铁路通信铁塔监测系统设计

杨彩云，袁振江

（1.国家铁路局规划与标准研究院，北京100055；2.通号通信信息集团有限公司，北京100070）

1 概述

近年来，随着铁路无线通信技术的飞速发展，GSM-R通信铁塔越来越多地应用于铁路通信。然而，地壳运动、恶劣气候、老化氧化、潜在的人为偷盗破坏等因素，都会给铁塔带来一定的安全隐患，甚至出现倾斜、倒塌现象。目前，铁路通信铁塔的维护主要靠定期巡检、人为观测，这些是非常必要的安全防护手段。但相对于实时监测的需求来说，上述手段不易及时发现问题，存在一定的主观性且某些参数人工实测困难。

为了消除铁塔存在的安全隐患，应采用先进的技术设备对铁塔进行实时安全监测，为铁塔的集中整治、中修、大修提供基础参考数据。铁路通信铁塔监测系统采用成熟的信号采集、控制、网络通信等技术，结合一流的传感和智能视频分析技术，对铁塔运行健康状况及危及铁塔安全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 系统简介

铁路通信铁塔监测系统由采集单元、监测单元、监测中心和监测终端组成。

监测中心根据实际业务需求，实现监测数据和告警数据的存储、分析、显示、输出。应具备信息交换、资源共享、故障定位、性能分析、查询显示、报表输出、时间同步、网管维护等功能。

监测终端应以图形（视频）、文本、声音等方式，对铁塔垂直度、塔基沉降等监测信息以及告警、预警信息进行实时展示以及报表输出，并具备信息、处理预案查询等功能。

3 系统功能

铁塔监测平台系统（以下简称系统）通过远程在线监测技术，对通信铁塔的状态和环境等参数进行实时检测，对异常状态进行告警、预警，记录和分析相关数据的系统。系统按需求主要包括监测管理、配置管理、查询统计预测、系统管理和校准管理。

3.1 监测管理

监测管理实现以下功能：①实时监测功能以图像方式显示不同的铁塔状态参数，如x、y轴倾斜角，垂直度，沉降等，接收和产生实时告警；告警信息可被用户确认、清除、导出。②提供指定线路中的铁塔站点、直放站拓扑图及其基础信息，能够让用户直观了解站点、机构的拓扑关系。③监测单元能够自动地发送报文、告警到监测系统，系统也能设置自动查询，系统周期性向各个连接的监测单元发送报文请求其上传模拟量数值。

3.2 配置管理

配置管理实现以下功能：①接入平台的监控单元和所属机构、采集模拟量参数的告警门限进行配置和管理。②管理铁塔站点及基础信息的台账功能，能够任意配置如路、局、线三层次的机构功能。③能够单一或指定区域的配置站点告警门限和自定义告警声音。台账功能对系统提供了站点、铁塔基础信息以及各种检测数据，方便管理员进行检查、维护。系统实现了路局—监控中心—监控单元的三级级联功能。合理配置监控中心和路局相关参数，基础告警、模拟量数据都能实时同步到路局端。通过开关的控制，能够实现路局端有选择性地接收各监控中心下的站点基础信息，实现一个路局管理多个监控中心。

3.3 查询统计预测

查询统计预测实现以下功能：①系统支持单站点多个模拟量参数、多站点单个模拟量参数在不同时间段监测数据的统计报表，可提供饼图、曲线、柱状图等不同的报表展现方式；②系统提供多站点告警信息查找，从机构站点树上选择不同区域，包含在该区域中多个站点的历史告警就会呈现；③系统提供针对站点的预测分析功能（铁塔运行状态及其变化趋势）。

预测模型基于矩阵分解技术的协同过滤策略，结合铁塔及其监测数据的特点，在模型中不仅采用了带偏置的矩阵分解模型，并考虑了铁塔所处的微环境中的时间效应。以下简述系统几个重要的点。

公式（1）为总评分预测公式，其中风向偏置bd独立于铁塔对风速的反应特征的因素，表示某一特定风向对铁塔倾斜角度的影响；风速偏置bs，独立于铁塔对风向的反应特征的因素，表示某一特定风速对铁塔倾斜角度的影响；pd和qs为风向d和风速s的特征向量：

公式（2）为每一步的迭代公式，将独立的风向或风速与铁塔倾斜角度的偏置部分当作基本预测，添加铁塔倾斜角度对特定风向与风速组合的个性化反应，从而可以预测任意给定风向、风速，铁塔的倾斜角度：

为提高铁塔监测系统数据分析精度，充分考虑铁塔所处的微环境中的时间效应。对于铁塔监测系统，数据中随时间变化趋势最明显的就是地基非均匀沉降，本文使用地基沉降测量点在不同时刻的三维坐标拟合出地基平面模型随时间的变化，推导出地基平面模型的上述时间特性对铁塔倾斜角度的影响，从而可以将上述影响与风向、风速等气候因素对铁塔倾斜角度的影响分离，使后续数据分析更加精确。地基非均匀沉降对铁塔倾斜角度的影响如图1所示。

图1 地基非均匀沉降对铁塔倾斜角度的影响

3.4 系统管理

系统管理部分提供对系统用户、系统角色、系统菜单及字典管理，并且监控系统JVM各参数。对数据库中各种信息进行定时备份，提供一键恢复等功能。同时，对重要信息进行日志记录，方便用户进行查找和维护。

3.5 校准管理

在实际测量仪器的安装中，现场环境会导致各种传感器安装角度不会按照理想状态安装，存在一定偏移误差。系统提供校准管理部分对误差进行测量，并按特定公式进行计算。安装误差校准能够通过周期性采样、计算消除x、y轴传感器初始安装偏差对测量结果带来的影响。

3.6 外部接口

采用TCP方式，实现对综合网管、视频监控系统所需相关信息的传输。通过开关控制，监测中心可定期向通信综合网管系统上报铁塔基础信息，发生告警时，监测中心将相关告警信息实时推送至通信综合网管系统和视频监控系统。

4 结束语

本文详细阐述了铁塔监测平台各模块功能设计。通过这些功能确保监测数据实时、准确、可靠地反应在系统中，并且及时产生告警信息，防止铁塔发生严重倾斜倒塌、天线信号覆盖区域偏移等危险情况发生。系统设计的预测模型能够有效预测铁塔的各状态参数未来变化趋势，提高预警准确性。系统减少了检查铁塔的工作量，提高了安全隐患的检出率，加强了铁塔维护工作的有效性。