鐵路通信塔安全監(jiān)測系統(tǒng)

楊榮祥

鐵路通信塔安全監(jiān)測系統(tǒng)

楊榮祥

摘 要：通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)，將傳感器探測、數(shù)據(jù)采集及軟件技術(shù)于一體，實現(xiàn)對鐵路通信鐵塔健康狀態(tài)的實時監(jiān)測，并及時對故障設(shè)備進(jìn)行告警，解決了通信鐵塔傾斜造成的安全隱患。介紹監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、組成和功能，并結(jié)合實際分析具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：通信鐵塔;監(jiān)測系統(tǒng);傾斜;告警

鐵路通信塔是鐵路沿線無線通信系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路通信塔的數(shù)量大為增加，鐵路通信塔的無故障運行對于保證鐵路沿線無線信號覆蓋、通信暢通及保障鐵路運輸安全具有重要意義。鐵路通信塔多數(shù)為大型鋼結(jié)構(gòu)塔，工作在露天無遮擋物的野外，在野外惡劣的環(huán)境下長期使用，不可避免會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷甚至人為破壞，許多構(gòu)件會產(chǎn)生不同程度的變形、腐蝕及螺栓松動等，當(dāng)結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重到一定程度，在遭遇到一些自然災(zāi)害和惡劣天氣時，如地震、臺風(fēng)、暴雪、短時強(qiáng)風(fēng)等，就很容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞、傾斜甚至倒塌，不僅嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)、生活秩序，而且給鐵路運輸帶來安全隱患。本文詳細(xì)介紹一種典型的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)σ巴猸h(huán)境下在役的通信塔工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，對出現(xiàn)的故障及時告警，避免通信鐵路傾斜、倒塌。

1 系統(tǒng)組成

鐵路通信塔安全監(jiān)測系統(tǒng)，具有傳感層、采集主機(jī) (監(jiān)測單元)、監(jiān)測中心 (服務(wù)器)和維護(hù)終端4級結(jié)構(gòu)，如圖1所示。每部分之間都有單獨的傳輸方式，4個層次之間包括A、B、C、D 4種接口，A接口為傳感器和采集主機(jī)之間的直連，B接口采用鐵路專網(wǎng)傳輸，C、D采用鐵路內(nèi)部的局域網(wǎng)。傳感層監(jiān)測塔的傾角、天線的俯仰角和方向角、風(fēng)速風(fēng)向、沉降等指標(biāo)，通過有線連接把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給采集主機(jī);采集主機(jī)對現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后將處理分析后的數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)測中心;監(jiān)測中心是多個后臺的集中操作維護(hù)中心，集中對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、分發(fā)等操作，最后由維護(hù)終端的人機(jī)交互界面展示給操作人員。具體說明如下。

采集層由傳感器和傳感器附屬盒組成。傳感器實時采集鐵塔狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等信息，傳感器包括告警度傾角傳感器、中精度傾角傳感器、氣象傳感器和沉降傳感器，統(tǒng)一由12V直流供電。傳感器附屬盒主要實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。

采集主機(jī)由監(jiān)測單元構(gòu)成，實時接收采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)識別、分析、存儲及簡單的人機(jī)交互，并將必要的分析處理結(jié)果傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測中心。監(jiān)測單元為一臺工控機(jī)，具有較好環(huán)境適應(yīng)性，用于收集、處理和存儲傳感器的數(shù)據(jù)。

圖1 通信塔遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)測單元設(shè)計為Windows應(yīng)用程序。負(fù)責(zé)從傳感器采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并存儲在其數(shù)據(jù)庫中。若數(shù)據(jù)滿足報警條件時，監(jiān)測單元向監(jiān)測中心傳輸報警信息。報警條件可通過監(jiān)測中心來設(shè)置，以適應(yīng)不同地理條件下的鐵塔情況。除報警信息外，監(jiān)測單元還可以按指定頻率向監(jiān)測中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

監(jiān)測中心包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器和第三方接口服務(wù)器等。監(jiān)測中心獲取監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)，并存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上;同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，包括對運行數(shù)據(jù)監(jiān)視、告警監(jiān)視、歷史數(shù)據(jù)查詢分析等;為協(xié)調(diào)各項功能的運行，還對通信鐵塔、組織結(jié)構(gòu)、用戶等進(jìn)行管理。

維護(hù)終端為 C/S架構(gòu)，以圖形、文本、聲、光等方式，提供風(fēng)速風(fēng)向、溫濕度、傾斜度、俯仰角和方向角 (天線)、塔基沉降實時狀態(tài)等監(jiān)測信息，以及告警信息和相應(yīng)的工作預(yù)案，并具備信息查詢和管理的功能。當(dāng)某個基站的鐵塔出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)主界面通過對異常鐵塔圖標(biāo)的警示渲染和語音播報向維護(hù)人員發(fā)出告警提示。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)融入了GIS地圖，以及能夠在地圖上對通信塔進(jìn)行操作的實時告警軟件，從客戶端可直觀地查看通信塔，并能定位告警的通信塔位置，實現(xiàn)即時報警，系統(tǒng)軟件功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能

1．GIS地圖顯示：可以在地圖上定位通信塔并查看通信塔的詳細(xì)信息。

2．實時監(jiān)測和告警：系統(tǒng)可以實時地、直觀地、動態(tài)地顯示某個通信塔的當(dāng)前狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會以圖形、文本、聲、光等方式，分級別對通信塔的傾斜、沉降及天線的俯仰角、方向角進(jìn)行告警。

3．管理功能：組織結(jié)構(gòu)管理、用戶管理、通信塔管理、線路管理。

4．歷史數(shù)據(jù)查詢功能：實時數(shù)據(jù)查詢、告警數(shù)據(jù)查詢。

5．日志查詢：登錄日志、錯誤日志、操作日志。

6．統(tǒng)計分析功能：曲線圖、報表。

3 應(yīng)用情況

目前，本系統(tǒng)已在北京和哈爾濱鐵路局進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。現(xiàn)場應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)環(huán)境調(diào)整連接結(jié)構(gòu)，典型的連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

塔上安裝一個傳感器附屬盒和一套沉降傳感器，通過有線連接到塔下機(jī)房內(nèi)的采集單元附屬盒中，采集單元通過鐵路專網(wǎng) (E1專網(wǎng)或鐵路數(shù)據(jù)IP網(wǎng))連接到控制中心機(jī)房中的服務(wù)器，服務(wù)器通過鐵路內(nèi)部局域網(wǎng)連接到值班中心的維護(hù)終端(客戶端)。

3.1 傾斜度和風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系

圖3 實際應(yīng)用連接結(jié)構(gòu)圖

分析通信塔傾斜角度與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系，經(jīng)過長期的現(xiàn)場運行，在曲線上把傾斜角度的趨勢和風(fēng)速進(jìn)行對比，以下抽取了3個時間段的曲線進(jìn)行分析，如圖4所示。每張圖中上面的是傾斜度曲線，下面的為風(fēng)速曲線。從3幅圖中可看出傾斜角度隨著風(fēng)速的變化而變化，因此比較傾斜角度和風(fēng)速可對現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行分析判斷。

3.2 多種告警內(nèi)容、告警形式及告警級別

系統(tǒng)采用了多種告警內(nèi)容、多種告警形式、多種告警級別，多層次、多角度呈現(xiàn)告警，使用戶清晰地了解告警的發(fā)生狀態(tài)，有利于對出現(xiàn)的緊急情況進(jìn)行處理。

告警內(nèi)容有傾斜、風(fēng)速、天線的方向角、俯仰角、不均勻沉降等。傾斜告警是對通信塔的傾斜進(jìn)行告警，直接判斷通信塔的健康狀態(tài);風(fēng)速告警是對塔頂氣象的一種告警，防止出現(xiàn)大風(fēng)、颶風(fēng)、臺風(fēng)的情況;不均勻沉降告警能夠在路基發(fā)生相對位移時進(jìn)行告警，對于地殼不穩(wěn)定或者容易發(fā)生山體滑坡、滾石的地方進(jìn)行告警，防止發(fā)生沉降或位移;天線告警是本系統(tǒng)的特色功能，扇形天線的監(jiān)測對于防止天線偏移造成覆蓋范圍的變化很有意義，能夠?qū)τ诜较蚪呛透┭鼋沁M(jìn)行監(jiān)測告警。

告警級別分為一般告警、重要告警和緊急告警3種級別。對于不同的告警內(nèi)容有不同的告警門限。傾斜告警時，在風(fēng)力小于2級的情況下，自立式鐵塔垂直傾斜度在大于全塔高度的1/1000時(單管塔垂直傾斜度在大于全塔高度的1/750時)，系統(tǒng)發(fā)出一般告警信號。在以風(fēng)載荷為主的荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，當(dāng)鐵塔監(jiān)測點的水平位移達(dá)到表1水平位移極限值的80%時，系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出重要告警信號;當(dāng)監(jiān)測點的水平位移達(dá)到極限值時，系統(tǒng)應(yīng)能發(fā)出緊急告警信號。風(fēng)速告警的門限分別為7級、8級和9級。不均勻沉降告警的門限分別為6 mm、10 mm和15 mm。天線的方向角和俯仰角的告警門限分別為4°、8°和12°。每種告警門限都可以根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置。

告警形式包括文本、聲、光告警，當(dāng)告警發(fā)生時，系統(tǒng)在任何界面的右下角都會給出告警列表，列表中列出所有發(fā)生并還未處理的告警，并且告警的顏色會根據(jù)告警級別的不同而變化;在發(fā)生告警時，在主頁面會有一個告警燈顯示現(xiàn)在發(fā)生告警的狀態(tài)，在沒有告警時是綠色，在告警發(fā)生時是紅色，在告警被閱讀但是還未處理時是淺紅色。

圖4 通信塔傾斜角度和風(fēng)速的對應(yīng)曲線圖

表1 鐵塔水平位移告警門限參考值

監(jiān)測系統(tǒng)中對于某一個鐵塔具備實時數(shù)據(jù)的監(jiān)測功能，能夠具體形象地展示傾斜角度、傾斜方向、風(fēng)速、風(fēng)向、沉降值、天線方向角和俯仰角等信息，值班人員能夠非常直觀地看到通信塔的所有實時數(shù)據(jù)，能即時掌握通信塔的健康狀態(tài)。此外，系統(tǒng)還能對于通信塔的傾斜方向和風(fēng)向進(jìn)行對比，能即時看到兩個方向是否一致，所以能通過監(jiān)測實時數(shù)據(jù)判斷產(chǎn)生告警的原因是風(fēng)速還是沉降的原因，對問題進(jìn)行快速定位，快速對故障進(jìn)行處理。實時監(jiān)測的界面可以形象地看出塔傾斜的角度、天線監(jiān)測的俯仰角和方向角、不均勻沉降的沉降或隆起值、風(fēng)速大小、風(fēng)向和塔傾斜方向的對比。這個功能對于查看通信塔當(dāng)前健康狀態(tài)、發(fā)生告警時判斷分析告警原因都有很大幫助。

4 總結(jié)

系統(tǒng)集傳感器探測、數(shù)據(jù)采集及軟件技術(shù)于一體，對通信塔提供全方位的、全天候的智能遠(yuǎn)程監(jiān)測，一旦通信塔出現(xiàn)故障，可以立即在監(jiān)測中心給出告警。鐵路通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人值守的遠(yuǎn)程監(jiān)測，適合鐵路沿線通信塔分布廣、人工檢查和維護(hù)難度大的情況。另外，對于通信塔工作環(huán)境相對惡劣的地區(qū)，比如風(fēng)力相對較大的沿海、內(nèi)陸西部、海島、山區(qū)，這樣環(huán)境下鐵路通信塔更容易發(fā)生故障，該系統(tǒng)可以很方便地監(jiān)測通信塔的工作狀態(tài)，避免或減少事故發(fā)生，能有效減少因通信塔故障造成通信中斷帶來的經(jīng)濟(jì)損失，也有利于確保鐵路運輸安全。

［1］沙玉林．鐵路通信鐵塔設(shè)計的分析與思考［J］．鐵道通信信號，2012(1)：55．

［2］于明哲．鐵路通信鐵塔安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］．鐵道通信信號，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

楊榮祥：南寧鐵路局湘桂線提速擴(kuò)能改造工程建設(shè)指揮部 工程師 545007 廣西柳州

2013-01-11

(責(zé)任編輯：諸 紅)