通信铁塔综合安全监测系统的研制

吴成昌 中国铁路上海局集团有限公司上海通信段

近年来，随着铁路通信技术的发展，作为铁路无线通信重要设施的铁塔的安全显得越来越重要。大风、雨雪等极端天气、设备固定件氧化锈蚀、地质运动等会导致铁塔倾斜甚至倒塌。铁塔周围的围挡，也经常出现人员的入侵，对铁塔及其附属设施的安全形成威胁。铁塔周围的挖掘施工，引发铁塔基础出现隐患。为了发现这些事故隐患，维护单位需投入大量的人力、财力，组织人员进行检查，而人工作业存在实时性差、准确性低、成本较高等缺陷。针对以上问题，介绍一个能够对铁塔姿态实时监测、集成铁塔围挡安防、邻近铁塔一定范围内施工监测的综合安全监测系统。

1 系统组成

系统具有分层化和模块化的特点，铁塔综合安全监测系统由四部分组成：采集层、汇聚层、业务逻辑层和表示层（见图 1）。

图1 系统组成

1.1 采集层

采集层主要由气象传感器、倾斜传感器及安防监测设备组成。负责收集气象类信息的传感器，包括风速风向计、温湿度传感器、雨量计（见图2）；然后负责监测铁塔姿态的传感器，包括由安置在铁塔上的倾斜传感器、振动传感器、北斗定位等设备（见图3）；负责安防的监测设备，包括高清夜视摄像机、视频分析服务区、振动传感光纤、振动传感光纤监测主机。

图? 铁塔安装的传感器

图3 通信铁塔围挡安装的传感器

1.2 汇聚层

汇聚层收集前端铁塔采集层获取的各种数据。首先对数据进行预处理和分析，然后将各种格式的数据统一转换为Protobuf协议封装的压缩数据，转发给数据中心（见图4）。

图4 数据转换流程

1.3 业务逻辑层

业务逻辑层以Java的B/S的架构实现，部署在数据中心。后台框架以SpringMVC实现控制、事物、模型、视图，使用Redis缓存加速、使用Mybatis实现Dao层（数据访问对象层）、使用Druid实现数据库连接池。容器使用Tomcat。数据库使用Mysql实现（见图5）。

图5 业务逻辑层组成结构

1.4 表现层

表现层以Datatables控件展示表格，以Arcgis地图系统表现地图，以图形、视频、声、光等方式，展示风速风向、温湿度、倾斜度、振动、铁塔周界人员入侵等监测信息，并具备信息查询和报表输出功能。当某个铁塔出现异常情况时，系统主界面在GIS地图上对异常铁塔标识告警标志，并进行语音播报，同时向维护人员发出告警提示。

2 系统功能

2.1 数据采集与测量

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：铁塔倾斜度、铁塔沉降、人员入侵、挖掘机挖掘。主要技术手段为：北斗定位技术、气象监测、光纤传感技术等。

基于北斗卫星定位系统的铁路沿线通信铁塔倾斜监测系统可以实现对通信铁塔倾斜度、沉降监测和数据的实时传输功能，加之北斗卫星信号覆盖范围广，受地形、气候因素影响小，此应用可以解决铁路沿线线长点多导致的通信巡检难度大、耗费多的问题，提高通信铁塔监测的信息化水平。北斗卫星定位系统的高精度观测量可以提供实时、精确的定位信息，既满足了通信铁塔监测的精度需求，又满足了监测的实时性需求；北斗卫星通信信道具有全天候、全天时、实时性强等特点，满足数据观测的要求；北斗卫星定位系统的授时功能能够为气象观测网进行全网精准授时，保证了全网数据采集和数据传输的同步，其定位功能可以为通信铁塔提供准确的定位服务，可将通信铁塔位置数据与地理位置信息融合在一起。这样，可以为铁路沿线通信铁塔的智能监测、应急保障和特殊灾害处置等提供更加全面、准确、可靠的数据信息。

光纤传感技术具有传感距离长、无源抗干扰能力强、定位精度高等优势，适用于铁路沿线这一线长、点多的监测需求。其基于振动信号检测的外部入侵监测功能，具有抗外部干扰能力强、实时高精度定位等特点，可用于铁路沿线通信铁塔及基站的周界防护。同时，该技术可对周界一定范围的强振动，如大型机械施工等具备监测能力，对铁塔周边可能引发地基隐患的施工行为进行监测定位和报警。利用光纤既有的通信功能可以组建局域网，将沿线的北斗监测信息等用有线网络进行传输，保障监测数据的实时性和可靠性。该技术可有效地利用铁路沿线既有的通信光缆通道，在对整条线路进行感知的同时，无需长距离的施工，大大缩减了检测系统的建设成本。

本系统针对铁塔的实时监测，与气象信息密切相关，铁塔的因风等气象影响导致的摇摆情况同样在本系统的监测范围之内，为了更好地掌握铁塔的实时状态，系统中加入气象监测设备，对铁塔的实时气象信息进行采集，与铁塔的倾斜状态进行实时比对，以提高系统的准确性。

2.2 铁塔倾斜度

系统利用安装在铁塔顶部的GNSS天线，实时接收北斗卫星定位数据，基于北斗定位数据，实时计算获取铁塔倾斜度、方位角。如系统获取告诉为h的铁塔原定位数据为（x1，y1，H1），当其发生倾斜时获取到的定位参数为（x2，y2，H2），如图 6所示。

图6 铁塔倾斜角运算关系

则其倾斜角为，θ=arc sin（ΔP/h）

式中：

根据倾斜传感器发来的倾斜角数据，可以直接获得铁塔的倾斜方向和倾斜角。根据北斗发来的塔顶三维位置实时数据，可以计算出塔顶的实时三维位置，通过统计三维位置的周期变化，可以计算出铁塔北斗安装位置的圆周运动的圆心，根据圆心的偏移距离和塔的高度计算处倾斜角和倾斜方向。根据风速风向数据，判断当前铁塔的倾斜度是否是风力所造成，协助判断铁塔的安全性。

2.3 铁塔沉降

根据北斗发来的塔顶三维位置实时数据，获取北斗海拔高度的位置，扣除因铁塔倾斜造成的北斗海拔高度变化，算出海拔高度的偏移，判断处铁塔是否发生了沉降。

2.4 人员入侵

分布式光纤探测技术利用光纤中连续分布式散射效应，可以像“神经系统”一样准确测量光纤任意位置的振动在时间和空间的信息分布。根据光纤振动信号，可以初步判断出合条件，提供查询、统计功能。根据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、告警推送、运维等管理。配置管理负责添加、删除监测对象，配置监测对象的参数。告警管理负责监测对象的故障告警信息并进行集中管理，实现对告警数据的实时采集和集中监测，用来准确定位故障。运维的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。

3 总结

针对铁路沿线通信铁塔需实时、高精度、多功能监测的需求，搭建了通信铁塔综合安全监测系统。该系统在沿线通信铁塔及其周边布设传感器，对铁塔及其周边情况进行实时监测，有效反映因天气、地质、人为等原因造成的铁塔倾斜等状态，实现对铁塔倾斜、外部入侵、周边施工等行为的远程实时监测和异常预警。以此系统所监测的信息为依据，并提供综合的告警平台，实现对铁路沿线通信铁塔的综合监测和防护，提高铁塔监测的实时性和准确性，缩减人力成本。