廣播電視發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

張興武

（湖北省隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺(tái)，湖北 隨州 441300）

0 引 言

隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺(tái)發(fā)射塔高142 m，建于20世紀(jì)80年代。為了確保塔體結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，臺(tái)站建設(shè)了發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。日常運(yùn)行階段，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力、結(jié)構(gòu)整體變形等參量，結(jié)合定期檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全水平并進(jìn)行提前預(yù)警，為日常運(yùn)維管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)建設(shè)必要性

從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，全國(guó)范圍內(nèi)已經(jīng)建造了數(shù)以千計(jì)的發(fā)射塔和桅桿。這些發(fā)射塔對(duì)保障廣播電視信號(hào)的傳播和覆蓋起到了很好的作用[1]。工程建設(shè)和使用中，國(guó)家在該項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)用上花費(fèi)了巨資，建設(shè)者、維護(hù)人員更是付出了極大的努力和艱辛，為鐵塔和塔桅的安全提供保障。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已開(kāi)始在橋梁、隧道、大壩、大跨度或高聳建筑物、超高輸電塔等鋼結(jié)構(gòu)上研究、應(yīng)用主要結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，并且成效顯著。作為用于放置廣播電視天線的載體，廣播電視發(fā)射塔影響著廣播電視信號(hào)的安全播出。受到雨雪、雷電、強(qiáng)風(fēng)、冰凍、潮濕等自然環(huán)境的影響，發(fā)射塔極其容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、基礎(chǔ)沉陷甚至倒塌的不良情況。因此，發(fā)射臺(tái)必須對(duì)廣播電視發(fā)射塔的日常維護(hù)與監(jiān)測(cè)工作給予高度重視[2]。然而，大部分發(fā)射塔的日常巡檢維護(hù)依賴純?nèi)斯つＪ介L(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)和上塔高空作業(yè)巡檢，該工作實(shí)施過(guò)程中存在無(wú)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)、無(wú)系統(tǒng)分析等實(shí)際情況，直接造成不能提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，更不能做到提前排除安全隱患。因此，通過(guò)現(xiàn)有成熟先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和設(shè)備減輕巡檢工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作壓力，同時(shí)為發(fā)射塔整體結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、高效日常維護(hù)體系非常有必要。

隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺(tái)142 m廣播電視發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)有限元分析確定鐵塔結(jié)構(gòu)的控制部位和損傷敏感部位，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力、變形、振動(dòng)及基礎(chǔ)位移、沉降等結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)信息在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺(tái)發(fā)射塔健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面性、實(shí)時(shí)性和智能性。系統(tǒng)不僅對(duì)塔體本身進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，也對(duì)影響塔體健康的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如風(fēng)速、基礎(chǔ)沉降等。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察并結(jié)合臺(tái)區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)人員主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)方案。

（1）發(fā)射塔傾斜監(jiān)測(cè)。在桅桿頂部和第一平臺(tái)處分別安裝雙軸傾角傳感器。由于發(fā)射塔在風(fēng)的作用下并非靜止?fàn)顟B(tài)，因此，傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際上是塔頂位移，軟件系統(tǒng)再通過(guò)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出傾斜值。

（2）發(fā)射塔振動(dòng)周期監(jiān)測(cè)。為保證塔體結(jié)構(gòu)安全，需監(jiān)測(cè)塔體振動(dòng)周期參數(shù)。當(dāng)塔體結(jié)構(gòu)或質(zhì)量發(fā)生變化，振動(dòng)周期將發(fā)生改變。本系統(tǒng)在桅桿頂部和第一平臺(tái)分別安裝加速度傳感器，通過(guò)檢測(cè)加速度變化，計(jì)算振動(dòng)周期。

（3）發(fā)射塔應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，發(fā)射塔桅桿底部為受力薄弱段，因此需要監(jiān)測(cè)塔柱應(yīng)力情況，以保證塔樓安全。在桅桿底部每根主材角鋼安裝應(yīng)變計(jì)，對(duì)桿件受力、突變情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)。

（4）發(fā)射塔氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)。在發(fā)射塔平臺(tái)安裝相關(guān)傳感器，如風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，對(duì)風(fēng)速及方向進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，實(shí)時(shí)計(jì)算出塔體安全指數(shù)，為塔體結(jié)構(gòu)安全提供保障。在相同位置安裝溫濕度傳感器，對(duì)發(fā)射塔的環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)塔體工況環(huán)境的變化。

（5）發(fā)射塔周界安全監(jiān)測(cè)。在發(fā)射塔適當(dāng)位置安裝云臺(tái)攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)塔體情況。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)生安全警報(bào)時(shí)，可記錄當(dāng)時(shí)影像資料，作為安全排查依據(jù)。

（6）發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)。監(jiān)測(cè)平臺(tái)及時(shí)監(jiān)控與評(píng)估發(fā)射塔結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，當(dāng)遇到特殊天氣或者結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常狀況時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，目的是為結(jié)構(gòu)的維修、保養(yǎng)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

3 發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案

為進(jìn)一步完善日常鐵塔監(jiān)測(cè)工作中的不足，及時(shí)對(duì)發(fā)射塔結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估，達(dá)到鐵塔主體結(jié)構(gòu)在特殊天氣或日常運(yùn)行異常時(shí)觸發(fā)預(yù)警信號(hào)，為鐵塔的結(jié)構(gòu)維護(hù)維修與管理決策提供依據(jù)的目的，需要在上述布設(shè)的監(jiān)測(cè)儀器基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)、迅速掌握發(fā)射塔的動(dòng)態(tài)工況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并分析潛在的安全隱患。該發(fā)射塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要遵循如下原則。

（1）系統(tǒng)具有可靠性，功能具有實(shí)用性，組網(wǎng)具有合理性，且便于維護(hù)保養(yǎng)。

（2）具有可擴(kuò)展性。裝置可以通過(guò)模塊的添加方便地增加遠(yuǎn)程和本地端口的數(shù)量，為后續(xù)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及新的分中心的接入提供網(wǎng)絡(luò)接口。

（3）使用分布式數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)減少故障發(fā)生，并在防雷和抗干擾技術(shù)措施方面進(jìn)行充分考慮，將損壞的可能性降到最低。

根據(jù)國(guó)家廣播電視總局《廣播電視鋼塔桅運(yùn)行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GY/T 328—2020）相關(guān)要求，廣播電視鋼塔桅的運(yùn)行維護(hù)包括日常巡檢維護(hù)、專業(yè)維護(hù)、加固改造等[3]，其重中之重是加強(qiáng)日常的鐵塔監(jiān)測(cè)，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患、及時(shí)解決隱患的目的。而發(fā)射塔日常巡檢維護(hù)依舊采用傳統(tǒng)巡檢模式，依賴于純?nèi)斯つＪ竭M(jìn)行觀測(cè)記錄和上塔開(kāi)展高空作業(yè)巡檢等工作，致使日常巡檢成本高、隱患排查不準(zhǔn)確等實(shí)際情況，使得廣播電視發(fā)射塔安全管理成為一種挑戰(zhàn)[4]。隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺(tái)發(fā)射塔健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮上述不利因素，通過(guò)在塔上安裝各類傳感器，對(duì)鐵塔自身傾斜、擺幅、溫度、頻率、風(fēng)力風(fēng)速、接地電阻等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)鏈接到系統(tǒng)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、鐵塔實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)、鐵塔健康狀況提前預(yù)警，有效降低日常巡檢維護(hù)成本，為排除安全隱患提供了科學(xué)依據(jù)。該實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息處理與分析軟件系統(tǒng)有效整合而成。

3.1 傳感器系統(tǒng)

鑒于隨州市廣播電視發(fā)射塔的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)勘探測(cè)量和研究探討，設(shè)計(jì)人員決定在本次項(xiàng)目中采用振弦傳感器作為應(yīng)力應(yīng)變計(jì)，其余均采用數(shù)字型傳感器。這些傳感器包括傾角傳感器、應(yīng)力和應(yīng)變傳感器、振動(dòng)傳感器、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器等等。

3.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能是通過(guò)放置在監(jiān)控機(jī)房的光纖路由終端將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，與核心服務(wù)器進(jìn)行通信。服務(wù)器發(fā)送采集指令，傳感器返回測(cè)量值在終端顯示、存儲(chǔ)和分析，以核心服務(wù)器的具體要求作為依據(jù)上傳數(shù)據(jù)、上報(bào)信息或者觸發(fā)預(yù)警。

3.3 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)

光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由主干傳輸光纜構(gòu)成，用于連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

3.4 監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)

監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)主要是對(duì)各種監(jiān)控儀表所采集到的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，從而為塔架結(jié)構(gòu)的安全、維修和管理工作提供科學(xué)的依據(jù)。

4 針對(duì)強(qiáng)干擾環(huán)境、防雷電的方案

發(fā)射臺(tái)的電磁環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，尤其是發(fā)射塔體和周邊電磁干擾情況更加嚴(yán)重。抗干擾和防雷電一旦解決不好，勢(shì)必會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性、連續(xù)性造成安全隱患。本系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)施采取以下相關(guān)措施。

（1）空間耦合抗干擾。本項(xiàng)目所使用的各類傳感器都是以金屬材質(zhì)為外殼，并在每個(gè)傳感器接口處設(shè)計(jì)了接地端子，利用屏蔽原理來(lái)阻止空間電磁干擾的耦合現(xiàn)象。

（2）信號(hào)線接入抗干擾。針對(duì)本次項(xiàng)目所使用的設(shè)備的選擇以及軟件處理上與廠家進(jìn)行探討并采取了一些相應(yīng)的方法。首先是設(shè)備線路板的設(shè)計(jì)，要求重要的設(shè)備（如傳感器）能夠采用多層板設(shè)計(jì)技術(shù)，分離模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)、數(shù)據(jù)總線與供電系統(tǒng)，以屏蔽印制板。其次，在輸入信號(hào)層面采取濾波方式，將高頻干擾濾掉，以確保各傳感器的采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

（3）電源系統(tǒng)接入抗干擾。傳感器等重要設(shè)備加裝電源濾波裝置，有效遏制50 Hz以外的信號(hào)。

（4）防雷措施。廣播電視發(fā)射塔一般都位于當(dāng)?shù)貐^(qū)域內(nèi)建筑的最高點(diǎn)，鐵塔本身既可成為防雷的避雷塔，也可能變成“引雷器”或產(chǎn)生感應(yīng)雷的導(dǎo)體。因此，它也是廣播電視發(fā)射臺(tái)防雷的第一關(guān)[5]。本系統(tǒng)采用抑制浪涌電壓和浪涌電流的方式，采用瞬變二極管將通信總線對(duì)地放電的方式進(jìn)行保護(hù)，在通信線間串接自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，抑制通信線上的浪涌電流，達(dá)到保護(hù)后續(xù)設(shè)備的目的。

5 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)建成一年來(lái)，經(jīng)過(guò)極端天氣的有效運(yùn)行，至今運(yùn)行良好，準(zhǔn)確地記錄了發(fā)射塔傾斜、震動(dòng)周期、沉降、周邊氣象環(huán)境等數(shù)據(jù)。鐵塔實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)健康平臺(tái)界面簡(jiǎn)潔明了，操作簡(jiǎn)單，值班人員極易掌握。該系統(tǒng)有效地解決了鐵塔日常維護(hù)工作的難點(diǎn)，為鐵塔提高安全的生命周期奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，還為鐵塔針對(duì)性維護(hù)提供了準(zhǔn)確科學(xué)依據(jù)。

隨著智慧廣電和大數(shù)據(jù)在廣電安全播出系統(tǒng)的應(yīng)用，未來(lái)該鐵塔實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擬與全臺(tái)重要的技術(shù)系統(tǒng)和廣播電視設(shè)施安全系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合，實(shí)現(xiàn)廣播電視設(shè)備與設(shè)施全生命周期智能管理，為廣播電視安全播出提供可靠的技術(shù)支撐。