广播电视发射塔实时健康监测系统方案

张兴武

（湖北省随州市电视调频发射台，湖北 随州 441300）

0 引 言

随州市电视调频发射台发射塔高142 m，建于20世纪80年代。为了确保塔体结构的安全性、完整性、适用性与耐久性，台站建设了发射塔实时健康监测系统。日常运行阶段，通过实时监测关键结构的构件内力、结构整体变形等参量，结合定期检测数据及结构荷载监测数据，评估结构的安全水平并进行提前预警，为日常运维管理提供科学依据。

1 发射塔实时健康监测建设必要性

从20世纪70年代到现在，全国范围内已经建造了数以千计的发射塔和桅杆。这些发射塔对保障广播电视信号的传播和覆盖起到了很好的作用[1]。工程建设和使用中，国家在该项目的建设和运用上花费了巨资，建设者、维护人员更是付出了极大的努力和艰辛，为铁塔和塔桅的安全提供保障。当前，国内已开始在桥梁、隧道、大坝、大跨度或高耸建筑物、超高输电塔等钢结构上研究、应用主要结构长期安全监测技术，并且成效显著。作为用于放置广播电视天线的载体，广播电视发射塔影响着广播电视信号的安全播出。受到雨雪、雷电、强风、冰冻、潮湿等自然环境的影响，发射塔极其容易出现结构变形、基础沉陷甚至倒塌的不良情况。因此，发射台必须对广播电视发射塔的日常维护与监测工作给予高度重视[2]。然而，大部分发射塔的日常巡检维护依赖纯人工模式长时间观测和上塔高空作业巡检，该工作实施过程中存在无准确数据、无系统分析等实际情况，直接造成不能提前发现安全隐患，更不能做到提前排除安全隐患。因此，通过现有成熟先进的监测技术和设备减轻巡检工作人员的劳动强度和工作压力，同时为发射塔整体结构的日常维护提供科学的数据，建立准确、实时、高效日常维护体系非常有必要。

随州市电视调频发射台142 m广播电视发射塔实时健康监测系统通过有限元分析确定铁塔结构的控制部位和损伤敏感部位，实现结构工作应力、变形、振动及基础位移、沉降等结构健康状态信息在线实时监测。

2 发射塔实时健康监测系统组成

随州市电视调频发射台发射塔健康监测系统进行系统设计时，主要考虑了监测数据的全面性、实时性和智能性。系统不仅对塔体本身进行全面监测，也对影响塔体健康的环境参数进行监测，比如风速、基础沉降等。经过现场勘察并结合台区实际情况，设计人员主要从以下几个方面进行设计，形成发射塔实时健康监测方案。

（1）发射塔倾斜监测。在桅杆顶部和第一平台处分别安装双轴倾角传感器。由于发射塔在风的作用下并非静止状态，因此，传感器的监测数据实际上是塔顶位移，软件系统再通过统计计算得出倾斜值。

（2）发射塔振动周期监测。为保证塔体结构安全，需监测塔体振动周期参数。当塔体结构或质量发生变化，振动周期将发生改变。本系统在桅杆顶部和第一平台分别安装加速度传感器，通过检测加速度变化，计算振动周期。

（3）发射塔应力应变监测。经过计算，发射塔桅杆底部为受力薄弱段，因此需要监测塔柱应力情况，以保证塔楼安全。在桅杆底部每根主材角钢安装应变计，对杆件受力、突变情况进行实时分析监测。

（4）发射塔气象环境监测。在发射塔平台安装相关传感器，如风速、风向传感器，对风速及方向进行监测，根据监测结果，实时计算出塔体安全指数，为塔体结构安全提供保障。在相同位置安装温湿度传感器，对发射塔的环境变化进行监测，监测塔体工况环境的变化。

（5）发射塔周界安全监测。在发射塔适当位置安装云台摄像头，实时监测塔体情况。当监测系统发生安全警报时，可记录当时影像资料，作为安全排查依据。

（6）发射塔实时健康监测平台。监测平台及时监控与评估发射塔结构的实时状态，当遇到特殊天气或者结构出现异常状况时触发预警信号，目的是为结构的维修、保养和管理决策提供依据和指导。

3 发射塔实时健康监测系统方案

为进一步完善日常铁塔监测工作中的不足，及时对发射塔结构状态进行日常监测和安全评估，达到铁塔主体结构在特殊天气或日常运行异常时触发预警信号，为铁塔的结构维护维修与管理决策提供依据的目的，需要在上述布设的监测仪器基础上，建立相应的发射塔实时健康监测系统，及时、迅速掌握发射塔的动态工况，及时发现并分析潜在的安全隐患。该发射塔实时健康监测系统方案设计主要遵循如下原则。

（1）系统具有可靠性，功能具有实用性，组网具有合理性，且便于维护保养。

（2）具有可扩展性。装置可以通过模块的添加方便地增加远程和本地端口的数量，为后续系统规模的扩大以及新的分中心的接入提供网络接口。

（3）使用分布式数据收集系统减少故障发生，并在防雷和抗干扰技术措施方面进行充分考虑，将损坏的可能性降到最低。

根据国家广播电视总局《广播电视钢塔桅运行维护技术规范》（GY/T 328—2020）相关要求，广播电视钢塔桅的运行维护包括日常巡检维护、专业维护、加固改造等[3]，其重中之重是加强日常的铁塔监测，达到及时发现隐患、及时解决隐患的目的。而发射塔日常巡检维护依旧采用传统巡检模式，依赖于纯人工模式进行观测记录和上塔开展高空作业巡检等工作，致使日常巡检成本高、隐患排查不准确等实际情况，使得广播电视发射塔安全管理成为一种挑战[4]。随州市电视调频发射台发射塔健康监测系统设计充分考虑上述不利因素，通过在塔上安装各类传感器，对铁塔自身倾斜、摆幅、温度、频率、风力风速、接地电阻等状态进行实时监测，结合网络通信技术链接到系统软件平台，实现了区域统一监测、铁塔实时动态检测、铁塔健康状况提前预警，有效降低日常巡检维护成本，为排除安全隐患提供了科学依据。该实时健康监测系统方案由传感器系统、数据采集系统、光纤传输网络、信息处理与分析软件系统有效整合而成。

3.1 传感器系统

鉴于随州市广播电视发射塔的实际运行环境，经多次现场勘探测量和研究探讨，设计人员决定在本次项目中采用振弦传感器作为应力应变计，其余均采用数字型传感器。这些传感器包括倾角传感器、应力和应变传感器、振动传感器、风速和风向传感器等等。

3.2 数据分析系统

数据分析系统的功能是通过放置在监控机房的光纤路由终端将光纤信号转换为网络信号，与核心服务器进行通信。服务器发送采集指令，传感器返回测量值在终端显示、存储和分析，以核心服务器的具体要求作为依据上传数据、上报信息或者触发预警。

3.3 光纤传输网络

光纤传输网络主要由主干传输光缆构成，用于连接监测系统现场布设的传感器网络与监测机房内的数据分析系统。

3.4 监测显示系统

监测显示系统主要是对各种监控仪表所采集到的数据、信息进行实时展示，从而为塔架结构的安全、维修和管理工作提供科学的依据。

4 针对强干扰环境、防雷电的方案

发射台的电磁环境相对复杂，尤其是发射塔体和周边电磁干扰情况更加严重。抗干扰和防雷电一旦解决不好，势必会对整个系统数据的有效性、连续性造成安全隐患。本系统方案设计和工程实施采取以下相关措施。

（1）空间耦合抗干扰。本项目所使用的各类传感器都是以金属材质为外壳，并在每个传感器接口处设计了接地端子，利用屏蔽原理来阻止空间电磁干扰的耦合现象。

（2）信号线接入抗干扰。针对本次项目所使用的设备的选择以及软件处理上与厂家进行探讨并采取了一些相应的方法。首先是设备线路板的设计，要求重要的设备（如传感器）能够采用多层板设计技术，分离模拟信号和数字信号、数据总线与供电系统，以屏蔽印制板。其次，在输入信号层面采取滤波方式，将高频干扰滤掉，以确保各传感器的采集数据准确无误。

（3）电源系统接入抗干扰。传感器等重要设备加装电源滤波装置，有效遏制50 Hz以外的信号。

（4）防雷措施。广播电视发射塔一般都位于当地区域内建筑的最高点，铁塔本身既可成为防雷的避雷塔，也可能变成“引雷器”或产生感应雷的导体。因此，它也是广播电视发射台防雷的第一关[5]。本系统采用抑制浪涌电压和浪涌电流的方式，采用瞬变二极管将通信总线对地放电的方式进行保护，在通信线间串接自恢复保险丝，抑制通信线上的浪涌电流，达到保护后续设备的目的。

5 结 语

该系统建成一年来，经过极端天气的有效运行，至今运行良好，准确地记录了发射塔倾斜、震动周期、沉降、周边气象环境等数据。铁塔实时监测健康平台界面简洁明了，操作简单，值班人员极易掌握。该系统有效地解决了铁塔日常维护工作的难点，为铁塔提高安全的生命周期奠定了坚实基础，还为铁塔针对性维护提供了准确科学依据。

随着智慧广电和大数据在广电安全播出系统的应用，未来该铁塔实时健康监测系统拟与全台重要的技术系统和广播电视设施安全系统进行有效的融合，实现广播电视设备与设施全生命周期智能管理，为广播电视安全播出提供可靠的技术支撑。