基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)通信鐵塔監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的探討研究

虞德群 劉志旗 楊哲

和勤通信技術(shù)有限公司

0 引言

近些年隨著4G高速網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，全國(guó)的通信鐵塔存有量達(dá)到約200萬(wàn)座，這在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，也產(chǎn)生了各種問題。比如，鐵塔建成之后，長(zhǎng)期處于室外自然環(huán)境，反復(fù)遭受風(fēng)雨侵蝕，甚至受臺(tái)風(fēng)、地震等極端自然災(zāi)害的影響，使塔體劇烈振動(dòng)、彎曲變形、塔身傾斜，甚至可能發(fā)生倒塔、傷人等惡性事故，嚴(yán)重危及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全及設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)行。目前，對(duì)通信鐵塔日常運(yùn)行狀態(tài)的檢查是通過人工周期巡檢來(lái)實(shí)施，此方法無(wú)法實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)鐵塔在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，同時(shí)面對(duì)如此大量的通信鐵塔，檢查往往沒有針對(duì)性，且投入的資源也相當(dāng)多。

為此，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向及通信塔擺動(dòng)幅度、周期等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論設(shè)計(jì)值及以往監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷鐵塔是否存在安全隱患。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)的原理是：通過監(jiān)測(cè)通信塔在一定風(fēng)速下的頂端位移和通信塔自身的自振周期來(lái)反映通信塔的安全狀態(tài)，某一通信塔在系統(tǒng)上建立時(shí)，首先會(huì)依據(jù)通信塔的實(shí)際情況錄入理論計(jì)算模型，然后將前端監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和理論模型進(jìn)行比對(duì)來(lái)分析，同時(shí)也根據(jù)近些年在同等風(fēng)速條件下的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析此次數(shù)據(jù)是否偏離正常范圍，從而綜合判斷通信塔是否處于正常的工作狀態(tài)，也可以通過在塔身不同部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，判斷出通信塔發(fā)生問題的部位。系統(tǒng)總體功能如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

其中信號(hào)采集系統(tǒng)主要由傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器和通信模塊組成。傳感器會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的要求實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，微處理器會(huì)根據(jù)給定的參數(shù)對(duì)照表進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，減少數(shù)據(jù)的發(fā)送量，然后通過通信模塊將有效數(shù)據(jù)發(fā)送至管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)前方發(fā)回的數(shù)據(jù)，要與理論模型數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，同時(shí)還要基于以往收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，通過這兩方面的比較，將發(fā)現(xiàn)的問題反饋給預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)，將分析系統(tǒng)得出的結(jié)論通過聲音或圖像的形式展現(xiàn)出來(lái)，并將信息發(fā)送給維護(hù)人員。

1.2 主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（1）信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信號(hào)采集系統(tǒng)是通信鐵塔監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)。信號(hào)采集系統(tǒng)主要布置在鐵塔的頂部，各個(gè)傳感器采集到信號(hào)后傳送給微處理器，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的鑒別處理后，通過通信模塊發(fā)送給后臺(tái)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。信號(hào)采集系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 信號(hào)采集系統(tǒng)工作流程圖

信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件主要包括四部分：信號(hào)傳感器、電源模塊、微處理器、通信模塊。其中，信號(hào)傳感器主要包括位移傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器。微處理器對(duì)傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理分析，同時(shí)處理器對(duì)電源模塊進(jìn)行節(jié)能管理，讓系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。信號(hào)采集系統(tǒng)的電源為獨(dú)立供電系統(tǒng)，電源模塊主要由電源控制器、太陽(yáng)能電池板、鋰電池組共同組合而成。通信模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的接收與發(fā)送，整個(gè)通信數(shù)據(jù)傳輸采用無(wú)線窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)loRa與無(wú)線高速互聯(lián)網(wǎng)4G相結(jié)合的方式。圖3為信號(hào)采集系統(tǒng)的硬件原理圖。

位移傳感器、加速度傳感器、風(fēng)速傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。位移傳感器的作用是測(cè)量鐵塔在一定風(fēng)速下頂部的位移情況，兩者的比例關(guān)系能夠間接體現(xiàn)鐵塔連接部位是否存在失效情況。加速度傳感器監(jiān)測(cè)的是鐵塔的自振周期，最終也是體現(xiàn)通信鐵塔連接部位是否出現(xiàn)問題。

圖3 信號(hào)采集系統(tǒng)硬件原理圖

電源模塊是信號(hào)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障設(shè)施，需要為整個(gè)采集系統(tǒng)供電?？紤]到系統(tǒng)安裝的便利性，系統(tǒng)采用獨(dú)立自供電系統(tǒng)，電能依靠太陽(yáng)能產(chǎn)生，依靠鋰電池儲(chǔ)備。白天依靠太陽(yáng)能進(jìn)行系統(tǒng)工作和鋰電池充電，夜晚通過鋰電池進(jìn)行供電，模塊具有體積小、持續(xù)久、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足信號(hào)采集系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作要求。

通信模塊主要起到數(shù)據(jù)收發(fā)的作用。考慮到系統(tǒng)的低功耗及運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)loRa與無(wú)線高速互聯(lián)網(wǎng)4G相結(jié)合的方式。圖4為無(wú)線組網(wǎng)原理圖。

圖4 無(wú)線組網(wǎng)的原理圖

（2）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析是整個(gè)通信鐵塔監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。這部分主要包含兩個(gè)功能。

圖5 信號(hào)采集系統(tǒng)工作流程圖

圖6 特定風(fēng)速下的理論位移模型

其一是系統(tǒng)要根據(jù)程序的設(shè)定將實(shí)際運(yùn)行中的通信鐵塔，通過輸入塔高、塔體直徑、塔體壁厚、天線數(shù)量、地區(qū)風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)，依據(jù)現(xiàn)行的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算要求，生成理論通信塔位移模型，然后將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)速、位移數(shù)據(jù)與理論位移模型進(jìn)行對(duì)比分析。圖6是特定風(fēng)速下的位移模型，圖7是監(jiān)測(cè)到的塔頂位移。將所測(cè)風(fēng)速下的塔體頂部的理論位移與實(shí)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，選取10分鐘的平均風(fēng)速與此時(shí)段內(nèi)的平均位移作為對(duì)比數(shù)據(jù)。當(dāng)實(shí)測(cè)位移＞理論位移時(shí)發(fā)出報(bào)警。

圖7 監(jiān)測(cè)到的塔頂位移

其二是要將傳感器發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在服務(wù)器上進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)不斷積累形成圓型統(tǒng)計(jì)圖表，圖8是位移分布與風(fēng)速統(tǒng)計(jì)圖。某一時(shí)段檢測(cè)到的位移數(shù)據(jù)如果超出了當(dāng)時(shí)風(fēng)速圈的先前統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)則發(fā)出預(yù)警，提交給預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)。

圖8 位移分布與風(fēng)速統(tǒng)計(jì)圖

1.3 預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)是通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出界面。各個(gè)站點(diǎn)的采集系統(tǒng)收集處理后的數(shù)據(jù)以及得出的相應(yīng)預(yù)警結(jié)果，將全部反饋至監(jiān)控中心的上位機(jī)，監(jiān)控中心將以文字和圖像的形式直觀地展示通信塔的運(yùn)行狀況。預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)與維護(hù)系統(tǒng)相對(duì)接，能夠及時(shí)將問題信息反饋給維護(hù)人員，進(jìn)行及時(shí)處理。

預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)可以完成數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和輸出工作，系統(tǒng)通過串口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，界面系統(tǒng)采用B/S web方式結(jié)合地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在同一個(gè)界面上顯示每個(gè)站點(diǎn)的鐵塔狀態(tài)，并采用不同的標(biāo)識(shí)對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。也可以點(diǎn)擊某個(gè)站點(diǎn)呈現(xiàn)出當(dāng)前站點(diǎn)的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及運(yùn)行趨勢(shì)，平臺(tái)界面見圖10。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鐵塔維護(hù)管理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及預(yù)警報(bào)警功能。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)工作圖

圖10 預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)界面圖

2 總結(jié)

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)相結(jié)合的通信鐵塔監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。系統(tǒng)通過布放在塔頂?shù)男盘?hào)采集點(diǎn)，按照一定的程序采集鐵塔的頂部位移、加速度、風(fēng)速風(fēng)向、傾角狀態(tài)信息，與分析系統(tǒng)內(nèi)預(yù)設(shè)的理論模型數(shù)據(jù)及以往數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)通信鐵塔的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警報(bào)警，給鐵塔維護(hù)提供實(shí)施方案，能夠有效提高維護(hù)效率，保證通信鐵塔的在網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。