GSM-R通信铁塔安全监测系统研究

■ 袁振江 吕晓鹏 白明明

1 概述

近年来，随着铁路无线通信技术的飞速发展，作为保障高速铁路安全运营的重要基础设施——GSM-R通信铁塔，越来越多地被部署和应用。然而，由于一些极端自然现象（如地壳运动、恶劣气候）、人为破坏及铁塔自身老化、氧化等原因，造成铁塔倾斜情况时有发生，严重时甚至导致铁塔倒塌。铁塔的倾斜和倒塌不仅会造成通信网络中断，甚至会引发其他铁路事故，这对通信网正常工作和安全行车带来安全隐患。

目前，铁路通信铁塔维护主要靠定期巡检、人为观测等，这些是非常必要的安全防护手段，但存在一定主观性，某些参数人工实测困难，不容易及时发现问题，无法满足铁塔实时监测需求。铁塔安全监测系统具有成本低、精度高的优势，利用先进的传感技术，结合成熟的信号采集、网络通信技术，对铁塔运行状态及潜在的各类自然灾害和人为破坏进行实时监测，并及时预警和告警。

2 系统设计

2.1 系统组成

根据分层和模块化的设计方式，铁塔安全监测系统由4部分组成：采集层、汇聚层、业务逻辑层和表示层（见图1）。通常，采集层由安置在铁塔上的各个采集感知设备组成；汇聚层功能主要由采集处理主机实现；业务逻辑层主要由部署在铁塔监控中心的各种服务器实现；表示层采用基于JavaEE的B/S架构来实现用户终端展示。

2.2 系统功能

2.2.1 采集层

采集层通过多种传感器获取铁塔安全监测数据（倾斜角度、振动频率、风速风向、塔基沉降、视频围界告警信息等），实现铁塔运行状态的实时监测及防盗报警监测等（见图2）。

铁塔倾斜/振动监测设备主要由倾斜传感器、振动传感器等组成，周期性地采集铁塔的倾斜角度及振动频率、振动幅度等信息；气象监测设备主要由风速风向计、温湿度传感器等组成，实时监测铁塔现场气象信息，并结合铁塔的倾斜角度和振动频率、振动幅度，通过告警分析数学模型分析当前告警状态；塔基沉降监测设备主要由压力传感器和沉降采集处理机组成，实时监测铁塔的塔基沉降及平衡状态。为实时监测和分析侵入铁塔限界的物体对通信铁塔产生的影响，由高清夜视摄像机、视频分析仪等组成铁塔防盗报警监测设备，监视铁塔所在位置的现场情况，实现对铁塔周界重点区域的安全布控。

2.2.2 汇聚层

汇聚层主要收集前端铁塔各类安全监测数据，并进行数据预处理，如利用协议转换模块完成前端多种协议数据的标准化工作。通过传输数据通道将标准协议数据上传到监测中心。

图1 铁塔安全监测系统体系层次示意图

图2 采集层设备

汇聚层功能主要由铁塔监测采集处理主机实现。采集处理主机硬件采用模块化结构设计，同一采集单元能同时接入多种不同类型监测设备，完成风速风向、温湿度、倾斜度、振动频率及路基沉降等监测数据的采集、初步分析和预处理，以及对铁塔防盗告警实时状态的监测。

现场采集单元具备自检和对监测铁塔状态的巡检功能，实现对铁塔安全隐患的诊断、定位及告警；同时，能够将故障信息上传至监测中心并接受监测中心的集中监测管理。

2.2.3 业务逻辑层

业务逻辑层由部署在数据库服务器、通信服务器、告警服务器、Web服务器、视频服务器等设备上的不同功能模块实现。

业务逻辑层具备对辖区内各监测对象的告警等重要信息进行处理、存储、显示、输出等功能，具备对各类信息按指定时段统计分析的功能，为维护管理人员提供监测告警、预警及铁塔安全状态等信息的查询显示和报表输出功能，并提供监测信息维护、系统运行参数配置、用户权限管理及系统日志管理等功能。此外，业务逻辑层具有自检和对监测设备、监测单元的故障进行监测，以及将故障告警信息传送至维护终端的功能。

2.2.4 表示层

表示层采用基于ArcGIS和Flex技术的B/S架构。表示层维护终端以图形、视频、声、光等方式，提供风速风向、温湿度、倾斜度、振动频率、塔基沉降、铁塔周界实时状态等监测信息，以及告警、预警信息和相应的工作预案，并具备信息查询和报表输出功能。当某个基站的铁塔出现异常情况时，系统主界面通过在GIS地图上对异常铁塔图标的警示渲染和语音播报，向维护人员发出告警提示。

采用基于HTTP协议的AMF（Action Message Format）技术实现表示层与业务逻辑层的通信，以消息模式实现各种模块信息的交互，实时向维护人员呈现管辖范围内铁塔的监测数据和告警信息。AMF是Adobe公司独家开发的一种轻量级、高效率的通信协议，实现数据的二进制压缩、序列化、反序列化和数据传输。使用AMF技术不仅能实现前后台数据交互的实时性，而且各层相对独立，可以灵活部署在不同的物理位置，有利于按照不同业务规模进行系统扩展和维护，实现系统分布式集群部署。

3 系统功能

3.1 数据采集与测量

铁塔安全监测系统采集单元的主要功能是自动周期性地采集铁塔的运行状态，并进行处理、存储和上报，同时可随时接收并响应监测中心的查询命令，通过监测模块对相应监测指标进行查询和向监测中心传送。

系统的监测指标包括：

（1）监测铁塔的倾斜度变化。根据铁路通信工程验收规范，考虑风荷载等外力的作用下，当铁塔倾斜度超过预设门限值时，系统产生告警信号；

（2）通过在铁塔上部署高清夜视摄像机、前端视频分析仪等设备，实现对铁塔周界重点区域的安全布控，实时监测并分析侵入铁塔限界的物体对铁塔安全所产生的影响；

（3）视频监控具有联动功能。当倾斜度、路基沉降、防盗等告警发生时，启动视频监控并进行预定时长的录像，同时视频信息自动传送到监控中心；

（4）监测铁塔塔基不均匀沉降。当不均匀沉降值超过预设门限值时，系统产生告警信号。

3.2 实时告警和预警

采取分级告警方式，及时在监测中心发出分级告警信号，并保证多地点、多事件的并发告警。根据事件的轻重缓急，系统将告警信号分为紧急告警、重要告警和一般告警。为使值班人员及时获得告警信息，在维护终端界面固定区域明显标示告警信息，并采用声光告警形式。

为了向运用维护提供预警信息，系统可根据铁塔的运行状态及相关监测数据，综合历史监测数据，分析铁塔的健康状态，准确判断对铁路运营的影响及危害程度。

3.3 查询统计分析

根据告警时间、地点、类型、等级等单条件或组合条件，提供查询、统计功能。为更直观地观察铁塔的历史运行状态，利用历史监测数据绘制铁塔日、月、年统计报表和变化曲线，并可组合实现同区域、同铁路线路、同铁路局的铁塔监测数据报表和变化曲线。可通过横向分析和比较相似环境的铁塔检测数据，发现运行异常的铁塔。

系统实现配置、告警、运用维护等管理。配置管理负责添加、删除监测对象，配置、修改监测对象的参数。告警管理负责监测对象的故障告警信息并进行集中监测和管理，能够实现对告警数据的实时采集和集中监测，能准确定位故障。运用维护管理功能包括用户及权限管理、系统日志管理等。系统具有车间、通信段、铁路局等多级权限管理功能。管理员具有对系统操作和控制的所有权限，为最高级权限。操作员只能进行普通的信息查看、告警确认、报表生成等操作。重要参数和系统配置参数的修改必须使用安全密码。系统日志管理包括系统访问日志和系统操作日志。系统访问日志包括用户名称、登录终端标识、登录时间和退出时间等。系统操作日志包括实施操作的用户名称、操作时间、操作对象和操作结果等。

4 系统软硬件实现

4.1 软件平台实现

软件平台采用基于JavaEE三层体系架构，利用SSH（Struts+Spring+Hibernate）框架开发技术实现展示层、业务层和持久层功能。展示层采用基于ArcGIS和Flex技术的B/S架构。运行在业务层的网络服务（Net Server）、引擎服务（Engine Server）和看门狗服务（Watchdog）是系统的三大核心服务，是软件平台实现的关键。

Net Server初始化后建立ICMP扫描线程，通过对铁塔安全监测系统中所有前端采集设备的IP可达性扫描，对设备状态标记。对IP可达的设备进行设备参数状态扫描，并把扫描结果通知引擎服务。Net Server可与授时服务器保持时钟同步，并向各监测单元授时，同步监测单元时钟；Net Server预留与上级管理部门管理信息系统及国家气象部门、地震部门的通信接口，用于传送铁塔安全状态的告警、预警等信息，根据需要传送传感器监测信息报表，且能接收气象灾害和地质灾害的预报、预警信息。Net Server工作机制见图3。

Engine Server根据Net Server所标记的设备状态，按照设备属性建立相应的设备连接，采集前端设备监测数据和工作状态。Engine Server工作机制见图4。

看门狗服务负责监视引擎服务和网络服务的运行状态，当发现某个服务出现异常情况时，及时重启该服务，确保系统长期稳定运行。

系统软件平台配置Oracle数据库服务，完成数据存储管理等持久化工作。数据库由监测对象信息库和若干数据表组成（见图5）。监测对象信息库由3个相关管理对象树构成，每个管理对象树对应一个数据库表。

图3 Net Server工作机制

图4 Engine Server工作机制

继承树HT用于定义被监测对象的类，它描述了各监测对象类的数据结构和管理对象之间的继承/派生关系。数据表RT的作用是登记所有用户定义的类，并为每个类分配一个唯一的标识。RT说明类在实际设备中的物理意义和物理上的从属关系。铁塔安全监测系统中实际存在的被监测对象都可以在MT表中找到，是RT的实体。

在RT生成过程中，同一个RT可以引用多个HT子树，多个RT也可以引用同一个HT子树。RT_Index表中建立RT索引项，MT子树中相同设备指向同一个RT索引，索引项与RT表之间是一一对应的关系。

系统软件界面见图6。

4.2 硬件平台实现

铁塔采集处理主机通过RS232串口接收塔基沉降传感器和气象传感器的监测数据，通过模拟量输入接口（AI）接收双轴倾角传感器实时监测数据，通过开关量输入接口（DI）接收视频分析仪告警信息。各种传感器信息经过数据同步及预处理后，通过以太网接口发送到监控中心。系统硬件模块框架见图7。

CPU选用基于ARM920T内核的三星处理器。该处理器主频达到400 MHz，可以实现硬件平台对不同传感器信息的实时采集和预处理，是在监测监控领域应用非常广泛的RISC微处理器。处理器提供了丰富的扩展接口，如标准RS232串口、USB接口、CF存储卡接口、内置LCD和触摸屏控制器、VGA接口、以太网接口、PS接口以及通用的I/O接口等。利用该处理器，可以很容易地实现上位机通信、多传感器接入、本地数据存储、液晶显示和键盘控制等多项功能。此外，选用三星处理器可保证很好的扩展性，如声音控制器集成了直接对摄像头进行控制和传输数据的CAMIF接口，可以很好地满足未来对音频和视频处理的扩展需求。

GSM模块选用西门子紧凑型TC35i，属于西门子TC35系列，集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT指令接口，为数据、语音和短消息提供快速、安全、可靠的传输。TC35i符合ETSI标准GSM0705和GSM0707，与GSM2/2+兼容，易于进行GPRS传输功能的开发。

倾斜角度监测采用基于MEMS技术的高精度双轴倾角传感器BJ11-380（见图8）。BJ11-380传感器内置温度传感器，实现测量输出的温飘抑制，实现铁塔在垂直或平行铁路线路方向倾斜角度的高精度测量，具有高分辨率、低噪声、温度范围宽、抗冲击能力强等特点。

图5 数据库结构设计

图6 铁塔安全监测系统主界面

图7 系统硬件模块框架

铁塔的振动特点为自然环境下振动微弱，振动频率很低，因此振动传感器选用超低频拾振器（见图9）。通过测量铁塔内部敏感元件受外力作用导致的变形量，利用相关电路将变形量转化为电量输出，进而得到对应的加速度信号，再通过加速度的测量实现振动频率的测量。

塔基沉降监测采用基于固态差压技术的沉降传感器。固态差压传感器利用连通器原理，通过对液面高度差测量，实现参考点与被测点相对沉降观测，测量原理见图10。相关参考点、测量点的传感器通过一个液体管道彼此相连，一个或部分传感器用作参考点，其他传感器用于相对沉降测量。设参考点与参考液面之间的高度差为Ho，观测点与参考液面之间高度为Hi，根据压力传感器分别测出的Hi、Ho值，计算Hi-Ho，求得测量点相对于参考点的高度差值△。当测量点高度发生变化时，本次测量的△也相应地变化，2次△的差即是测量点的沉降值。

5 现场测试

铁塔安全监测系统已在高铁部分通信基站铁塔上进行了现场测试试验，实现对倾斜角度、振动幅度、塔基沉降等信息的监测。

5.1 倾斜监测

倾斜传感器采样频率为1 Hz，选取2011年8月20日某一时段的数据，以时间（数据组号）为横轴，倾斜角度为纵轴，对该时间段的数据做散点图（见图11）。

从图11观测数据可以看出铁塔在各个方向的极限倾斜角度（见表1）。

把铁塔近似看成是一个刚体，则铁塔稳定的初始位置和倾斜后的位置所形成的区域是一个直角三角形（见图12）。传感器安装高度为40 m，设铁塔振动幅度为D，偏移角度为，则D=40×sin。

按照上述公式进行计算，可以得出铁塔X轴振动幅度在-12.63～16.76 cm之间，Y轴振动幅度在-13.43～17 cm之间。以时间为横轴，偏移中心距离为纵轴，对该时间段的数据做铁塔振动幅度曲线（见图13）。

5.2 塔基沉降监测

图8 倾斜传感器BJ11-380

图9 振动传感器

图10 沉降监测原理

图11 倾斜角度散点图

表1 倾斜角度极值 （°）

塔基沉降监测数据采集频率为1次/30 min。选取2011年8月13日—10月24日间的数据进行分析。铁塔的不均匀沉降状态通过被监测铁塔4个差压传感器的差值来反映。

设H0表示基准传感器的压力，Hi表示第i个传感器的压力（i=1，2，3），t0表示初始测量时刻，tn表示当前测量时刻，△H表示当前沉降值，则：

根据上述公式，计算各个传感器相对基准点的沉降变化值，以时间为横轴、沉降值为纵轴做铁塔沉降变化曲线（见图14、图15）。

图12 铁塔振动幅度计算示意图

图13 铁塔振动幅度曲线

图14 2011年8月24日—10月24日沉降曲线

图15 2011年10月21日沉降曲线

6 结论

论述铁塔安全监测系统的组成、功能、软硬件实现及现场测试验证。实际运行表明系统安全可靠、效果良好。通过部署在铁塔的各个传感器设备，系统实现了铁塔运行状态的实时在线监测。在异常事件发生时，系统可及时发出告警信号，并通过对历史监测数据综合智能分析，提高预警功能，便于提前采取有效防范措施，确保铁路通信网络通畅，列车运行安全。现场测试试验数据结果显示，系统具备有效、实时性等特点，有非常广阔的市场前景。

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