通信鐵塔綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)的研制

吳成昌 中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段

近年來，隨著鐵路通信技術(shù)的發(fā)展，作為鐵路無線通信重要設(shè)施的鐵塔的安全顯得越來越重要。大風(fēng)、雨雪等極端天氣、設(shè)備固定件氧化銹蝕、地質(zhì)運動等會導(dǎo)致鐵塔傾斜甚至倒塌。鐵塔周圍的圍擋，也經(jīng)常出現(xiàn)人員的入侵，對鐵塔及其附屬設(shè)施的安全形成威脅。鐵塔周圍的挖掘施工，引發(fā)鐵塔基礎(chǔ)出現(xiàn)隱患。為了發(fā)現(xiàn)這些事故隱患，維護單位需投入大量的人力、財力，組織人員進行檢查，而人工作業(yè)存在實時性差、準(zhǔn)確性低、成本較高等缺陷。針對以上問題，介紹一個能夠?qū)﹁F塔姿態(tài)實時監(jiān)測、集成鐵塔圍擋安防、鄰近鐵塔一定范圍內(nèi)施工監(jiān)測的綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)具有分層化和模塊化的特點，鐵塔綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)由四部分組成：采集層、匯聚層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層（見圖 1）。

圖1 系統(tǒng)組成

1.1 采集層

采集層主要由氣象傳感器、傾斜傳感器及安防監(jiān)測設(shè)備組成。負(fù)責(zé)收集氣象類信息的傳感器，包括風(fēng)速風(fēng)向計、溫濕度傳感器、雨量計（見圖2）；然后負(fù)責(zé)監(jiān)測鐵塔姿態(tài)的傳感器，包括由安置在鐵塔上的傾斜傳感器、振動傳感器、北斗定位等設(shè)備（見圖3）；負(fù)責(zé)安防的監(jiān)測設(shè)備，包括高清夜視攝像機、視頻分析服務(wù)區(qū)、振動傳感光纖、振動傳感光纖監(jiān)測主機。

圖? 鐵塔安裝的傳感器

圖3 通信鐵塔圍擋安裝的傳感器

1.2 匯聚層

匯聚層收集前端鐵塔采集層獲取的各種數(shù)據(jù)。首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和分析，然后將各種格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為Protobuf協(xié)議封裝的壓縮數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)中心（見圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換流程

1.3 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層以Java的B/S的架構(gòu)實現(xiàn)，部署在數(shù)據(jù)中心。后臺框架以SpringMVC實現(xiàn)控制、事物、模型、視圖，使用Redis緩存加速、使用Mybatis實現(xiàn)Dao層（數(shù)據(jù)訪問對象層）、使用Druid實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫連接池。容器使用Tomcat。數(shù)據(jù)庫使用Mysql實現(xiàn)（見圖5）。

圖5 業(yè)務(wù)邏輯層組成結(jié)構(gòu)

1.4 表現(xiàn)層

表現(xiàn)層以Datatables控件展示表格，以Arcgis地圖系統(tǒng)表現(xiàn)地圖，以圖形、視頻、聲、光等方式，展示風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、傾斜度、振動、鐵塔周界人員入侵等監(jiān)測信息，并具備信息查詢和報表輸出功能。當(dāng)某個鐵塔出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)主界面在GIS地圖上對異常鐵塔標(biāo)識告警標(biāo)志，并進行語音播報，同時向維護人員發(fā)出告警提示。

2 系統(tǒng)功能

2.1 數(shù)據(jù)采集與測量

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(yīng)監(jiān)測中心的查詢命令，通過監(jiān)測模塊對相應(yīng)監(jiān)測指標(biāo)進行查詢和向監(jiān)測中心傳送。系統(tǒng)的監(jiān)測指標(biāo)包括：鐵塔傾斜度、鐵塔沉降、人員入侵、挖掘機挖掘。主要技術(shù)手段為：北斗定位技術(shù)、氣象監(jiān)測、光纖傳感技術(shù)等。

基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的鐵路沿線通信鐵塔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對通信鐵塔傾斜度、沉降監(jiān)測和數(shù)據(jù)的實時傳輸功能，加之北斗衛(wèi)星信號覆蓋范圍廣，受地形、氣候因素影響小，此應(yīng)用可以解決鐵路沿線線長點多導(dǎo)致的通信巡檢難度大、耗費多的問題，提高通信鐵塔監(jiān)測的信息化水平。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的高精度觀測量可以提供實時、精確的定位信息，既滿足了通信鐵塔監(jiān)測的精度需求，又滿足了監(jiān)測的實時性需求；北斗衛(wèi)星通信信道具有全天候、全天時、實時性強等特點，滿足數(shù)據(jù)觀測的要求；北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的授時功能能夠為氣象觀測網(wǎng)進行全網(wǎng)精準(zhǔn)授時，保證了全網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?，其定位功能可以為通信鐵塔提供準(zhǔn)確的定位服務(wù)，可將通信鐵塔位置數(shù)據(jù)與地理位置信息融合在一起。這樣，可以為鐵路沿線通信鐵塔的智能監(jiān)測、應(yīng)急保障和特殊災(zāi)害處置等提供更加全面、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)信息。

光纖傳感技術(shù)具有傳感距離長、無源抗干擾能力強、定位精度高等優(yōu)勢，適用于鐵路沿線這一線長、點多的監(jiān)測需求。其基于振動信號檢測的外部入侵監(jiān)測功能，具有抗外部干擾能力強、實時高精度定位等特點，可用于鐵路沿線通信鐵塔及基站的周界防護。同時，該技術(shù)可對周界一定范圍的強振動，如大型機械施工等具備監(jiān)測能力，對鐵塔周邊可能引發(fā)地基隱患的施工行為進行監(jiān)測定位和報警。利用光纖既有的通信功能可以組建局域網(wǎng)，將沿線的北斗監(jiān)測信息等用有線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。該技術(shù)可有效地利用鐵路沿線既有的通信光纜通道，在對整條線路進行感知的同時，無需長距離的施工，大大縮減了檢測系統(tǒng)的建設(shè)成本。

本系統(tǒng)針對鐵塔的實時監(jiān)測，與氣象信息密切相關(guān)，鐵塔的因風(fēng)等氣象影響導(dǎo)致的搖擺情況同樣在本系統(tǒng)的監(jiān)測范圍之內(nèi)，為了更好地掌握鐵塔的實時狀態(tài)，系統(tǒng)中加入氣象監(jiān)測設(shè)備，對鐵塔的實時氣象信息進行采集，與鐵塔的傾斜狀態(tài)進行實時比對，以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

2.2 鐵塔傾斜度

系統(tǒng)利用安裝在鐵塔頂部的GNSS天線，實時接收北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，基于北斗定位數(shù)據(jù)，實時計算獲取鐵塔傾斜度、方位角。如系統(tǒng)獲取告訴為h的鐵塔原定位數(shù)據(jù)為（x1，y1，H1），當(dāng)其發(fā)生傾斜時獲取到的定位參數(shù)為（x2，y2，H2），如圖 6所示。

圖6 鐵塔傾斜角運算關(guān)系

則其傾斜角為，θ=arc sin（ΔP/h）

式中：

根據(jù)傾斜傳感器發(fā)來的傾斜角數(shù)據(jù)，可以直接獲得鐵塔的傾斜方向和傾斜角。根據(jù)北斗發(fā)來的塔頂三維位置實時數(shù)據(jù)，可以計算出塔頂?shù)膶崟r三維位置，通過統(tǒng)計三維位置的周期變化，可以計算出鐵塔北斗安裝位置的圓周運動的圓心，根據(jù)圓心的偏移距離和塔的高度計算處傾斜角和傾斜方向。根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前鐵塔的傾斜度是否是風(fēng)力所造成，協(xié)助判斷鐵塔的安全性。

2.3 鐵塔沉降

根據(jù)北斗發(fā)來的塔頂三維位置實時數(shù)據(jù)，獲取北斗海拔高度的位置，扣除因鐵塔傾斜造成的北斗海拔高度變化，算出海拔高度的偏移，判斷處鐵塔是否發(fā)生了沉降。

2.4 人員入侵

分布式光纖探測技術(shù)利用光纖中連續(xù)分布式散射效應(yīng)，可以像“神經(jīng)系統(tǒng)”一樣準(zhǔn)確測量光纖任意位置的振動在時間和空間的信息分布。根據(jù)光纖振動信號，可以初步判斷出合條件，提供查詢、統(tǒng)計功能。根據(jù)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、告警推送、運維等管理。配置管理負(fù)責(zé)添加、刪除監(jiān)測對象，配置監(jiān)測對象的參數(shù)。告警管理負(fù)責(zé)監(jiān)測對象的故障告警信息并進行集中管理，實現(xiàn)對告警數(shù)據(jù)的實時采集和集中監(jiān)測，用來準(zhǔn)確定位故障。運維的管理功能包括用戶及權(quán)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(quán)限管理功能。管理員具有對系統(tǒng)操作和控制的所有權(quán)限，為最高級權(quán)限。操作員只能進行普通的信息查看、告警確認(rèn)、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(biāo)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(jié)果等。

3 總結(jié)

針對鐵路沿線通信鐵塔需實時、高精度、多功能監(jiān)測的需求，搭建了通信鐵塔綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在沿線通信鐵塔及其周邊布設(shè)傳感器，對鐵塔及其周邊情況進行實時監(jiān)測，有效反映因天氣、地質(zhì)、人為等原因造成的鐵塔傾斜等狀態(tài)，實現(xiàn)對鐵塔傾斜、外部入侵、周邊施工等行為的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測和異常預(yù)警。以此系統(tǒng)所監(jiān)測的信息為依據(jù)，并提供綜合的告警平臺，實現(xiàn)對鐵路沿線通信鐵塔的綜合監(jiān)測和防護，提高鐵塔監(jiān)測的實時性和準(zhǔn)確性，縮減人力成本。