鐵路通信鐵塔監測系統信息采集技術研究

蹇峽

摘? 要：隨著鐵路通信鐵塔監測系統的逐步應用，監測信息采集技術的發展日新月異。該文介紹了通信鐵塔監測的多種信息采集技術，包括傳感器采集技術、基于物聯網的監測技術、基于北斗高精度定位的監測技術、射頻雷達技術、三維激光掃描技術、慣性導航技術、視頻圖像分析技術等，結合各自的應用特點，分析對比了不同技術的優勢和應用場景。研究結果為鐵路通信鐵塔監測系統信息采集技術的選擇提供了參考依據。

關鍵詞：鐵塔監測;信息采集;物聯網

中圖分類號：TK83? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 概述

隨著我國鐵路建設的快速發展，鐵路無線通信已經由無線列調系統過渡到GSM-R數字移動通信系統。鐵路通信鐵塔伴隨著通信基站的建設越來越多，由于鐵路移動通信系統的帶狀覆蓋原則，通信鐵塔與鐵路線的距離通常都比較近，架設高度基本在25 m～50 m，所以在遇到惡劣天氣、人為破壞等極端情況時，很有可能造成通信鐵塔傾斜甚至倒塌，嚴重影響鐵路正常運營，威脅周邊人群、設施和行車安全。鐵路通信鐵塔的維護大多是采用人工巡檢的方式進行，一方面浪費大量的人力物力，且站點偏遠、成本較高。另一方面無法進行隨時監測，沒法解決緊急、特殊情況下的安全隱患。因此鐵塔狀態實時監測顯得尤為必要。

目前的鐵塔監測系統主要應用于電力鐵塔、氣象監測鐵塔、邊防監控鐵塔、通信鐵塔等建筑上。為加強鐵路通信鐵塔安全管理，規范鐵路通信鐵塔維護作業，中國鐵路總公司先后發布了《鐵路通信鐵塔管理辦法（TG/TX205-2014）》（鐵總運[2014]270號）和《鐵路通信鐵塔監測系統技術條件（TJ/DW144-2017）》（鐵總運[2017]23號）等文件，要求積極采用鐵塔監測系統等技術手段對通信鐵塔的穩定性、垂直度進行監測和安全預警，全面提升鐵塔的安全管控能力，降低通信鐵塔可能產生危及人員設施和行車安全的隱患。同時發布《高速鐵路“強基達標、提質增效”工程各系統標準》（鐵總運[2017]115號），要求對單管塔和位于易發生泥石流、洪水等特殊地段的鐵塔裝設鐵塔監測裝置，通過技防手段確保鐵路通信鐵塔安全。

1 鐵塔監測系統架構

根據《鐵路通信鐵塔監測系統技術條件》的規定，鐵塔監測系統的基本架構包括采集單元、監測單元、監測中心和監測終端等。采集單元一般安裝在塔身上，實現鐵塔狀態參數、環境參數的采集功能，包括鐵塔水平位移、垂直度和基礎沉降、天線俯仰角、風速風向等參數。監測單元一般安裝在基站或直放站機房內。傳感器將采集到的數據通過有線或無線的方式發送給監測單元，監測單元可以對收集到的數據進行分析處理，將分析后的數據通過有線或無線通道傳輸到監測中心。監測中心對監測數據進行分析整理、存儲、處理和輸出，最后由監測終端展示給運營維護人員。鐵塔監測系統基本構成如圖1所示。

鐵路通信鐵塔的結構主要包括鋼塔桅結構的鋼管塔、角鋼塔、拉線塔等，形式主要有四柱鋼管塔、三柱鋼管塔和獨管塔。雖然鐵路通信鐵塔監測系統已發展了數年時間，也建立了相應的管理辦法和技術條件，但隨著新興技術的快速發展，鐵塔監測技術的發展也是日新月異的，從前端監測信息的采集、信息的傳輸，到數據的分析整理、告警顯示等，在不同的應用環境下，各種新技術各顯神通。

2 鐵塔監測信息采集技術

監測信息采集部分是鐵塔監測系統的基礎，采集的信息包括鐵塔水平位移、垂直度、鐵塔基礎的沉降變化、天線俯仰角、監測點風速風向等信息。信息采集的技術包括傳感器采集技術、基于物聯網的監測技術、基于北斗高精度定位的監測技術、射頻雷達技術、三維激光掃描技術、慣性導航技術、視頻圖像分析技術等，各種技術各具特點，都有比較適宜的應用場景。

2.1 傳感器采集技術

傳感器采集技術是一種傳統監測技術，廣泛應用于各種監測場景中。鐵塔監測的傳感器主要包括位移、振動、沉降和氣象傳感器等。位移傳感器設置在鐵塔頂部，監測鐵塔的垂直度及水平位移狀態。振動傳感器設于塔身，監測鐵塔的緊固件、連接件等，并且監測塔體的振動或外因引起的振動頻率的改變。沉降傳感器在塔基施工時預埋到基礎四角，通過對塔基四角的狀態對比，監測鐵塔的沉降和平衡狀態。氣象傳感器設置在塔頂，實時監測鐵塔的環境信息，結合鐵塔位移變化、振動、沉降等信息，綜合起來對鐵塔的狀態進行分析，形成維護部門的基礎信息。鐵塔監測傳感器多采用有源傳感器、電池或太陽能供電或者電纜供電的方式。由于監測信息傳輸間隔可控、數據量小、速率低、對時延不敏感，傳感器功耗可以做到非常小，結合監測信息的無線傳輸方式，采用電池供電的傳感器使用壽命可達10年。

此外，基于光纖光柵傳感器的監測技術應用也越來越多。可以將光纖光柵應力傳感器安裝在塔身上，測量固定點處的應力值，通過光傳感器與光纖光柵波長解調儀連接起來，實現兩者之間的光信號傳輸。由于光纖光柵傳感器屬于無源設備，測量精度高、抗干擾能力強，非常適合在高溫、高濕和惡劣電磁環境等場合下長期使用。

2.2 基于物聯網的監測技術

新興的物聯網技術是一種低功耗廣域連接的通信技術，具有靈活性和開放性的特點，隨著技術的成熟與發展，基于物聯網模式下的工程變形監測和災害監測的應用越來越廣泛。物聯網的技術架構主要包括感知層、網絡層和應用層。在鐵塔監測的應用中，感知層可采用帶電源模塊的傳感器，完成鐵塔監測的各種數據采集和發送等功能。網絡層完成監測數據的傳送，將接收到的數據存儲到數據庫。應用層實時監控監測結果，分析數據庫中的數據變化，及時生成預警和報警反饋。

無線射頻識別技術（RFID）也是物聯網監測技術的一種應用。由于RFID標簽包括了電子存儲的信息，數十米之內都可識別，而且射頻標簽不需要處在識別器視線之內，可嵌入物體內，能滿足鐵塔監測的基本應用。根據需要在塔頂和塔身等處安裝RFID標簽進行定位，得到測算空間坐標，跟標簽在安全狀態下的坐標比對，從而判斷鐵塔的狀態信息。安裝的每個標簽發射頻率不同的超高頻信號，接收處設置多個接收裝置接收信號。由于相同頻率信號到不同接收點的相位是不同的，根據接收點間的載波相位差，計算標簽的當前坐標，將當前坐標與已知坐標進行對比，分析鐵塔水平位移、垂直度和基礎沉降情況。

2.3 基于北斗高精度定位的監測技術

隨著北斗衛星導航系統的不斷建設與完善，北斗高精度應用的領域越加廣泛。高精度監測應用在視線開闊的良好環境下，可穩定的接收5顆以上的衛星信號，靜態相對定位精度達到毫米級，同時系統具有天然的安全性，測量穩定可靠。但北斗系統在復雜環境下，容易受到環境的影響，導致接收信號變弱，存在測量不穩定的情況。

采用差分技術可有效提高北斗系統的定位精度，通過最小二乘及擴展卡爾曼濾波算法建立定位模型，可使定位精度水平達到3 ms。以北斗高精度相位差分定位技術為基礎，在穩定可靠位置設基準差分站，在鐵塔上設置一體化測量天線監測鐵塔實時位置，結合北斗差分站提供的定位信息，實時分析誤差，解算天線精確位置。監測終端根據高精度定位坐標計算測量天線實時位移、鐵塔傾斜角和垂直度等。

2.4 射頻雷達技術

鐵塔監測時需將各種傳感器或監測天線等安裝在鐵塔上，必定會對鐵塔結構、承重造成影響，線纜的布設還會為后期運營維護增加困難。因此，由于射頻雷達技術不與被監測物體直接接觸、監測精度高、運營維護便利，逐步應用在各種監測場合中。

射頻雷達監測采集單元是系統的核心監測設備，可安裝在鐵塔附近的機房或機箱上。監測采集單元通過陣列天線對被測物體發射監測波束，監測設備實時接收被測物體各部位的反射信息，并進行信號處理，得到被測物體的形變、位移和速度等數據，測量精度可以達到毫米級。監測數據傳輸至監測管理單元，管理單元可以管理和控制單臺或多臺監測采集單元，并實現監測數據的上報。

2.5 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術是從單點測量進化到面測量的革命性技術突破，已廣泛應用在土木工程、室內設計、建筑監測、災害評估、交通事故處理等多個領域中。這種監測方式首先要進行點云數據預處理，利用專業軟件進行點云配準、降噪和精簡處理，為后續的特征部位點云數據提取和變形分析做好準備。使用三維激光掃描儀對通信鐵塔進行掃描，對鐵塔結構頂部、中部、底部特征進行圓柱擬合，從而獲取鐵塔中心坐標，再分別提取各關鍵部位的點云數據，利用特征擬合獲取幾何參數，從而計算鐵塔上、中、下端中心到鐵塔軸線的偏差距離，分析鐵塔在各個方向上的偏移值和鐵塔傾斜度。

2.6 慣性導航技術

慣性導航技術主要由陀螺儀、加速度計作為其慣性敏感測量元件，以基準參考方向和初始位置作為初始參數，對慣性系統建立物理平臺或數字計算平臺，運用基本數學原理，在初始位置的基礎上推斷出下一時刻被測物體的運動狀態信息。由于這種技術的工作環境不受外界環境影響，可獨立進行實時監測，已廣泛應用于大型建筑的形變監測預警中。對于通信鐵塔而言，當鐵塔產生運動狀態時，鐵塔與地理坐標系產生相對變化，安裝在鐵塔上的慣性導航元件所測量的數據經過相應算法計算，得出的數據為相對鐵塔坐標系的姿態信息。利用地理坐標系和相對鐵塔坐標系及鐵塔姿態信息，在針對慣導系統數學模型修正計算的基礎上，計算出鐵塔精確的水平位移和垂直度變化。

2.7 視頻圖像分析技術

隨著鐵路視頻監控系統的應用越來越多，視頻攝像機的數量大幅增加，視頻圖像分析的需求也越來越廣，主要用于重點區域內的人員監控、車輛及貴重物品監控、安防監控等場合。高速鐵路沿線已基本實現高清視頻全覆蓋，為鐵路視頻智能分析應用奠定了良好的基礎。目前很多研究機構在智能視頻分析上投入的研究力量和資金越來越多，視頻圖像分析算法的更新迭代越來越快，但由于視頻圖像本身的復雜性，實際環境中的光照變化、目標運動復雜性、遮擋、目標與背景變換等都會大大增加視頻分析的難度。目標識別及跟蹤技術作為視頻分析技術的門檻應用，各種新興分析技術都將利用該技術成果作為支撐，因此隨著識別和跟蹤技術更為深入的研究，優化改進了分析算法，提升了算法的魯棒性，使其對環境的適應力變得越來越強，基于高精度視頻圖像分析的監測技術也將應用在鐵塔監測中。

3 不同監測信息采集技術的對比分析

由于不同監測技術各有特點，布設位置、監測內容、測量精度、監測信息傳輸方式、抗干擾能力、維護性、建設成本、適用場景等均有差異，在選擇監測技術時，必須考慮鐵塔所處的具體環境、無線資源條件、衛星信號強弱、工程造價高低及維護便利性等多個因素，經過綜合比較分析后，選擇適合鐵塔監測維護的技術方式。詳細對比見表1。

4 結語

在鐵路通信鐵塔的大規模建設時期，特別是在地質災害頻發、維護環境惡劣的地區，為及時消除鐵塔安全隱患，避免出現傾斜、倒塌等危險事故，積累地基沉降及鐵塔維護等基礎數據，非常有必要建設通信鐵塔監測系統。

由于通信鐵塔的位移、形變及地基沉降是一個從漸變到突變的發展過程，必須依靠精密的監測手段和適宜的技術方式進行長期連續監測。隨著大數據、云計算、移動互聯網等新興技術在鐵路各領域的全面深化和拓展應用，多種多樣的監測技術都有可能應用在鐵塔監測上。鐵塔監測后形成的大數據實時反映了鐵塔所在區域的地基狀況，不僅有助于保障運輸安全和提高運輸效率，為運營維護提供了科學依據，而且還為周邊項目的設計施工提供了可靠資料，提前規避風險，降低可能發生的災害損失。

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