基于MEMS的智慧塔桅监测预警系统

刘伟东，陈 竹

（紫金电视调频转播台，广东 河源 517400）

0 引 言

随着国家新型基础建设的发展，广播电视发射塔建设规模不断扩大、迁移，大量塔桅分布在地质环境较为恶劣、地势偏远的位置，特别是高山台。除复杂多样的地质条件外，近年来频发的台风、暴雪等极端天气、工程施工等各种人为因素，使得塔桅的安全性无法得到有效保障，极易造成倾斜倒塌、线路中断、甚至倒塔等严重事故，给生产生活的安全稳定带来极大的隐患[1]。

由于沉降、倾斜等塔桅空间姿态的变化一般都是缓慢过程，在塔桅形变初期，日常巡检人员很难通过肉眼或摄像头观察到塔桅状态的细微变化，容易产生误判、漏判的现象。同时，人工巡检还存在劳动强度大、时效性差、主观性强、数据管理分散以及数据分析不准确等问题[2]。

为此，在充分考虑塔桅结构特点和运行环境的同时，将微机电传感技术（Micro Electro Mechanical System，MEMS）、无线通信技术为代表的新一代物联网智能感传技术与大数据计算平台、智能专家评估预警方法相融合，共同开发智慧塔桅监测预警系统，提升主动监控预防与智能化管理能力，使运维人员及时准确地掌握塔桅的当前运行状况与未来发展趋势，确保塔桅安全可靠运行。

1 系统功能特点

智慧塔桅监测预警系统由硬件感知系统和软件管理系统共同组成，可实现监测数据实时采集、传输和处理，系统设置安全状况阈值、自动判识触发告警等功能[3]。与传统塔桅定期巡检方式相比，智慧塔桅监测预警系统具有以下特点。

1.1 运行状态实时监测

智慧塔桅监测预警系统由布设在塔桅本体中上部的倾斜—振动一体化监测设备和布设在塔桅基础的不均匀沉降监测设备组成，提供塔桅空间姿态（倾斜、沉降）与风振加速度响应实时在线监测，实现塔桅运行状态信息的低成本、多点位、高频次感知与无线遥测。

1.2 监测数据集约管理

智慧塔桅监测预警系统采用集约高效的数据管理技术及基于微服务架构的数据交互应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）技术，提供塔桅各类基础数据及多元监测数据的在线接收、集中存储服务，客户端可视化图表展现服务，跨平台监测数据交换共享服务，提高塔桅信息化运维管理效率，实现与第三方平台之间的数据交互能力[4]。

1.3 隐患风险智能判识

一方面，系统采用结构损伤识别方法，从风载激励作用下的塔桅加速度振动信号中提取固有频率、阻尼比等动力模态参数，定量辨识塔材疲劳破坏、螺栓孔撕裂、节点螺栓松动脱落等损伤因素所导致的塔桅承载性能弱化隐患风险。另一方面，系统采用时间序列分析与深度学习融合模型，将塔桅空间姿态时序静力监测数据分解为趋势项和周期项，利用移动平均法（Moving Average，MA）预测趋势项，利用长短时记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）预测周期项，实现塔桅失稳风险智能化预警预测。

2 建设方案

本项目建设遵循技术先进、功能全面、性能稳定、节省成本的设计理念，结合塔桅结构特点及静动响应特点，在紫金笔架山发射塔上布设3套塔桅塔体结构倾斜形变监测模块、4套塔基不均匀沉降监测模块和1套风速风向监测仪，共计8个监测点。

分别在塔的中部、中上部、顶部表贴安装一套塔桅塔体结构倾斜形变监测模块，构成塔桅倾斜-振动传感阵列组，开展塔桅倾斜变形和风振响应实时在线监测。为方便安装维护，每套塔桅塔体结构倾斜形变监测模块包含1台MEMS测量单元和1台数据采集器。同时，在塔脚基础4个侧面位置处，内嵌式安装四套塔基不均匀沉降监测模块，构成倾斜传感器阵列，开展塔基不均匀沉降变形实时在线监测。为节约成本，4台塔基不均匀沉降监测模块通过CAN总线共用1台数据采集器。最后，在塔桅中部安装一套风速风向测报仪，实时检测塔桅周围环境风速和风向。

整个采集传感模块通过无线自组网和光纤有线通信网络相结合的网络融合模式，具有建设成本低、易部署等特点，尤其适合于搭建分布范围广、数据节点多的数据采集监测平台，能够将智慧塔桅运行监测数据先通过物联网技术进行测控组网，再汇聚到网关，最后通过光纤或其他有线通信网络远程至智慧运维管理中心平台[5]。

3 智慧塔桅监测预警

平台以MEAN为Web开发框架，部署在私有服务器中，自动对塔桅现场监测设备上传的监测数据进行接收存储、清洗分级、分析判别、可视化图表展示和实时预警，实现监测数据从传统手工管理模式转变为信息化管理模式，极大地提高塔桅监测信息化监测数据处理分析与风险判识及灾害预警能力[6]。平台各模块的功能分布如图1所示。

如图1所示，平台由数据采控模块、数据管理模块、风险判识模块及成果展现模块构成。其中，数据采控模块提供塔桅现场区域监测数据的在线接收、监测设备管理、实时存储等服务。数据管理模块提供塔桅现场区域监测项目管理、监测数据接入、监测数据清洗及监测数据、基础数据、日志数据等多源数据的“集中存储，统一管理，分级调用”等服务。风险判识模块采用计算机在线自动分析模式，绘制各类监测曲线并开展关联性分析，基于塔体倾斜/振动阈值判据、混凝土基座倾斜变形速率判据，综合开展隐患区精准判识与灾害风险预测预警。最后的成果展现模块提供监测数据与预测预报结果的信息发布、报表报告统计预览等服务。

图1 平台功能

4 监测分析方法与数据

平台通过多元监测数据的同化融合与时空关联特征的深度挖掘，提供塔桅损坏倾倒风险评估与险情预警。监测采集的内容主要包括如下4点。

（1）模态参数提取与主材损伤识别，采用模态识别技术，从风载激励作用下的塔桅加速度振动信号中在线提取固有频率、阻尼比等模态参数。利用模态参数变化，结合塔桅有限元模型，在线识别塔桅承载性能弱化隐患风险。

（2）变形曲线分析与趋势预测，采用时间序列分析与深度学习融合模型，将塔桅空间姿态时序静力监测数据分解为趋势项和周期项，利用移动平均法（MA）预测趋势项，利用长短时记忆网络（LSTM）预测周期项，在线提供塔桅塔桅失稳风险智能化预测。

（3）旬-月-年监测报告编制模块，按照定制格式，在线自动生成塔桅空间姿态（倾斜、沉降）监测数据表和塔桅振动监测数据表，在线生成塔桅运行状况旬报、月报、年报及定期性报告。

（4）风险评估与险情预警模块，基于主材损伤状态及塔桅空间姿态发展趋势，进行险情风险综合评估。评估结果超过阈值标准时，自动触发报警服务。

5 结 语

采用现代信息技术，台站管理和运维人员借助移动客户端，通过安全通信网络，即时接入智慧运维管理平台，远程查询登录权限范围内的现场数据曲线图表信息、下载监测报告，实时接收平台推送的险情信息，从而实现对塔桅运行环境到塔桅结构健康程度的自动监测、自动判别和主动管理，确保广播电视发射塔运行状态万无一失，已成为智慧广电智慧发射台技术进步的必然趋势。