鐵路通信鐵塔安全監測系統的研究

于明哲

于明哲:北京鐵路通信技術中心 高級工程師 100038 北京

1 系統構成

鐵塔安全監測系統由信息傳感器、信息處理器、管理服務器、維護管理顯示終端及數據傳輸通道組成，如圖1所示。包括路局、段、車間三級管理模式，通過設置不同權限分級管理。系統容量配置根據監測線路的不同可調整，每座鐵塔監測費用1～3萬元為宜。系統管理顯示終端應操作簡單、界面清晰。

1．傳感器。負責獲取鐵塔安全

隨著鐵路無線通信技術的飛速發展，越來越多的鐵塔應用于鐵路通信系統，特別是高速鐵路GSM-R網絡，鐵路沿線大約每4 km就需要一座通信鐵塔，高度一般在20～50 m不等。然而，地型變化、惡劣氣候、材質老化和氧化，以及潛在的人為偷盜、破壞等因素，會導致鐵塔傾斜、甚至倒塌。由于鐵路通信鐵塔設置一般靠近鐵路線，如果鐵塔出現問題倒向鐵路側，會給鐵路行車帶來較大的安全隱患。基于當前鐵路通信鐵塔安全維護的需要，結合鐵路通信網絡實際情況，提出一種鐵塔安全監測系統技術方案，包括鐵塔安全監測系統構成、系統功能、系統性能等內容，供鐵路通信設備制造企業和鐵路通信設備維護等單位參考。監測數據，主要包括鐵塔垂直度、塔頂風速風向、天線安裝角度等安全信息數據的采集，并將采集的監測數據傳送到信息處理器。目前傳感器采集信息數據可有多種工作模式和技術手段，如測量距離或測量角度等，不論使用何種傳感器，均要適合野外工作環境，監測精度滿足技術要求，故障率要低。

2．信息處理器。對傳感器采集的鐵塔安全監測數據進行實時收集、匯總和數據預處理，形成統一格式的數據并上傳;具備自檢和對傳感器工作狀態巡檢能力，將采集的信息數據上傳至監測中心管理服務器集中進行存儲、分析、處理和管理。

圖1 鐵路通信鐵塔安全監測系統總體框圖

3．管理服務器。監測中心的管理服務器由通信單元、統計分析單元、告警單元、數據庫和維護管理顯示終端等設備組成，可根據鐵塔安全監測業務的需要，實現監測數據和告警數據的存儲、分析、顯示和輸出。

管理服務器應具備信息交換、資源共享、故障定位、性能分析、查詢顯示、報表輸出、時鐘同步、網管維護等功能。顯示終端應以圖形、視頻、文本、聲、光等多種方式，對鐵塔垂直傾斜度、風速風向、天線安裝位置狀態等監測信息進行實時展示，包括一般預警、嚴重告警等信息，并具備信息查詢和報表輸出功能，可向維護人員實時呈現管轄范圍內鐵塔狀態的監測數據及預警、告警信息等。

4．數據傳輸通道。管理服務器與信息處理器之間的數據傳輸通道，應根據鐵塔所在鐵路線的具體情況采用不同的傳輸方式，一般包括光傳輸和無線傳輸2種組網方式。從目前鐵路通信資源情況來看，高速鐵路通信鐵塔GSM-R設備機房均具備光傳輸組網條件，既有鐵路線通信鐵塔在450 MHz無線電臺機房也基本具備2 Mb/s光傳輸條件。另外，光傳輸組網比無線傳輸組網穩定可靠。所以，從目前鐵路通信實際出發，用光通信傳輸更為合適，可采用 IP數據網或2 Mb/s專線傳輸方式組網。

無線傳輸組網可做為有線組網方式的補充，對某些不具備光傳輸條件的鐵塔，可利用鐵路GSMR網絡或公用移動網絡將監測數據傳輸到監測中心管理服務器，實現遠程監測。

2 系統功能

鐵路通信鐵塔安全監測系統主要是為了實時監測鐵塔傾斜故障，并向維護單位告警，使問題能夠及時得到處置，避免鐵塔倒塌，保證鐵塔不危及鐵路行車安全。所以，要求該監測系統具有以下功能。

1．鐵塔安全信息采集功能。包括鐵塔任何原因的垂直度變化、環境風速和風向、塔上天線安裝位置變化等。系統能夠及時準確地采集到相關信息。

2．鐵塔安全信息的數字化處理功能。無論使用何種信息采集方式，系統都能夠把采集到的信息快速進行統一格式的數字化處理，并通過有線通信或無線通信網絡傳輸到監測中心管理服務器。

3．鐵塔安全信息的實時收集、存儲、統計分析、告警、報表、查詢等管理功能。系統應能夠按照單個鐵塔、單條線路鐵塔、多條線路鐵塔等多種組合方式，生成監測數據的日、月、年統計報表和變化曲線;應能夠方便地添加、刪除監測對象，配置、修改監測對象的參數;應具有車間、通信(電務)段、路局等分級權限管理功能。

系統管理員具有對系統操作和控制的所有權限，為最高級管理權限。操作員一般只能進行普通的信息查看、告警確認、報表生成等操作，重要的參數和系統配置參數的修改必須使用安全密碼才能進行。

系統日志管理，分為系統訪問日志和系統操作日志。系統訪問日志包括用戶名稱、登錄終端標識、登錄時間和退出時間等。系統操作日志包括實施操作的用戶名稱、操作時間、操作對象、操作結果等。

當某個鐵塔出現異常告警時，系統管理顯示終端主界面提供圖標、文字警示渲染和語音播報告警提示。

3 性能要求

3.1 一般要求

1．系統應不影響被監測鐵塔及設備的正常工作。

2．系統應能在安裝現場給出的條件下不間斷地工作。

3．系統采用通信標準接口，并滿足擴容的需要。

4．系統通信接口應遵循開放、標準的通信協議。

5．構成監測系統的硬件采用模塊化設計，具有較好的可擴充性。

6．系統軟件應具有升級能力。

7．管理服務器應選用標準化程度高、通用性好、安全可靠、維修擴容方便的計算機和外圍設備。

8．單系統監測管理能力不應小于500個監測點;多系統監測管理能力不應小于5000個監測點。

3.2 技術指標要求

1．塔體中心垂直傾斜度不得大于全塔高度的1/1000，該指標瞬間超過時系統應發出一般報警。

2．塔體中心垂直傾斜度超過全塔高度的1/750時，系統應發出嚴重報警。

3．系統對鐵塔垂直度測量誤差≤5%。

4．系統信息采集頻度，應大于1次/s。

5．風速測量誤差F，在風速為0～35 m/s時，F≤0.3 m/s;當風速為36～60 m/s時，F≤5%風速。

6．風向測量誤差≤3°。

7．監測數據顯示應精確到小數點后2位。

3.3 安全性要求

1．系統硬件平均故障間隔時間(MTBF)大于40000 h。

2．系統軟件不能因誤操作而影響系統的正常運行。

3．當系統軟件局部功能模塊發生故障時，不應影響其他模塊的正常運行。

4．系統應具有安全防范措施，對所有操作人員按其工作性質賦予不同的操作權限，并有密碼管理功能，保證系統及數據的安全。

5．系統應符合鐵路通信工程電磁兼容和防雷接地的有關技術規定。

3.4 環境要求

1．傳感器工作溫度:－45℃ ～+60℃。

2．信息處理器工作溫度:－20℃ ～45℃ 。

3．管理服務器的工作溫度:－10℃ ～45℃。

4．相對濕度:≤95%(非冷凝)。

5．海拔高度:大氣壓力70 kPa～110 kPa。

6．室外設備防護等級:IP65。

7．抗震要求:設備在X、Y、Z 3個方向承受振動頻率100 Hz、震動幅度1.5 mm，30 min后應能正常工作。

4 總結

為消除鐵路通信鐵塔安全隱患，避免出現傾斜、倒塌等危及行車安全的事件發生，以及為鐵塔維護、大修更新提供基礎參考數據，設置鐵塔安全監測系統是非常必要的一項重要工作，鐵路各級通信鐵塔維護部門應該給予足夠地重視，鐵塔安全監測系統的各研制單位，應根據目前鐵路的實際需求，積極進行系統研發和現場試驗，積累經驗，不斷改進提高監測系統性能，為鐵路通信鐵塔的安全運行提供科學保障。

［1］CECS80－2006.塔桅鋼結構施工質量驗收規程［S］.

［2］TB10418－2003.鐵路運輸通信工程施工質量驗收標準［S］.