通信鐵塔安全快速評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王青青

【摘 要】隨著我國(guó)郵電通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展，通信鐵塔正得到越來越廣泛的應(yīng)用，確保越來越多的通信鐵塔的安全運(yùn)行具有重要的意義。從技術(shù)角度出發(fā)，介紹了如何利用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)工具編寫一款基于.NET平臺(tái)的操作簡(jiǎn)單、可視化程度高的軟件，該軟件可以幫助鐵塔公司對(duì)現(xiàn)存的鐵塔進(jìn)行快速準(zhǔn)確的安全評(píng)估，以解決手工計(jì)算和力學(xué)軟件計(jì)算中的難題。

【關(guān)鍵詞】通信鐵塔 安全評(píng)估 .NET平臺(tái)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.016 中圖分類號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2016）20-0084-04

1 引言

通信鐵塔是通信信號(hào)發(fā)射和接收的主要載體，主要用于微波、超短波、無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸與發(fā)射等。它是移動(dòng)通信網(wǎng)完成信號(hào)覆蓋的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)必不可少的組成部分。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信鐵塔目前已經(jīng)遍布城鄉(xiāng)，隨處可見。大到山區(qū)的大型角鋼塔，小到城市小區(qū)里的單管塔。它們通過各種通訊信號(hào)聯(lián)系在一起，為全世界的用戶提供可靠的信息傳遞服務(wù)，保障了全球24小時(shí)信息不間斷共享，使得人類社會(huì)得到了迅速的發(fā)展。

如今，通信行業(yè)高速發(fā)展，通信鐵塔的結(jié)構(gòu)安全已與人們的生活息息相關(guān)。通信鐵塔屬于高聳結(jié)構(gòu)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的現(xiàn)象中，風(fēng)力引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞占80%～90%左右。在使用期間塔架整體結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生危及安全的分離、倒塌或者整體失穩(wěn)破壞的情況[2]。因此，應(yīng)該對(duì)通信鐵塔初始質(zhì)量狀況，尤其是對(duì)抗震防風(fēng)等性能進(jìn)行分析、校驗(yàn)，進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)有安全隱患的通信鐵塔進(jìn)行修復(fù)、改造、甚至拆除重建等，從而保障通信鐵塔安全、通暢地運(yùn)行，為規(guī)避事故及安全隱患提供了可靠的保障[1]。

2 鐵塔安全快速評(píng)估軟件的提出

傳統(tǒng)的通信鐵塔計(jì)算方法是手工計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析[3]。當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)的精確度要求不高時(shí)，有時(shí)采用近似值法，這要求計(jì)算人員具有豐富的鐵塔計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。在鐵塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究計(jì)算方面，有較為完善的理論基礎(chǔ)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范[3]。但手工計(jì)算中大量的鐵塔參數(shù)，繁瑣的計(jì)算過程，而且對(duì)于同種塔型，即使只是尺寸有變化，也要進(jìn)行一次全新的計(jì)算才能得到想要的數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致其計(jì)算周期長(zhǎng)、成本高、效率低。

隨著現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的發(fā)展，越來越多的科研人員采用有限單元法來研究力學(xué)方面的問題[4]。在對(duì)通信鐵塔剛度、強(qiáng)度的仿真研究方面，國(guó)內(nèi)外有很多分析人員都在進(jìn)行著通信鐵塔的有限元分析仿真，但是他們?cè)谟邢拊治鲋兴脮r(shí)間的40%～50%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，即前處理；50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評(píng)定，即后處理；而計(jì)算的時(shí)間僅占5%左右[5]。

其實(shí)對(duì)于同種類型的通信鐵塔，它們的結(jié)構(gòu)具有相似性和繼承性，計(jì)算的公式和依照的規(guī)范是相同的，這為進(jìn)行參數(shù)化分析的應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)條件。

可以利用鐵塔公司所掌握的一切鐵塔的詳細(xì)數(shù)據(jù)，借助計(jì)算機(jī)快速計(jì)算的能力，編寫一個(gè)簡(jiǎn)單易操作的可視化軟件來幫助鐵塔公司對(duì)現(xiàn)存的鐵塔進(jìn)行快速準(zhǔn)確的安全評(píng)估。進(jìn)而有針對(duì)性地對(duì)有安全隱患的通信鐵塔進(jìn)行修復(fù)、改造、甚至拆除重建等。

3 具體技術(shù)方案

通信鐵塔安全快速評(píng)估軟件的關(guān)鍵點(diǎn)在于程序底層邏輯需要在程序中完成人工難以完成的公式計(jì)算、迭代計(jì)算等，并利用開發(fā)軟件中靈活的控件及可視化圖形組件來實(shí)現(xiàn)結(jié)果的輸出。

鐵塔的種類較多，各種通信鐵塔的性能指標(biāo)的要求也各不相同。針對(duì)不同通信鐵塔所要評(píng)估的方面也會(huì)略有不同。因此，需要根據(jù)通信鐵塔安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類通信鐵塔進(jìn)行分析，總結(jié)各類通信鐵塔的評(píng)估方法，然后在程序中分別實(shí)現(xiàn)。

3.1 技術(shù)方案

通信鐵塔快速安全評(píng)估軟件實(shí)現(xiàn)的整體流程如圖1所示。首先，用戶登錄系統(tǒng)，選擇想要評(píng)估的鐵塔類型，系統(tǒng)根據(jù)塔型的不同跳轉(zhuǎn)到不同的模塊，用戶根據(jù)提示輸入鐵塔的結(jié)構(gòu)、材料信息以及外加的荷載信息。后臺(tái)程序根據(jù)不同的塔型，編寫計(jì)算迎風(fēng)面積、應(yīng)力、撓度等的算法。最后利用計(jì)算出的撓度、應(yīng)力等參數(shù)，按照強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件、依據(jù)移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)的水平位移極限值等進(jìn)行校核，從而得到鐵塔的安全評(píng)估結(jié)果。

（1）步驟1：用戶輸入數(shù)據(jù)

用戶輸入的數(shù)據(jù)分為兩個(gè)方面。一個(gè)是鐵塔自身的結(jié)構(gòu)、材料等參數(shù)值，對(duì)于不同類型的鐵塔，需要輸入的參數(shù)種類是不同的，用戶在選擇了塔型后，就會(huì)進(jìn)入相對(duì)應(yīng)的參數(shù)采集界面。另一個(gè)是外加荷載數(shù)據(jù)，包括風(fēng)荷載、地震荷載和冰雪荷載。用戶需要選擇荷載的類型，然后輸入荷載的值。

（2）步驟2：荷載下鐵塔應(yīng)力、撓度的計(jì)算

在此次軟件設(shè)計(jì)過程中，角鋼塔和三管塔采用楊更新教授提出的空間桁架法[6]來計(jì)算塔架靜力。

（3）步驟3：后臺(tái)安全評(píng)估

通信鐵塔安全快速評(píng)估系統(tǒng)將步驟2中計(jì)算得到的鐵塔應(yīng)力、水平位移等數(shù)據(jù)與《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)值做比較，由此判斷鐵塔是否在正常的使用狀態(tài)。在后臺(tái)安全評(píng)估中通過以下兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)來評(píng)判鐵塔的安全性能：

1）水平位移

在所受荷載為風(fēng)荷載的情況下，鋼塔梔結(jié)構(gòu)任一點(diǎn)的水平位移應(yīng)滿足[7]表1中所示的規(guī)定：

2）塔架應(yīng)力

塔架的強(qiáng)度理論條件要滿足的條件如式（1）所示：

<材料的許用應(yīng)力 （1）

（4）步驟4：報(bào)告呈現(xiàn)

在經(jīng)過步驟3實(shí)際值和規(guī)范值的對(duì)比之后[7]，對(duì)比的結(jié)果以及相關(guān)的圖形結(jié)果會(huì)被映射在報(bào)告呈現(xiàn)界面中，方便用戶及時(shí)對(duì)存在安全隱患的鐵塔進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù) [7]。

3.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，完成通信鐵塔安全快速評(píng)估軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。其層次架構(gòu)分為3層。用戶層接收用戶輸入的各種操作信息，然后向業(yè)務(wù)邏輯層發(fā)出各種操作命令。業(yè)務(wù)邏輯層接收來自用戶層的數(shù)據(jù)或命令請(qǐng)求，按照相應(yīng)的算法計(jì)算出通信鐵塔的應(yīng)力、撓度、抗風(fēng)等級(jí)、迎風(fēng)面積等數(shù)值，把數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后將處理后的結(jié)果顯示在報(bào)告呈現(xiàn)界面上[10]。數(shù)據(jù)層具體為業(yè)務(wù)邏輯層和表示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)層次架構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。用戶層模塊結(jié)構(gòu)圖、業(yè)務(wù)邏輯層模塊結(jié)構(gòu)圖分別如圖3、圖4所示。開發(fā)功能模塊包括登錄模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報(bào)告顯示模塊。

表2顯示了各功能模塊的主要功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種通信鐵塔安全快速評(píng)估系統(tǒng)，利用用戶輸入的鐵塔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及荷載數(shù)據(jù)，根據(jù)寫入系統(tǒng)的鐵塔計(jì)算及評(píng)估的算法，快速得到準(zhǔn)確的安全評(píng)估結(jié)果。運(yùn)維人員根據(jù)最后得出的檢查評(píng)估報(bào)告，對(duì)在役通信鐵塔進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù)，保證其能夠正常使用。該系統(tǒng)的安全評(píng)估模式改變了原有的手工和力學(xué)軟件進(jìn)行安全評(píng)估的模式，提高了安全評(píng)估的效率，降低了安全評(píng)估的成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李曉亮，孫國(guó)良，黃維學(xué)，等. 淺析通信鐵塔的安全性及其安全性評(píng)估方法[J]. 數(shù)據(jù)通信， 2013（5）： 32-34.

[2] 周新華. 高壓輸電鐵塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[D]. 保定： 華北電力大學(xué)， 2002.

[3] 蔡銘. 高聳異型鐵塔風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算[J]. 鋼結(jié)構(gòu)， 2005（5）： 32-34.

[4] 劉朋科. 高壓輸電線路數(shù)值模擬中的參數(shù)化有限元法[D]. 重慶： 重慶大學(xué)， 2007.

[5] 黃菊花，黎雪芬，饒進(jìn)軍，等. 材料成型計(jì)算機(jī)模擬中的參數(shù)化有限元法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程， 2003（2）： 145-147.

[6] 楊更新. 高聳塔架靜力計(jì)算的空間桁架法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 1966（1）： 31-47.

[7] 李軍. 一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動(dòng)通信鐵塔性能預(yù)警系統(tǒng)[J]. 移動(dòng)通信， 2010（15）： 35-39.

[8] 中華人民共和國(guó)通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). YD/T5131-2005 移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 北京郵電大學(xué)出版社， 2006.

[9] 高揚(yáng)明. 移動(dòng)通信基站單管塔水平位移的設(shè)計(jì)[J]. 電信技術(shù)， 2015（12）： 59-66.

[10] 鄭飛，李逢玲. 一類基于C/S模式的服裝企業(yè)物料管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J]. 價(jià)值工程， 2014（26）： 166-168.