鐵路通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究

于明哲

于明哲:北京鐵路通信技術(shù)中心 高級工程師 100038 北京

1 系統(tǒng)構(gòu)成

鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)由信息傳感器、信息處理器、管理服務(wù)器、維護管理顯示終端及數(shù)據(jù)傳輸通道組成，如圖1所示。包括路局、段、車間三級管理模式，通過設(shè)置不同權(quán)限分級管理。系統(tǒng)容量配置根據(jù)監(jiān)測線路的不同可調(diào)整，每座鐵塔監(jiān)測費用1～3萬元為宜。系統(tǒng)管理顯示終端應(yīng)操作簡單、界面清晰。

1．傳感器。負責(zé)獲取鐵塔安全

隨著鐵路無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的鐵塔應(yīng)用于鐵路通信系統(tǒng)，特別是高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)，鐵路沿線大約每4 km就需要一座通信鐵塔，高度一般在20～50 m不等。然而，地型變化、惡劣氣候、材質(zhì)老化和氧化，以及潛在的人為偷盜、破壞等因素，會導(dǎo)致鐵塔傾斜、甚至倒塌。由于鐵路通信鐵塔設(shè)置一般靠近鐵路線，如果鐵塔出現(xiàn)問題倒向鐵路側(cè)，會給鐵路行車帶來較大的安全隱患?；诋?dāng)前鐵路通信鐵塔安全維護的需要，結(jié)合鐵路通信網(wǎng)絡(luò)實際情況，提出一種鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)方案，包括鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)性能等內(nèi)容，供鐵路通信設(shè)備制造企業(yè)和鐵路通信設(shè)備維護等單位參考。監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括鐵塔垂直度、塔頂風(fēng)速風(fēng)向、天線安裝角度等安全信息數(shù)據(jù)的采集，并將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到信息處理器。目前傳感器采集信息數(shù)據(jù)可有多種工作模式和技術(shù)手段，如測量距離或測量角度等，不論使用何種傳感器，均要適合野外工作環(huán)境，監(jiān)測精度滿足技術(shù)要求，故障率要低。

2．信息處理器。對傳感器采集的鐵塔安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時收集、匯總和數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)并上傳;具備自檢和對傳感器工作狀態(tài)巡檢能力，將采集的信息數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測中心管理服務(wù)器集中進行存儲、分析、處理和管理。

圖1 鐵路通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖

3．管理服務(wù)器。監(jiān)測中心的管理服務(wù)器由通信單元、統(tǒng)計分析單元、告警單元、數(shù)據(jù)庫和維護管理顯示終端等設(shè)備組成，可根據(jù)鐵塔安全監(jiān)測業(yè)務(wù)的需要，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)的存儲、分析、顯示和輸出。

管理服務(wù)器應(yīng)具備信息交換、資源共享、故障定位、性能分析、查詢顯示、報表輸出、時鐘同步、網(wǎng)管維護等功能。顯示終端應(yīng)以圖形、視頻、文本、聲、光等多種方式，對鐵塔垂直傾斜度、風(fēng)速風(fēng)向、天線安裝位置狀態(tài)等監(jiān)測信息進行實時展示，包括一般預(yù)警、嚴(yán)重告警等信息，并具備信息查詢和報表輸出功能，可向維護人員實時呈現(xiàn)管轄范圍內(nèi)鐵塔狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及預(yù)警、告警信息等。

4．?dāng)?shù)據(jù)傳輸通道。管理服務(wù)器與信息處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，應(yīng)根據(jù)鐵塔所在鐵路線的具體情況采用不同的傳輸方式，一般包括光傳輸和無線傳輸2種組網(wǎng)方式。從目前鐵路通信資源情況來看，高速鐵路通信鐵塔GSM-R設(shè)備機房均具備光傳輸組網(wǎng)條件，既有鐵路線通信鐵塔在450 MHz無線電臺機房也基本具備2 Mb/s光傳輸條件。另外，光傳輸組網(wǎng)比無線傳輸組網(wǎng)穩(wěn)定可靠。所以，從目前鐵路通信實際出發(fā)，用光通信傳輸更為合適，可采用 IP數(shù)據(jù)網(wǎng)或2 Mb/s專線傳輸方式組網(wǎng)。

無線傳輸組網(wǎng)可做為有線組網(wǎng)方式的補充，對某些不具備光傳輸條件的鐵塔，可利用鐵路GSMR網(wǎng)絡(luò)或公用移動網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心管理服務(wù)器，實現(xiàn)遠程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)功能

鐵路通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是為了實時監(jiān)測鐵塔傾斜故障，并向維護單位告警，使問題能夠及時得到處置，避免鐵塔倒塌，保證鐵塔不危及鐵路行車安全。所以，要求該監(jiān)測系統(tǒng)具有以下功能。

1．鐵塔安全信息采集功能。包括鐵塔任何原因的垂直度變化、環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向、塔上天線安裝位置變化等。系統(tǒng)能夠及時準(zhǔn)確地采集到相關(guān)信息。

2．鐵塔安全信息的數(shù)字化處理功能。無論使用何種信息采集方式，系統(tǒng)都能夠把采集到的信息快速進行統(tǒng)一格式的數(shù)字化處理，并通過有線通信或無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心管理服務(wù)器。

3．鐵塔安全信息的實時收集、存儲、統(tǒng)計分析、告警、報表、查詢等管理功能。系統(tǒng)應(yīng)能夠按照單個鐵塔、單條線路鐵塔、多條線路鐵塔等多種組合方式，生成監(jiān)測數(shù)據(jù)的日、月、年統(tǒng)計報表和變化曲線;應(yīng)能夠方便地添加、刪除監(jiān)測對象，配置、修改監(jiān)測對象的參數(shù);應(yīng)具有車間、通信(電務(wù))段、路局等分級權(quán)限管理功能。

系統(tǒng)管理員具有對系統(tǒng)操作和控制的所有權(quán)限，為最高級管理權(quán)限。操作員一般只能進行普通的信息查看、告警確認、報表生成等操作，重要的參數(shù)和系統(tǒng)配置參數(shù)的修改必須使用安全密碼才能進行。

系統(tǒng)日志管理，分為系統(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、操作結(jié)果等。

當(dāng)某個鐵塔出現(xiàn)異常告警時，系統(tǒng)管理顯示終端主界面提供圖標(biāo)、文字警示渲染和語音播報告警提示。

3 性能要求

3.1 一般要求

1．系統(tǒng)應(yīng)不影響被監(jiān)測鐵塔及設(shè)備的正常工作。

2．系統(tǒng)應(yīng)能在安裝現(xiàn)場給出的條件下不間斷地工作。

3．系統(tǒng)采用通信標(biāo)準(zhǔn)接口，并滿足擴容的需要。

4．系統(tǒng)通信接口應(yīng)遵循開放、標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。

5．構(gòu)成監(jiān)測系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，具有較好的可擴充性。

6．系統(tǒng)軟件應(yīng)具有升級能力。

7．管理服務(wù)器應(yīng)選用標(biāo)準(zhǔn)化程度高、通用性好、安全可靠、維修擴容方便的計算機和外圍設(shè)備。

8．單系統(tǒng)監(jiān)測管理能力不應(yīng)小于500個監(jiān)測點;多系統(tǒng)監(jiān)測管理能力不應(yīng)小于5000個監(jiān)測點。

3.2 技術(shù)指標(biāo)要求

1．塔體中心垂直傾斜度不得大于全塔高度的1/1000，該指標(biāo)瞬間超過時系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出一般報警。

2．塔體中心垂直傾斜度超過全塔高度的1/750時，系統(tǒng)應(yīng)發(fā)出嚴(yán)重報警。

3．系統(tǒng)對鐵塔垂直度測量誤差≤5%。

4．系統(tǒng)信息采集頻度，應(yīng)大于1次/s。

5．風(fēng)速測量誤差F，在風(fēng)速為0～35 m/s時，F(xiàn)≤0.3 m/s;當(dāng)風(fēng)速為36～60 m/s時，F(xiàn)≤5%風(fēng)速。

6．風(fēng)向測量誤差≤3°。

7．監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示應(yīng)精確到小數(shù)點后2位。

3.3 安全性要求

1．系統(tǒng)硬件平均故障間隔時間(MTBF)大于40000 h。

2．系統(tǒng)軟件不能因誤操作而影響系統(tǒng)的正常運行。

3．當(dāng)系統(tǒng)軟件局部功能模塊發(fā)生故障時，不應(yīng)影響其他模塊的正常運行。

4．系統(tǒng)應(yīng)具有安全防范措施，對所有操作人員按其工作性質(zhì)賦予不同的操作權(quán)限，并有密碼管理功能，保證系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的安全。

5．系統(tǒng)應(yīng)符合鐵路通信工程電磁兼容和防雷接地的有關(guān)技術(shù)規(guī)定。

3.4 環(huán)境要求

1．傳感器工作溫度:－45℃ ～+60℃。

2．信息處理器工作溫度:－20℃ ～45℃ 。

3．管理服務(wù)器的工作溫度:－10℃ ～45℃。

4．相對濕度:≤95%(非冷凝)。

5．海拔高度:大氣壓力70 kPa～110 kPa。

6．室外設(shè)備防護等級:IP65。

7．抗震要求:設(shè)備在X、Y、Z 3個方向承受振動頻率100 Hz、震動幅度1.5 mm，30 min后應(yīng)能正常工作。

4 總結(jié)

為消除鐵路通信鐵塔安全隱患，避免出現(xiàn)傾斜、倒塌等危及行車安全的事件發(fā)生，以及為鐵塔維護、大修更新提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)，設(shè)置鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的一項重要工作，鐵路各級通信鐵塔維護部門應(yīng)該給予足夠地重視，鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的各研制單位，應(yīng)根據(jù)目前鐵路的實際需求，積極進行系統(tǒng)研發(fā)和現(xiàn)場試驗，積累經(jīng)驗，不斷改進提高監(jiān)測系統(tǒng)性能，為鐵路通信鐵塔的安全運行提供科學(xué)保障。

［1］CECS80－2006.塔桅鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量驗收規(guī)程［S］.

［2］TB10418－2003.鐵路運輸通信工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)［S］.