動頻率、風速風向、塔基沉降、視頻圍界告警信息等），實現(xiàn)鐵塔運行狀態(tài)的實時監(jiān)測及防盜報警監(jiān)測等（見圖2）。

鐵塔傾斜/振動監(jiān)測設備主要由傾斜傳感器、振動傳感器等組成，周期性地采集鐵塔的傾斜角度及振動頻率、振動幅度等信息；氣象監(jiān)測設備主要由風速風向計、溫濕度傳感器等組成，實時監(jiān)測鐵塔現(xiàn)場氣象信息，并結合鐵塔的傾斜角度和振動頻率、振動幅度，通過告警分析數(shù)學模型分析當前告警狀態(tài)；塔基沉降監(jiān)測設備主要由壓力傳感器和沉降采集處理機組成，實時監(jiān)測鐵塔的塔基沉降及平衡狀態(tài)。為實時監(jiān)測和分析侵入鐵塔限界的物體對通信鐵塔產生的影響，由高清夜視攝像機、視頻分析儀等組成鐵塔防盜報警監(jiān)測設備，監(jiān)視鐵塔所在位置的現(xiàn)場情況，實現(xiàn)對鐵塔周界重點區(qū)域的安全布控。

2.2.2 匯聚層

匯聚層主要收集前端鐵塔各類安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)預處理，如利用協(xié)議轉換模塊完成前端多種協(xié)議數(shù)據(jù)的標準化工作。通過傳輸數(shù)據(jù)通道將標準協(xié)議數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測中心。

圖1 鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)體系層次示意圖

圖2 采集層設備

匯聚層功能主要由鐵塔監(jiān)測采集處理主機實現(xiàn)。采集處理主機硬件采用模塊化結構設計，同一采集單元能同時接入多種不同類型監(jiān)測設備，完成風速風向、溫濕度、傾斜度、振動頻率及路基沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、初步分析和預處理，以及對鐵塔防盜告警實時狀態(tài)的監(jiān)測。

現(xiàn)場采集單元具備自檢和對監(jiān)測鐵塔狀態(tài)的巡檢功能，實現(xiàn)對鐵塔安全隱患的診斷、定位及告警；同時，能夠將故障信息上傳至監(jiān)測中心并接受監(jiān)測中心的集中監(jiān)測管理。

2.2.3 業(yè)務邏輯層

業(yè)務邏輯層由部署在數(shù)據(jù)庫服務器、通信服務器、告警服務器、Web服務器、視頻服務器等設備上的不同功能模塊實現(xiàn)。

業(yè)務邏輯層具備對轄區(qū)內各監(jiān)測對象的告警等重要信息進行處理、存儲、顯示、輸出等功能，具備對各類信息按指定時段統(tǒng)計分析的功能，為維護管理人員提供監(jiān)測告警、預警及鐵塔安全狀態(tài)等信息的查詢顯示和報表輸出功能，并提供監(jiān)測信息維護、系統(tǒng)運行參數(shù)配置、用戶權限管理及系統(tǒng)日志管理等功能。此外，業(yè)務邏輯層具有自檢和對監(jiān)測設備、監(jiān)測單元的故障進行監(jiān)測，以及將故障告警信息傳送至維護終端的功能。

2.2.4 表示層

表示層采用基于ArcGIS和Flex技術的B/S架構。表示層維護終端以圖形、視頻、聲、光等方式，提供風速風向、溫濕度、傾斜度、振動頻率、塔基沉降、鐵塔周界實時狀態(tài)等監(jiān)測信息，以及告警、預警信息和相應的工作預案，并具備信息查詢和報表輸出功能。當某個基站的鐵塔出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)主界面通過在GIS地圖上對異常鐵塔圖標的警示渲染和語音播報，向維護人員發(fā)出告警提示。

采用基于HTTP協(xié)議的AMF（Action Message Format）技術實現(xiàn)表示層與業(yè)務邏輯層的通信，以消息模式實現(xiàn)各種模塊信息的交互，實時向維護人員呈現(xiàn)管轄范圍內鐵塔的監(jiān)測數(shù)據(jù)和告警信息。AMF是Adobe公司獨家開發(fā)的一種輕量級、高效率的通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的二進制壓縮、序列化、反序列化和數(shù)據(jù)傳輸。使用AMF技術不僅能實現(xiàn)前后臺數(shù)據(jù)交互的實時性，而且各層相對獨立，可以靈活部署在不同的物理位置，有利于按照不同業(yè)務規(guī)模進行系統(tǒng)擴展和維護，實現(xiàn)系統(tǒng)分布式集群部署。

3 系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)據(jù)采集與測量

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)采集單元的主要功能是自動周期性地采集鐵塔的運行狀態(tài)，并進行處理、存儲和上報，同時可隨時接收并響應監(jiān)測中心的查詢命令，通過監(jiān)測模塊對相應監(jiān)測指標進行查詢和向監(jiān)測中心傳送。

系統(tǒng)的監(jiān)測指標包括：

（1）監(jiān)測鐵塔的傾斜度變化。根據(jù)鐵路通信工程驗收規(guī)范，考慮風荷載等外力的作用下，當鐵塔傾斜度超過預設門限值時，系統(tǒng)產生告警信號；

（2）通過在鐵塔上部署高清夜視攝像機、前端視頻分析儀等設備，實現(xiàn)對鐵塔周界重點區(qū)域的安全布控，實時監(jiān)測并分析侵入鐵塔限界的物體對鐵塔安全所產生的影響；

（3）視頻監(jiān)控具有聯(lián)動功能。當傾斜度、路基沉降、防盜等告警發(fā)生時，啟動視頻監(jiān)控并進行預定時長的錄像，同時視頻信息自動傳送到監(jiān)控中心；

（4）監(jiān)測鐵塔塔基不均勻沉降。當不均勻沉降值超過預設門限值時，系統(tǒng)產生告警信號。

3.2 實時告警和預警

采取分級告警方式，及時在監(jiān)測中心發(fā)出分級告警信號，并保證多地點、多事件的并發(fā)告警。根據(jù)事件的輕重緩急，系統(tǒng)將告警信號分為緊急告警、重要告警和一般告警。為使值班人員及時獲得告警信息，在維護終端界面固定區(qū)域明顯標示告警信息，并采用聲光告警形式。

為了向運用維護提供預警信息，系統(tǒng)可根據(jù)鐵塔的運行狀態(tài)及相關監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析鐵塔的健康狀態(tài)，準確判斷對鐵路運營的影響及危害程度。

3.3 查詢統(tǒng)計分析

根據(jù)告警時間、地點、類型、等級等單條件或組合條件，提供查詢、統(tǒng)計功能。為更直觀地觀察鐵塔的歷史運行狀態(tài)，利用歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制鐵塔日、月、年統(tǒng)計報表和變化曲線，并可組合實現(xiàn)同區(qū)域、同鐵路線路、同鐵路局的鐵塔監(jiān)測數(shù)據(jù)報表和變化曲線。可通過橫向分析和比較相似環(huán)境的鐵塔檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)運行異常的鐵塔。

系統(tǒng)實現(xiàn)配置、告警、運用維護等管理。配置管理負責添加、刪除監(jiān)測對象，配置、修改監(jiān)測對象的參數(shù)。告警管理負責監(jiān)測對象的故障告警信息并進行集中監(jiān)測和管理，能夠實現(xiàn)對告警數(shù)據(jù)的實時采集和集中監(jiān)測，能準確定位故障。運用維護管理功能包括用戶及權限管理、系統(tǒng)日志管理等。系統(tǒng)具有車間、通信段、鐵路局等多級權限管理功能。管理員具有對系統(tǒng)操作和控制的所有權限，為最高級權限。操作員只能進行普通的信息查看、告警確認、報表生成等操作。重要參數(shù)和系統(tǒng)配置參數(shù)的修改必須使用安全密碼。系統(tǒng)日志管理包括系統(tǒng)訪問日志和系統(tǒng)操作日志。系統(tǒng)訪問日志包括用戶名稱、登錄終端標識、登錄時間和退出時間等。系統(tǒng)操作日志包括實施操作的用戶名稱、操作時間、操作對象和操作結果等。

4 系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

4.1 軟件平臺實現(xiàn)

軟件平臺采用基于JavaEE三層體系架構，利用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架開發(fā)技術實現(xiàn)展示層、業(yè)務層和持久層功能。展示層采用基于ArcGIS和Flex技術的B/S架構。運行在業(yè)務層的網絡服務（Net Server）、引擎服務（Engine Server）和看門狗服務（Watchdog）是系統(tǒng)的三大核心服務，是軟件平臺實現(xiàn)的關鍵。

Net Server初始化后建立ICMP掃描線程，通過對鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)中所有前端采集設備的IP可達性掃描，對設備狀態(tài)標記。對IP可達的設備進行設備參數(shù)狀態(tài)掃描，并把掃描結果通知引擎服務。Net Server可與授時服務器保持時鐘同步，并向各監(jiān)測單元授時，同步監(jiān)測單元時鐘；Net Server預留與上級管理部門管理信息系統(tǒng)及國家氣象部門、地震部門的通信接口，用于傳送鐵塔安全狀態(tài)的告警、預警等信息，根據(jù)需要傳送傳感器監(jiān)測信息報表，且能接收氣象災害和地質災害的預報、預警信息。Net Server工作機制見圖3。

Engine Server根據(jù)Net Server所標記的設備狀態(tài)，按照設備屬性建立相應的設備連接，采集前端設備監(jiān)測數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。Engine Server工作機制見圖4。

看門狗服務負責監(jiān)視引擎服務和網絡服務的運行狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)某個服務出現(xiàn)異常情況時，及時重啟該服務，確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。

系統(tǒng)軟件平臺配置Oracle數(shù)據(jù)庫服務，完成數(shù)據(jù)存儲管理等持久化工作。數(shù)據(jù)庫由監(jiān)測對象信息庫和若干數(shù)據(jù)表組成（見圖5）。監(jiān)測對象信息庫由3個相關管理對象樹構成，每個管理對象樹對應一個數(shù)據(jù)庫表。

圖3 Net Server工作機制

圖4 Engine Server工作機制

繼承樹HT用于定義被監(jiān)測對象的類，它描述了各監(jiān)測對象類的數(shù)據(jù)結構和管理對象之間的繼承/派生關系。數(shù)據(jù)表RT的作用是登記所有用戶定義的類，并為每個類分配一個唯一的標識。RT說明類在實際設備中的物理意義和物理上的從屬關系。鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)中實際存在的被監(jiān)測對象都可以在MT表中找到，是RT的實體。

在RT生成過程中，同一個RT可以引用多個HT子樹，多個RT也可以引用同一個HT子樹。RT_Index表中建立RT索引項，MT子樹中相同設備指向同一個RT索引，索引項與RT表之間是一一對應的關系。

系統(tǒng)軟件界面見圖6。

4.2 硬件平臺實現(xiàn)

鐵塔采集處理主機通過RS232串口接收塔基沉降傳感器和氣象傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過模擬量輸入接口（AI）接收雙軸傾角傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過開關量輸入接口（DI）接收視頻分析儀告警信息。各種傳感器信息經過數(shù)據(jù)同步及預處理后，通過以太網接口發(fā)送到監(jiān)控中心。系統(tǒng)硬件模塊框架見圖7。

CPU選用基于ARM920T內核的三星處理器。該處理器主頻達到400 MHz，可以實現(xiàn)硬件平臺對不同傳感器信息的實時采集和預處理，是在監(jiān)測監(jiān)控領域應用非常廣泛的RISC微處理器。處理器提供了豐富的擴展接口，如標準RS232串口、USB接口、CF存儲卡接口、內置LCD和觸摸屏控制器、VGA接口、以太網接口、PS接口以及通用的I/O接口等。利用該處理器，可以很容易地實現(xiàn)上位機通信、多傳感器接入、本地數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示和鍵盤控制等多項功能。此外，選用三星處理器可保證很好的擴展性，如聲音控制器集成了直接對攝像頭進行控制和傳輸數(shù)據(jù)的CAMIF接口，可以很好地滿足未來對音頻和視頻處理的擴展需求。

GSM模塊選用西門子緊湊型TC35i，屬于西門子TC35系列，集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的AT指令接口，為數(shù)據(jù)、語音和短消息提供快速、安全、可靠的傳輸。TC35i符合ETSI標準GSM0705和GSM0707，與GSM2/2+兼容，易于進行GPRS傳輸功能的開發(fā)。

傾斜角度監(jiān)測采用基于MEMS技術的高精度雙軸傾角傳感器BJ11-380（見圖8）。BJ11-380傳感器內置溫度傳感器，實現(xiàn)測量輸出的溫飄抑制，實現(xiàn)鐵塔在垂直或平行鐵路線路方向傾斜角度的高精度測量，具有高分辨率、低噪聲、溫度范圍寬、抗沖擊能力強等特點。

圖5 數(shù)據(jù)庫結構設計

圖6 鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)主界面

圖7 系統(tǒng)硬件模塊框架

鐵塔的振動特點為自然環(huán)境下振動微弱，振動頻率很低，因此振動傳感器選用超低頻拾振器（見圖9）。通過測量鐵塔內部敏感元件受外力作用導致的變形量，利用相關電路將變形量轉化為電量輸出，進而得到對應的加速度信號，再通過加速度的測量實現(xiàn)振動頻率的測量。

塔基沉降監(jiān)測采用基于固態(tài)差壓技術的沉降傳感器。固態(tài)差壓傳感器利用連通器原理，通過對液面高度差測量，實現(xiàn)參考點與被測點相對沉降觀測，測量原理見圖10。相關參考點、測量點的傳感器通過一個液體管道彼此相連，一個或部分傳感器用作參考點，其他傳感器用于相對沉降測量。設參考點與參考液面之間的高度差為Ho，觀測點與參考液面之間高度為Hi，根據(jù)壓力傳感器分別測出的Hi、Ho值，計算Hi-Ho，求得測量點相對于參考點的高度差值△。當測量點高度發(fā)生變化時，本次測量的△也相應地變化，2次△的差即是測量點的沉降值。

5 現(xiàn)場測試

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)已在高鐵部分通信基站鐵塔上進行了現(xiàn)場測試試驗，實現(xiàn)對傾斜角度、振動幅度、塔基沉降等信息的監(jiān)測。

5.1 傾斜監(jiān)測

傾斜傳感器采樣頻率為1 Hz，選取2011年8月20日某一時段的數(shù)據(jù)，以時間（數(shù)據(jù)組號）為橫軸，傾斜角度為縱軸，對該時間段的數(shù)據(jù)做散點圖（見圖11）。

從圖11觀測數(shù)據(jù)可以看出鐵塔在各個方向的極限傾斜角度（見表1）。

把鐵塔近似看成是一個剛體，則鐵塔穩(wěn)定的初始位置和傾斜后的位置所形成的區(qū)域是一個直角三角形（見圖12）。傳感器安裝高度為40 m，設鐵塔振動幅度為D，偏移角度為，則D=40×sin。

按照上述公式進行計算，可以得出鐵塔X軸振動幅度在-12.63～16.76 cm之間，Y軸振動幅度在-13.43～17 cm之間。以時間為橫軸，偏移中心距離為縱軸，對該時間段的數(shù)據(jù)做鐵塔振動幅度曲線（見圖13）。

5.2 塔基沉降監(jiān)測

圖8 傾斜傳感器BJ11-380

圖9 振動傳感器

圖10 沉降監(jiān)測原理

圖11 傾斜角度散點圖

表1 傾斜角度極值 （°）

塔基沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采集頻率為1次/30 min。選取2011年8月13日—10月24日間的數(shù)據(jù)進行分析。鐵塔的不均勻沉降狀態(tài)通過被監(jiān)測鐵塔4個差壓傳感器的差值來反映。

設H0表示基準傳感器的壓力，Hi表示第i個傳感器的壓力（i=1，2，3），t0表示初始測量時刻，tn表示當前測量時刻，△H表示當前沉降值，則：

根據(jù)上述公式，計算各個傳感器相對基準點的沉降變化值，以時間為橫軸、沉降值為縱軸做鐵塔沉降變化曲線（見圖14、圖15）。

圖12 鐵塔振動幅度計算示意圖

圖13 鐵塔振動幅度曲線

圖14 2011年8月24日—10月24日沉降曲線

圖15 2011年10月21日沉降曲線

6 結論

論述鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成、功能、軟硬件實現(xiàn)及現(xiàn)場測試驗證。實際運行表明系統(tǒng)安全可靠、效果良好。通過部署在鐵塔的各個傳感器設備，系統(tǒng)實現(xiàn)了鐵塔運行狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。在異常事件發(fā)生時，系統(tǒng)可及時發(fā)出告警信號，并通過對歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合智能分析，提高預警功能，便于提前采取有效防范措施，確保鐵路通信網絡通暢，列車運行安全?，F(xiàn)場測試試驗數(shù)據(jù)結果顯示，系統(tǒng)具備有效、實時性等特點，有非常廣闊的市場前景。

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