铁路通信铁塔监测方案

目录

1.监测的背景及意义

1.1监测背景

1.2监测意义

2.系统介绍及特点

2.1系统介绍

2.2系统特点

3.系统设计

3.1监测内容

3.2总体介绍

3.3详细设计

3.3.1垂直度监测

3.3.2水平位移、沉降监测

3.3.3环境监测

3.3.4应力应变监测

3.3.5裂缝监测

3.3.6云平台综合在线安全监测系统

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1.监测的背景及意义

1.1监测背景

近年来，随着铁路无线通信技术的飞速发展，通信铁塔越来越多的应用于铁路通信。伴随着我国铁路线路里程的不断快速增长，通信铁塔的数量也越来越多，对通信铁塔的安全运行及监测维护提出了更高标准和要求。

通信铁塔常采用的结构形式包括钢结构和钢筋混凝土，铁塔作为一种大型基础设施，慢慢地也出现了许多问题。随着铁塔数量的增加，以及一些铁塔服役年龄的增长，铁塔所暴露出来的问题，特别是结构安全问题越来越多。另一方面，通信设施受铁塔塔基的变化或者受环境因素影响，从而导致通信设施参数（方位角、俯仰角等）变化使得技术指标恶化，达不到设计效果。

在自然环境和外界条件的作用下，地震、雷击、滑坡、恶劣气候、老化氧化、潜在的人为偷盗破坏等因素，都会给铁塔带来一定的安全隐患，铁塔地基容易发生滑移、倾斜、开裂等现象，从而引起导致铁塔变形、倾斜、甚至倒塔等。由于以上情况导致的通信设施的参数变化指标不达标将会造成资源的严重浪费，而一旦铁塔发生安全事故，将会给人们正常的生产生活秩序带来严重影响。

1.2监测意义

目前，传统的铁路通信铁塔维护主要靠定期巡检、人为观测，这些是非常必要的安全防护手段。但上述手段存在一定的主观性，某些参数人工实测困难，并且不容易及时发现问题，无法满足铁塔实时监测的需求。

为了消除铁塔安全隐患，避免出现倾斜、倒塌等危及行车安全的事件发生，为铁塔及通信设施的集中整治、中修、大修提供基础参考数据。需要采用先进的技术设备对铁塔进行实时的在线安全监测，其主要目的有以下几点。

（1）实时掌握铁塔的结构参数变化，及时了解铁塔状态，在出现倾斜、倒塌等危及铁塔安全的事件发生前进行预报警，及时处置，防止事故的扩大，保障运营安全；

（2）通过大量铁塔的监测数据及分析，可以进行铁塔安全分级，为铁塔的集中修理整治提供基础参考依据，节省养护经费；

（3）通过大容量样本和长时间的数据累积，可为今后类似环境及结构受力下的设计、施工提供一定参考；

（4）通过在线监测系统对结构进行监测和在线查看，进行统一管理，提高管理效率和管理节约成本。

（5）通过对数据的演绎归纳，制定出适合于铁塔安全监测的安全评价标准体系，形成行业标准、规范，指导与铁塔相关的建设、运营、养护等方面工作的开展，为行业提出发展方向，全面提升铁塔养护管理水平。同时系统具有可复制性及简易性，方便后期平台化管理系统的集成升级，以及功能的完善。

2.系统介绍及特点

2.1系统介绍

铁路通信铁塔在线监测系统采用先进成熟的传感器系统、北斗高精度定位技术以及采集和通讯技术，结合先进的太阳能新能源技术、数据库系统、数据分析技术以及预报警系统，对铁塔安全信息——如环境温湿度、风速风向、倾斜、裂缝等实时监测并及时预警和报警。系统兼具智能化、云计算、无线传输、高精度、集成高效等多重优势。该监测系统能实时监测铁塔的倾斜、环境、应变、裂缝等情况，及时了解铁塔的安全、可靠状况，根据监测数据发展趋势，对超标铁塔状况及时进行多种方式预报警，指导检修和维护，提醒运行维护人员加固地基，防止事故发生。

2.2系统特点

1.系统综合成本低

系统采用低功耗无线方式对采集数据进行汇聚，可以摆脱线缆束缚，有安装周期短、维护方便的特点。相比于传统有线系统的布线烦琐，需要大量人力物力，信号链路无需布线，不受地理环境限制。由于不需要布设线缆和无线传输本身的许多优点，系统安装成本低，维护成本低。

2.系统组网灵活、快速。

系统前端网络可实现自组网，快速、灵活，可扩展性好，即插即用。由于无线网关的自动认证组网功能，组网过程无需人工干预，网关可自动识别采集设备，实现网关接入，同时扩容也会变得非常简单，轻而易举地实现无线监控，大大降低了施工难度，免除了许多的不明因素，提高施工效率，减少人力物力，真正实现系统短、平、快建设。

3.系统采用低功耗设计。

系统的各类设备，包括采集设备、无线网关、通信方式均采用低功耗设计，使得设备在断电情况下依旧可以进行一段时间的持续工作，保证设备在各种情况下都能够做到实时监测到铁塔及设施的状态，大大增加系统的稳定性。

4.系统维护费用低。

系统具备自检、自我修复等功能，前端设备对系统前端的各个环节都能够做到有效的监控，无论是传感器设备、采集设备、通信链路等。都能够进行有效监测，上报，确保系统本身具有强大的健壮性。

5.采集设备兼容性强。

    采集设备采用兼容性设计，同一采集设备可以接入多类传感器，使得安装过程及流程更加方便、快速。

3.系统设计

3.1监测内容

1. 铁塔水平位移、垂直度（倾斜）监测；
2. 铁塔塔基沉降监测；
3. 铁塔环境监测（温湿度、风速风向）；
4. 铁塔应力应变监测；
5. 铁塔裂缝监测。

3.2总体介绍

单个铁塔监测系统为单一的系统，具有可复制性和扩展性，并可接入到统一管理平台中进行统一管理，在通过访问入口进行相关铁塔监测系统的访问和管理等。单一系统采用无线网关+节点的方式进行信号采集参数，组网如下图所示。

系统前端主要由各类传感器和北斗高精度定位设备组成，传感器与采集单元相连，采集单元具有强大的兼容性，可以兼容本系统中所有的传感器。北斗高精度定位设备主要用于监测铁塔的水平位移以及塔基沉降。采集设备通过传感器完成数据采集后通过低功耗无线传输方式LoRa将数据传输到无线网关。

无线网关采用无线数传模块进行数据无线传输，依靠成熟的 GPRS/3G/4G 网络，在网络覆盖内区域内可以快速组建数据通讯，实现实时远程数据传输到统一的管理平台。铁路局、通信段、运维车间等部门及运维人员可以通过访问云服务平台数据进行数据查看、管理、预报警处理、设置等。

3.3详细设计

3.3.1垂直度监测

铁塔和塔基垂直度（倾斜）监测采用盒式固定测斜仪，该仪器主要用于桥梁（典型有桥塔、高墩等）、基坑（典型有基坑周围建筑物、高耸结构物）、铁塔、石油机械（磕头机、高原机）等结构物水平位移或倾角的长期自动化监测。该仪器精度较高，测试数据稳定可靠，操作简便，适合各种环境，具体技术参数指标如下。

 测量范围：±30°

 分辨率：10”

 系统精度：±0.01°

 工作温度：-25至+70°C

3.3.2水平位移、沉降监测

水平位移监测将通过安装在塔顶位置的我司自主研发的北斗高精度定位设备来监测，通过连续的高精度定位，根据位置的变化来判断铁塔水平方向的位移。

GNSS信号：BDS:B1/B2/B3；GPS:L1/L2/L5；GLONASS：G1/G2；SBAS：L1C/A。

静态测量精度：水平：±（2.5+1ppm）mm高程：±（5+1ppm）mm。

网络RTK测量精度：水平：±（10+1ppm）mm高程：±（20+1ppm）mm。

动态RTK：10Hz；静态RTK：1Hz。

3.3.3环境监测

铁塔环境监测包括环境温度和风速风力等方面的监测。铁塔为结构高耸结构，内外大气温度和湿度的变化量对钢杆件的受力状况有较大影响，风荷载是高耸结构建筑的主要荷载之一。通过对环境温湿度和铁塔风速风力分布状况进行监测，对铁塔应力受温度、湿度和风力的影响进行分析，从而评定这些因素对铁塔安全运行的影响。

环境温湿度传感器采用温湿度传感器，该仪器广泛运用于桥隧坡等自动化监测中的温湿度监测，具有操作灵活，使用方便，能够根据客户实际需求增加相应的功能；内置通道保护模块，可避免由于用户误操作时损坏本仪器；单芯片传感器,含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器；兼容性强，采用标准 RS485通信接口，可与大部分采用 RS485 接口的设备及系统集成等优点。

• 温湿度传感器技术指标

测湿量程：0-100%RH

测湿精度：±3.0%RH

测温范围：-40°C-125°C

测温精度：±0.4°C

工作电压：DC10-24V/200mA

输出方式：RS485

风速风向采用机械式风速风向仪，该设备可广泛应用于气象、环保、机场、农林、水文、工农业生产、旅游、城市环境监测、仓储、科学研究等领域。

• 风速风向监测传感器技术指标

风速测量范围：0-70m/s

分辨率：0.1m/s

准确度：±（0.3±0.03V）m/s

风向测量范围：0~360°

分辨率：1°

准确度：±3°

3.3.4应力应变监测

铁塔各个受力杆件的受力大小及分布变化最直接地反映结构的健康状况，随着铁塔运营服役期的增长，材料性能的老化以及结构性能的不断退化，监测系统实时监测各杆件的应力、应变等数据与基准状态进行比较，以便对铁塔的实际安全状态做出评估。因此对这些杆件受力状况的监测及在此基础上的安全分析评估具有重大意义。

结构应变采用表面应变计，该仪器主要应用于公路、桥梁、民用建筑、隧道、地铁等混凝土、钢构、钢筋及锚杆的应力测量，具有防水性能好、不受外界环境影响、温度性能稳定等特点，具体技术参数如下。

• 主要技术参数

非线性度：≤1%F.S

工作温度：-20至+80°C

测温精度：±0.5°C

3.3.5裂缝监测

裂缝监测根据实际情况布置，裂缝监测采用裂缝计进行监测。裂缝计用于不同结构体的伸缩缝或裂缝变化测量，广泛运用于公路、铁路、桥梁、建筑、大坝、边坡等工程领域。采用电感调频式原理，传感器精度高、稳定性高，具体参数如下

• 主要技术参数

供电电压：9-28V

量程：10/25mm

精度：±1%FS

工作温度：-20至+80°C

3.3.6云平台综合在线安全监测系统

系统采用分层 B/S 体系结构，以.NET 为开发平台，以 ASP.NET 和 ADO.NET为技术核心，统一流程规范、统一技术标准、统一数据管理、统一角色管理、统一用户登陆、统一界面风格，构成一个开放统一的平台，构建分层的在线安全监测系统。由于本项目业务逻辑相对复杂，为了使整个系统有一个清晰的逻辑结构，减轻开发的难度，使程序员更专注于对系统业务流程的设计。

系统能够提供良好的人机交互界面，便于使用者操作，包括各项监测参数数据的管理、分析，除了具备区域化综合管理功能外，还具有以下功能：

（1）对各类不同参数的测试数据进行综合管理：解决了管理人员需要面对多类采集系统的困难，只需从统一的数据库中调取信息即可。

（2）传感器信息的描述记录：可录入传感器的安装位置、设备位置及编号等信息，记录与工程相关的信息，便于传感器的管理。

（3）能够对硬件系统进行远程控制：综合管理系统结合智能仪器，可远程调整测试参数，避免传统仪器以及系统因为进行参数改变而必须在现场的问题。

（4）能够对测试数据进行预处理：主要功能有数据的过滤、数据压缩、数据分类等功能，为后续的自动分析和人工分析提供良好的信息源。

（5）各阶段数据的显示：可以显示实时监控的数据，也可将历史数据调出进行显示，或对几种参数同时进行显示分析。

（6）数据分析功能：主要对数据进行各类分析处理，主要有：数据的统计分析、结构参数识别、结构的安全评估等功能。

（7）预警功能，可以根据铁路部门规定预警门限设定预警阈值，当监测数值触发预警值后，系统将会依据要求根据不同的预警事件进行分级预警，同时会通过平台、短信、邮件等多种方式通知到相关人员。

（8）自动报表功能：可根据系统自动或者人工分析的结果，自由选择自动生成各类型报表。

（9）系统管理的安全保障：为保障铁塔在线监测系统的安全运行，对不同管理者提供不同的权限，对用户身份进行验证，所提供的功能有查看、检索、修改、增加和删除等不同操作。