基于GNSS的鐵路通信鐵塔變形監(jiān)測方法研究

劉文浩 張 維

（上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201800）

鐵路通信系統(tǒng)中的通信鐵塔長期暴露在露天環(huán)境下，其運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和效果會受到制約，進(jìn)而影響鐵路系統(tǒng)運(yùn)行工作的安全推進(jìn)。因此，需要關(guān)注通信鐵塔的運(yùn)行效率問題，做好日常監(jiān)測和維護(hù)工作，利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）全面監(jiān)測和科學(xué)維護(hù)通信鐵塔，避免不良現(xiàn)象發(fā)生。

1 鐵路通信與監(jiān)測系統(tǒng)概述

1.1 鐵路通信與監(jiān)測發(fā)展概況

隨著鐵路行業(yè)通信系統(tǒng)的應(yīng)用普及化，在通信技術(shù)的支撐下，鐵路通信與監(jiān)測工作發(fā)展迅猛，受制于發(fā)展不平衡的影響，仍然存在鐵路通信與監(jiān)測工作效果較差的情況[1]。通信鐵塔的建設(shè)需要依靠拉線塔、角鋼塔和獨(dú)管塔等鋼塔桅結(jié)構(gòu)，通信鐵塔技術(shù)已經(jīng)在諸多鐵路系統(tǒng)和路線中應(yīng)用，但技術(shù)始終在變動發(fā)展，工作人員需要科學(xué)合理地運(yùn)用新技術(shù)和設(shè)備開展工作。

1.2 通信塔監(jiān)測系統(tǒng)組成

通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成要素具有明確規(guī)定，對其進(jìn)行規(guī)范和約束，以此增強(qiáng)通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)的科學(xué)性和合理性。通信鐵塔監(jiān)測系統(tǒng)包括信息數(shù)據(jù)采集部分、實(shí)時監(jiān)測部分、控制中心和傳輸終端等。為實(shí)現(xiàn)對鐵塔上下各個部位、各種信息的掌握，采集裝置必須被安裝在塔身位置，需要確保各項(xiàng)參數(shù)配置的合理性。

GNSS自動化變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖1 GNSS自動化變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)組成

圖2 系統(tǒng)工作流程

1.3 通信塔的含義、功能與特征

隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，其所在行業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級，通信技術(shù)轉(zhuǎn)型升級和應(yīng)用過程中發(fā)生了巨大的輻射效應(yīng)，對其他行業(yè)領(lǐng)域造成影響。鐵路行業(yè)中，鐵路控制系統(tǒng)是核心，做好系統(tǒng)控制有助于保障鐵路運(yùn)輸工作的安全和效率[2]。在鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用鐵塔能夠?qū)崿F(xiàn)信號微波的有效傳送，提高鐵路通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，避免信號干擾。設(shè)計科學(xué)合理的設(shè)計施工方案，可以有效減少周圍環(huán)境對鐵塔的影響，使信號傳輸變得更加順暢。在鐵塔上安裝避雷針，可以降低惡劣氣候條件對通信鐵塔信號傳輸?shù)挠绊憽?/p>

1.4 通信塔的選址與設(shè)計

（1）通信塔的選址。

通信鐵塔的變形問題與前期選址工作存在一定聯(lián)系，應(yīng)關(guān)注選址問題，盡可能減輕通信鐵塔變形程度。工作人員需要依據(jù)鐵路系統(tǒng)路線的實(shí)際需要，確保通信鐵塔的數(shù)量合理，在此基礎(chǔ)上開展選址工作；選擇通信鐵塔的建設(shè)位置時，工作人員應(yīng)遵循一定原則，即盡可能選擇環(huán)境良好的位置，避免周圍事物對通信鐵塔信號接收造成不良干擾；工作人員還需要關(guān)注通信鐵塔的具體場地問題，遠(yuǎn)離高壓線，防止鐵塔倒塌。水文和地質(zhì)情況也應(yīng)該在通信鐵塔選址時考慮。

（2）通信塔的設(shè)計。

選址工作完成后，由工作人員開展規(guī)劃設(shè)計工作。科學(xué)合理的鐵塔設(shè)計能夠減少施工問題，提升工程質(zhì)量和效益。與普通建筑物的基本結(jié)構(gòu)不同，通信鐵塔的結(jié)構(gòu)具有特殊性，具體表現(xiàn)為高度較高、橫截面較窄、基本結(jié)構(gòu)柔性較強(qiáng)等。通信鐵塔長期處于露天環(huán)境下，缺乏相應(yīng)防護(hù)措施會導(dǎo)致通信鐵塔面臨老化、氧化等問題[3]。鐵塔設(shè)計時，工作人員必須充分考慮后期的維護(hù)與保養(yǎng)等方面的工作內(nèi)容，明確鐵塔安裝施工過程中涉及的范圍，確保安裝施工順利。

2 鐵路通信塔變形監(jiān)測的必要性

鐵路通信鐵塔存在安全隱患，鐵路系統(tǒng)必須加強(qiáng)對通信鐵塔的狀況監(jiān)測，改變傳統(tǒng)監(jiān)測方式，優(yōu)化原有制度安排，積極應(yīng)用新技術(shù)，對通信鐵塔進(jìn)行安全、高效的變形監(jiān)測。通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)、生活的高效連接。通信鐵塔的應(yīng)用范圍廣闊，對提升鐵路行業(yè)通信鐵塔的鐵路運(yùn)營效益具有重要作用。通信鐵塔常受到外部自然環(huán)境和社會環(huán)境問題的影響，運(yùn)轉(zhuǎn)具有較強(qiáng)的不穩(wěn)定性。地質(zhì)不穩(wěn)定可能導(dǎo)致地殼運(yùn)動，在一定限度上影響鐵塔運(yùn)行。鐵路運(yùn)營總里程較長，線路常深入偏遠(yuǎn)地區(qū)，通信鐵塔可能面臨較惡劣的氣候條件，鐵塔的老化和氧化速度加快。

維護(hù)方案和安排不合理，定期巡檢的方式難以及時發(fā)現(xiàn)問題；巡檢方式效率不高，受制于多種要素，大部分區(qū)域的通信鐵塔觀測仍然依靠人工，效率低下且精準(zhǔn)性不夠高；鐵路系統(tǒng)發(fā)展過程中，高速鐵路建設(shè)不斷推進(jìn)，對通信鐵塔的數(shù)量要求提高，直接導(dǎo)致通信鐵塔出現(xiàn)問題，對高速鐵路運(yùn)行產(chǎn)生極大安全危害。

3 在鐵路通信塔變形監(jiān)測中GNSS的應(yīng)用

3.1 GNSS的發(fā)展與常見系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)會持續(xù)發(fā)展，系統(tǒng)中的衛(wèi)星系統(tǒng)具有較強(qiáng)的兼容性，能夠?yàn)橛脩籼峁└咚降姆?wù)。行業(yè)市場有限，全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)間面臨激烈競爭，會推動系統(tǒng)不斷實(shí)現(xiàn)自我革新和優(yōu)化。全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)屬于空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，測量地球表面和近地空間中的事物信息時不會受地點(diǎn)限制，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時服務(wù)，對時間信息、位置信息和三維坐標(biāo)等準(zhǔn)確定位，其觀測量通常為衛(wèi)星發(fā)射時間、星歷和衛(wèi)星偽距、用戶鐘差。現(xiàn)階段，空基技術(shù)已經(jīng)取代對地基定位，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位和大地測量工作的創(chuàng)新發(fā)展，被應(yīng)用在經(jīng)濟(jì)社會生活的各個方面，彰顯國家的經(jīng)濟(jì)、科技和綜合實(shí)力。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)包括美國GPS系統(tǒng)、歐盟GALILEO系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)。成功發(fā)射北斗導(dǎo)航衛(wèi)星后，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)并列成為四大系統(tǒng)之一。存在一些增強(qiáng)系統(tǒng)和區(qū)域系統(tǒng)。

3.2 鐵路通信塔中的GNSS應(yīng)用

（1）用于監(jiān)測通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

在現(xiàn)代社會，鐵路憑借運(yùn)量大、成本低的優(yōu)勢，占據(jù)運(yùn)輸量的主要組成部分。鐵路運(yùn)輸過程的需求更加多元，要求更多。使用GNSS技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的不足。在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)部，通信系統(tǒng)的運(yùn)行安全十分重要，工作人員應(yīng)保證通信塔的安全性，防止其出現(xiàn)變形。除了提高設(shè)計施工水平，應(yīng)做好變形監(jiān)測工作，以便及時做出反應(yīng)，減少問題出現(xiàn)。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展能夠豐富人們的選擇。為了提升系統(tǒng)的綜合效益，工作人員必須推廣導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。定位、導(dǎo)航和定時是系統(tǒng)的基本功能，人們逐漸發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在鐵路系統(tǒng)中的應(yīng)用效益，尤其是應(yīng)用在鐵路通信與監(jiān)測系統(tǒng)中的效益。應(yīng)用系統(tǒng)可以有效改善通信塔的變形監(jiān)測效果，確保鐵路系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）管理列車。

自動化技術(shù)和智能技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛，各行業(yè)都在向自動化、智能化方向發(fā)展。為了能夠?qū)崿F(xiàn)有序管理，鐵路部門制定了列車運(yùn)行管理系統(tǒng)的規(guī)章制度，以便解決管理系統(tǒng)在技術(shù)、效率、精準(zhǔn)性等方面的問題。鐵路系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)依靠現(xiàn)代智能交通管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對大量列車的運(yùn)行管理，工作人員必須全面掌握列車運(yùn)行數(shù)據(jù)，對于追蹤危險貨品、掌握乘客信息和了解調(diào)度情況等效果顯著。列車定位數(shù)據(jù)的掌握能夠保障鐵路運(yùn)輸和乘客安全。

（3）用于獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

應(yīng)用全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)能夠以最快速度實(shí)現(xiàn)鐵路控制系統(tǒng)對接，精準(zhǔn)定位并將獲取到的信息數(shù)據(jù)借助傳統(tǒng)通信設(shè)備傳送至控制中心，為控制系統(tǒng)的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。GNSS應(yīng)用過程中，應(yīng)明確技術(shù)的定位性能，GNSS在航空領(lǐng)域的性能和在鐵路領(lǐng)域的不同，需要工作人員對鐵路系統(tǒng)展開研究，確定具體的方法。

GNSS屬于嵌入式無線系統(tǒng)，無法采用傳統(tǒng)安裝方式，應(yīng)用過程中需要解決物理應(yīng)答器可能出現(xiàn)的問題。工作人員可以使用虛擬應(yīng)答器代替物理應(yīng)答器。鐵路系統(tǒng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)對安全性等級提出明確的要求，使用GNSS時應(yīng)盡可能減少風(fēng)險。

應(yīng)用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)時，應(yīng)用環(huán)境良好可以實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對五個以上衛(wèi)星信號的穩(wěn)定接收和安全接收。但北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)容易受環(huán)境影響，信號接收出現(xiàn)問題會直接影響測量效果。將北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用至鐵路通信鐵塔變形測量的過程中，面對復(fù)雜環(huán)境，工作人員可以采用差分技術(shù)建立定位模型，在一定限度上提升定位水平。工作人員應(yīng)做好基站選址工作，確保環(huán)境穩(wěn)定、可靠，實(shí)現(xiàn)對鐵塔變形的精準(zhǔn)測量。

4 鐵路通信鐵塔變形監(jiān)測方法

4.1 針對多對點(diǎn)的距離差值開展監(jiān)測

針對多對點(diǎn)的距離差值開展監(jiān)測時，使用有源射頻識別（FRID）方法。計算對象是FRID標(biāo)簽發(fā)射的射頻信號間的相位差，對關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行有效計算，在數(shù)據(jù)庫中尋找正常狀態(tài)下的坐標(biāo)信息，對比分析可以得到通信鐵塔的變形情況。實(shí)施FRID方法時，需要在鐵路鐵塔沿線設(shè)置多個接收天線，可能導(dǎo)致信號面臨干擾，影響監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

4.2 對傾角值監(jiān)測

與射頻識別技術(shù)相比，對傾角值監(jiān)測方法更直接，測量人員可以直接借助慣性導(dǎo)航器件、傾斜角測量器等儀器測量通信鐵塔變形角度。對傾角值監(jiān)測方法便捷有效，但測量范圍受限，只能測量放置位置一到兩個坐標(biāo)的角度變化數(shù)據(jù)。對傾角值監(jiān)測方法對鐵塔變形的測量會持續(xù)一段時間，以確保精確性，但測量設(shè)備過于精密，不適合在野外長期使用。

4.3 對鐵塔三維坐標(biāo)監(jiān)測

三維坐標(biāo)監(jiān)測方法是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)在通信鐵塔監(jiān)測中的具體應(yīng)用，要求工作人員在鐵塔內(nèi)部放置1個GNSS信號接收設(shè)備，通過測量監(jiān)測點(diǎn)變化情況得到鐵塔變形數(shù)據(jù)。三維坐標(biāo)監(jiān)測方法具有兩方面優(yōu)勢，能夠?qū)﹁F塔傾斜角度進(jìn)行精準(zhǔn)測量；準(zhǔn)確獲取通信鐵塔地理坐標(biāo)，可以對地區(qū)的沉降情況進(jìn)行合理監(jiān)測。在鐵塔變形監(jiān)測過程中應(yīng)用GNSS時，還需應(yīng)用實(shí)時動態(tài)載波相位差分（RTK）技術(shù)。變形監(jiān)測時，應(yīng)用GNSS技術(shù)可能出現(xiàn)誤差，為了提升監(jiān)測精準(zhǔn)性，需要采取針對性措施解決誤差，研究人員可以借助抗差估計抵抗測量中的誤差，應(yīng)用卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)濾波平滑，減少偶然誤差，改善測量結(jié)果。

5 結(jié)語

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)的成功應(yīng)用具有一定的意義，為了擴(kuò)大其效益，必須提高系統(tǒng)的利用率，擴(kuò)大系統(tǒng)的使用范圍。鐵路運(yùn)輸行業(yè)屬于基礎(chǔ)行業(yè)，為了獲得更加全面的信息、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，提高服務(wù)能力和水平，鐵路系統(tǒng)管理者必須致力于將GNSS應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)，做好GNSS在通信塔變形測量中的應(yīng)用，做好監(jiān)測工作。