杨荣祥

铁路通信塔安全监测系统

杨荣祥

摘 要：通信铁塔安全监测系统，将传感器探测、数据采集及软件技术于一体，实现对铁路通信铁塔健康状态的实时监测，并及时对故障设备进行告警，解决了通信铁塔倾斜造成的安全隐患。介绍监测系统的网络结构、组成和功能，并结合实际分析具体应用。

关键词：通信铁塔;监测系统;倾斜;告警

铁路通信塔是铁路沿线无线通信系统的重要基础设施，随着我国铁路建设的快速发展，铁路通信塔的数量大为增加，铁路通信塔的无故障运行对于保证铁路沿线无线信号覆盖、通信畅通及保障铁路运输安全具有重要意义。铁路通信塔多数为大型钢结构塔，工作在露天无遮挡物的野外，在野外恶劣的环境下长期使用，不可避免会出现结构损伤甚至人为破坏，许多构件会产生不同程度的变形、腐蚀及螺栓松动等，当结构损伤严重到一定程度，在遭遇到一些自然灾害和恶劣天气时，如地震、台风、暴雪、短时强风等，就很容易出现结构破坏、倾斜甚至倒塌，不仅严重影响正常的生产、生活秩序，而且给铁路运输带来安全隐患。本文详细介绍一种典型的分布式监测系统，能够对野外环境下在役的通信塔工作状态进行监测，对出现的故障及时告警，避免通信铁路倾斜、倒塌。

1 系统组成

铁路通信塔安全监测系统，具有传感层、采集主机 (监测单元)、监测中心 (服务器)和维护终端4级结构，如图1所示。每部分之间都有单独的传输方式，4个层次之间包括A、B、C、D 4种接口，A接口为传感器和采集主机之间的直连，B接口采用铁路专网传输，C、D采用铁路内部的局域网。传感层监测塔的倾角、天线的俯仰角和方向角、风速风向、沉降等指标，通过有线连接把采集到的数据发送给采集主机;采集主机对现有的数据进行分析处理，然后将处理分析后的数据上传给监测中心;监测中心是多个后台的集中操作维护中心，集中对接收到的数据进行存储、处理、分发等操作，最后由维护终端的人机交互界面展示给操作人员。具体说明如下。

采集层由传感器和传感器附属盒组成。传感器实时采集铁塔状态、环境状态等信息，传感器包括告警度倾角传感器、中精度倾角传感器、气象传感器和沉降传感器，统一由12V直流供电。传感器附属盒主要实现电源转换和数据转换功能。

采集主机由监测单元构成，实时接收采集数据，对数据识别、分析、存储及简单的人机交互，并将必要的分析处理结果传至远程监测中心。监测单元为一台工控机，具有较好环境适应性，用于收集、处理和存储传感器的数据。

图1 通信塔远程监测系统结构示意图

监测单元设计为Windows应用程序。负责从传感器采集数据，对数据进行分析处理，并存储在其数据库中。若数据满足报警条件时，监测单元向监测中心传输报警信息。报警条件可通过监测中心来设置，以适应不同地理条件下的铁塔情况。除报警信息外，监测单元还可以按指定频率向监测中心发送监测数据。

监测中心包括数据库服务器、应用服务器、通信服务器和第三方接口服务器等。监测中心获取监测单元的数据，并存储在数据库服务器上;同时对数据进行分析整理，包括对运行数据监视、告警监视、历史数据查询分析等;为协调各项功能的运行，还对通信铁塔、组织结构、用户等进行管理。

维护终端为 C/S架构，以图形、文本、声、光等方式，提供风速风向、温湿度、倾斜度、俯仰角和方向角 (天线)、塔基沉降实时状态等监测信息，以及告警信息和相应的工作预案，并具备信息查询和管理的功能。当某个基站的铁塔出现异常情况时，系统主界面通过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。

2 系统功能

系统融入了GIS地图，以及能够在地图上对通信塔进行操作的实时告警软件，从客户端可直观地查看通信塔，并能定位告警的通信塔位置，实现即时报警，系统软件功能如图2所示。

图2 系统软件功能

1．GIS地图显示：可以在地图上定位通信塔并查看通信塔的详细信息。

2．实时监测和告警：系统可以实时地、直观地、动态地显示某个通信塔的当前状态，如果出现故障，系统会以图形、文本、声、光等方式，分级别对通信塔的倾斜、沉降及天线的俯仰角、方向角进行告警。

3．管理功能：组织结构管理、用户管理、通信塔管理、线路管理。

4．历史数据查询功能：实时数据查询、告警数据查询。

5．日志查询：登录日志、错误日志、操作日志。

6．统计分析功能：曲线图、报表。

3 应用情况

目前，本系统已在北京和哈尔滨铁路局进行了现场应用。现场应用中，应根据环境调整连接结构，典型的连接结构如图3所示。

塔上安装一个传感器附属盒和一套沉降传感器，通过有线连接到塔下机房内的采集单元附属盒中，采集单元通过铁路专网 (E1专网或铁路数据IP网)连接到控制中心机房中的服务器，服务器通过铁路内部局域网连接到值班中心的维护终端(客户端)。

3.1 倾斜度和风速的对应关系

图3 实际应用连接结构图

分析通信塔倾斜角度与风速的对应关系，经过长期的现场运行，在曲线上把倾斜角度的趋势和风速进行对比，以下抽取了3个时间段的曲线进行分析，如图4所示。每张图中上面的是倾斜度曲线，下面的为风速曲线。从3幅图中可看出倾斜角度随着风速的变化而变化，因此比较倾斜角度和风速可对现场环境进行分析判断。

3.2 多种告警内容、告警形式及告警级别

系统采用了多种告警内容、多种告警形式、多种告警级别，多层次、多角度呈现告警，使用户清晰地了解告警的发生状态，有利于对出现的紧急情况进行处理。

告警内容有倾斜、风速、天线的方向角、俯仰角、不均匀沉降等。倾斜告警是对通信塔的倾斜进行告警，直接判断通信塔的健康状态;风速告警是对塔顶气象的一种告警，防止出现大风、飓风、台风的情况;不均匀沉降告警能够在路基发生相对位移时进行告警，对于地壳不稳定或者容易发生山体滑坡、滚石的地方进行告警，防止发生沉降或位移;天线告警是本系统的特色功能，扇形天线的监测对于防止天线偏移造成覆盖范围的变化很有意义，能够对于方向角和俯仰角进行监测告警。

告警级别分为一般告警、重要告警和紧急告警3种级别。对于不同的告警内容有不同的告警门限。倾斜告警时，在风力小于2级的情况下，自立式铁塔垂直倾斜度在大于全塔高度的1/1000时(单管塔垂直倾斜度在大于全塔高度的1/750时)，系统发出一般告警信号。在以风载荷为主的荷载标准组合作用下，当铁塔监测点的水平位移达到表1水平位移极限值的80%时，系统应能发出重要告警信号;当监测点的水平位移达到极限值时，系统应能发出紧急告警信号。风速告警的门限分别为7级、8级和9级。不均匀沉降告警的门限分别为6 mm、10 mm和15 mm。天线的方向角和俯仰角的告警门限分别为4°、8°和12°。每种告警门限都可以根据实际情况进行设置。

告警形式包括文本、声、光告警，当告警发生时，系统在任何界面的右下角都会给出告警列表，列表中列出所有发生并还未处理的告警，并且告警的颜色会根据告警级别的不同而变化;在发生告警时，在主页面会有一个告警灯显示现在发生告警的状态，在没有告警时是绿色，在告警发生时是红色，在告警被阅读但是还未处理时是浅红色。

图4 通信塔倾斜角度和风速的对应曲线图

表1 铁塔水平位移告警门限参考值

监测系统中对于某一个铁塔具备实时数据的监测功能，能够具体形象地展示倾斜角度、倾斜方向、风速、风向、沉降值、天线方向角和俯仰角等信息，值班人员能够非常直观地看到通信塔的所有实时数据，能即时掌握通信塔的健康状态。此外，系统还能对于通信塔的倾斜方向和风向进行对比，能即时看到两个方向是否一致，所以能通过监测实时数据判断产生告警的原因是风速还是沉降的原因，对问题进行快速定位，快速对故障进行处理。实时监测的界面可以形象地看出塔倾斜的角度、天线监测的俯仰角和方向角、不均匀沉降的沉降或隆起值、风速大小、风向和塔倾斜方向的对比。这个功能对于查看通信塔当前健康状态、发生告警时判断分析告警原因都有很大帮助。

4 总结

系统集传感器探测、数据采集及软件技术于一体，对通信塔提供全方位的、全天候的智能远程监测，一旦通信塔出现故障，可以立即在监测中心给出告警。铁路通信铁塔安全监测系统可以实现无人值守的远程监测，适合铁路沿线通信塔分布广、人工检查和维护难度大的情况。另外，对于通信塔工作环境相对恶劣的地区，比如风力相对较大的沿海、内陆西部、海岛、山区，这样环境下铁路通信塔更容易发生故障，该系统可以很方便地监测通信塔的工作状态，避免或减少事故发生，能有效减少因通信塔故障造成通信中断带来的经济损失，也有利于确保铁路运输安全。

［1］沙玉林．铁路通信铁塔设计的分析与思考［J］．铁道通信信号，2012(1)：55．

［2］于明哲．铁路通信铁塔安全监测系统的研究［J］．铁道通信信号，2012(12)：51．

Abstract:The communication tower safety monitoring system integrates advanced sensors，data acquisition technology，and software technology as a whole，which can realize real-time monitoring over the health status of a railway communication tower and give out alarm timely for in the case of equipment failure and help to eliminate potential safety hazards caused by the tilting of the communication tower．This paper introduces the network structure，composition，and functions of the monitoring system and analyzes its application in actual work．

Key words:Communication tower;Monitoring system;Tilting;Alarm

杨荣祥：南宁铁路局湘桂线提速扩能改造工程建设指挥部 工程师 545007 广西柳州

2013-01-11

(责任编辑：诸 红)