鐵路通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息采集技術(shù)研究

蹇峽

摘? 要：隨著鐵路通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的逐步應(yīng)用，監(jiān)測(cè)信息采集技術(shù)的發(fā)展日新月異。該文介紹了通信鐵塔監(jiān)測(cè)的多種信息采集技術(shù)，包括傳感器采集技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于北斗高精度定位的監(jiān)測(cè)技術(shù)、射頻雷達(dá)技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、視頻圖像分析技術(shù)等，結(jié)合各自的應(yīng)用特點(diǎn)，分析對(duì)比了不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。研究結(jié)果為鐵路通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息采集技術(shù)的選擇提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鐵塔監(jiān)測(cè);信息采集;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK83? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路無(wú)線(xiàn)通信已經(jīng)由無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)過(guò)渡到GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。鐵路通信鐵塔伴隨著通信基站的建設(shè)越來(lái)越多，由于鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)的帶狀覆蓋原則，通信鐵塔與鐵路線(xiàn)的距離通常都比較近，架設(shè)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(shí)，很有可能造成通信鐵塔傾斜甚至倒塌，嚴(yán)重影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)，威脅周邊人群、設(shè)施和行車(chē)安全。鐵路通信鐵塔的維護(hù)大多是采用人工巡檢的方式進(jìn)行，一方面浪費(fèi)大量的人力物力，且站點(diǎn)偏遠(yuǎn)、成本較高。另一方面無(wú)法進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)，沒(méi)法解決緊急、特殊情況下的安全隱患。因此鐵塔狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯得尤為必要。

目前的鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于電力鐵塔、氣象監(jiān)測(cè)鐵塔、邊防監(jiān)控鐵塔、通信鐵塔等建筑上。為加強(qiáng)鐵路通信鐵塔安全管理，規(guī)范鐵路通信鐵塔維護(hù)作業(yè)，中國(guó)鐵路總公司先后發(fā)布了《鐵路通信鐵塔管理辦法（TG/TX205-2014）》（鐵總運(yùn)[2014]270號(hào)）和《鐵路通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件（TJ/DW144-2017）》（鐵總運(yùn)[2017]23號(hào)）等文件，要求積極采用鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等技術(shù)手段對(duì)通信鐵塔的穩(wěn)定性、垂直度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和安全預(yù)警，全面提升鐵塔的安全管控能力，降低通信鐵塔可能產(chǎn)生危及人員設(shè)施和行車(chē)安全的隱患。同時(shí)發(fā)布《高速鐵路“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效”工程各系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》（鐵總運(yùn)[2017]115號(hào)），要求對(duì)單管塔和位于易發(fā)生泥石流、洪水等特殊地段的鐵塔裝設(shè)鐵塔監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)技防手段確保鐵路通信鐵塔安全。

1 鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)《鐵路通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》的規(guī)定，鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)包括采集單元、監(jiān)測(cè)單元、監(jiān)測(cè)中心和監(jiān)測(cè)終端等。采集單元一般安裝在塔身上，實(shí)現(xiàn)鐵塔狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)的采集功能，包括鐵塔水平位移、垂直度和基礎(chǔ)沉降、天線(xiàn)俯仰角、風(fēng)速風(fēng)向等參數(shù)。監(jiān)測(cè)單元一般安裝在基站或直放站機(jī)房?jī)?nèi)。傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給監(jiān)測(cè)單元，監(jiān)測(cè)單元可以對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將分析后的數(shù)據(jù)通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通道傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理、存儲(chǔ)、處理和輸出，最后由監(jiān)測(cè)終端展示給運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員。鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1所示。

鐵路通信鐵塔的結(jié)構(gòu)主要包括鋼塔桅結(jié)構(gòu)的鋼管塔、角鋼塔、拉線(xiàn)塔等，形式主要有四柱鋼管塔、三柱鋼管塔和獨(dú)管塔。雖然鐵路通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已發(fā)展了數(shù)年時(shí)間，也建立了相應(yīng)的管理辦法和技術(shù)條件，但隨著新興技術(shù)的快速發(fā)展，鐵塔監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展也是日新月異的，從前端監(jiān)測(cè)信息的采集、信息的傳輸，到數(shù)據(jù)的分析整理、告警顯示等，在不同的應(yīng)用環(huán)境下，各種新技術(shù)各顯神通。

2 鐵塔監(jiān)測(cè)信息采集技術(shù)

監(jiān)測(cè)信息采集部分是鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，采集的信息包括鐵塔水平位移、垂直度、鐵塔基礎(chǔ)的沉降變化、天線(xiàn)俯仰角、監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速風(fēng)向等信息。信息采集的技術(shù)包括傳感器采集技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、基于北斗高精度定位的監(jiān)測(cè)技術(shù)、射頻雷達(dá)技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、視頻圖像分析技術(shù)等，各種技術(shù)各具特點(diǎn)，都有比較適宜的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 傳感器采集技術(shù)

傳感器采集技術(shù)是一種傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中。鐵塔監(jiān)測(cè)的傳感器主要包括位移、振動(dòng)、沉降和氣象傳感器等。位移傳感器設(shè)置在鐵塔頂部，監(jiān)測(cè)鐵塔的垂直度及水平位移狀態(tài)。振動(dòng)傳感器設(shè)于塔身，監(jiān)測(cè)鐵塔的緊固件、連接件等，并且監(jiān)測(cè)塔體的振動(dòng)或外因引起的振動(dòng)頻率的改變。沉降傳感器在塔基施工時(shí)預(yù)埋到基礎(chǔ)四角，通過(guò)對(duì)塔基四角的狀態(tài)對(duì)比，監(jiān)測(cè)鐵塔的沉降和平衡狀態(tài)。氣象傳感器設(shè)置在塔頂，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵塔的環(huán)境信息，結(jié)合鐵塔位移變化、振動(dòng)、沉降等信息，綜合起來(lái)對(duì)鐵塔的狀態(tài)進(jìn)行分析，形成維護(hù)部門(mén)的基礎(chǔ)信息。鐵塔監(jiān)測(cè)傳感器多采用有源傳感器、電池或太陽(yáng)能供電或者電纜供電的方式。由于監(jiān)測(cè)信息傳輸間隔可控、數(shù)據(jù)量小、速率低、對(duì)時(shí)延不敏感，傳感器功耗可以做到非常小，結(jié)合監(jiān)測(cè)信息的無(wú)線(xiàn)傳輸方式，采用電池供電的傳感器使用壽命可達(dá)10年。

此外，基于光纖光柵傳感器的監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用也越來(lái)越多?？梢詫⒐饫w光柵應(yīng)力傳感器安裝在塔身上，測(cè)量固定點(diǎn)處的應(yīng)力值，通過(guò)光傳感器與光纖光柵波長(zhǎng)解調(diào)儀連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的光信號(hào)傳輸。由于光纖光柵傳感器屬于無(wú)源設(shè)備，測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)，非常適合在高溫、高濕和惡劣電磁環(huán)境等場(chǎng)合下長(zhǎng)期使用。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)

新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種低功耗廣域連接的通信技術(shù)，具有靈活性和開(kāi)放性的特點(diǎn)，隨著技術(shù)的成熟與發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)模式下的工程變形監(jiān)測(cè)和災(zāi)害監(jiān)測(cè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。在鐵塔監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，感知層可采用帶電源模塊的傳感器，完成鐵塔監(jiān)測(cè)的各種數(shù)據(jù)采集和發(fā)送等功能。網(wǎng)絡(luò)層完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳送，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。應(yīng)用層實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)變化，及時(shí)生成預(yù)警和報(bào)警反饋。

無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）也是物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的一種應(yīng)用。由于RFID標(biāo)簽包括了電子存儲(chǔ)的信息，數(shù)十米之內(nèi)都可識(shí)別，而且射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線(xiàn)之內(nèi)，可嵌入物體內(nèi)，能滿(mǎn)足鐵塔監(jiān)測(cè)的基本應(yīng)用。根據(jù)需要在塔頂和塔身等處安裝RFID標(biāo)簽進(jìn)行定位，得到測(cè)算空間坐標(biāo)，跟標(biāo)簽在安全狀態(tài)下的坐標(biāo)比對(duì)，從而判斷鐵塔的狀態(tài)信息。安裝的每個(gè)標(biāo)簽發(fā)射頻率不同的超高頻信號(hào)，接收處設(shè)置多個(gè)接收裝置接收信號(hào)。由于相同頻率信號(hào)到不同接收點(diǎn)的相位是不同的，根據(jù)接收點(diǎn)間的載波相位差，計(jì)算標(biāo)簽的當(dāng)前坐標(biāo)，將當(dāng)前坐標(biāo)與已知坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，分析鐵塔水平位移、垂直度和基礎(chǔ)沉降情況。

2.3 基于北斗高精度定位的監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷建設(shè)與完善，北斗高精度應(yīng)用的領(lǐng)域越加廣泛。高精度監(jiān)測(cè)應(yīng)用在視線(xiàn)開(kāi)闊的良好環(huán)境下，可穩(wěn)定的接收5顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，靜態(tài)相對(duì)定位精度達(dá)到毫米級(jí)，同時(shí)系統(tǒng)具有天然的安全性，測(cè)量穩(wěn)定可靠。但北斗系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下，容易受到環(huán)境的影響，導(dǎo)致接收信號(hào)變?nèi)酰嬖跍y(cè)量不穩(wěn)定的情況。

采用差分技術(shù)可有效提高北斗系統(tǒng)的定位精度，通過(guò)最小二乘及擴(kuò)展卡爾曼濾波算法建立定位模型，可使定位精度水平達(dá)到3 ms。以北斗高精度相位差分定位技術(shù)為基礎(chǔ)，在穩(wěn)定可靠位置設(shè)基準(zhǔn)差分站，在鐵塔上設(shè)置一體化測(cè)量天線(xiàn)監(jiān)測(cè)鐵塔實(shí)時(shí)位置，結(jié)合北斗差分站提供的定位信息，實(shí)時(shí)分析誤差，解算天線(xiàn)精確位置。監(jiān)測(cè)終端根據(jù)高精度定位坐標(biāo)計(jì)算測(cè)量天線(xiàn)實(shí)時(shí)位移、鐵塔傾斜角和垂直度等。

2.4 射頻雷達(dá)技術(shù)

鐵塔監(jiān)測(cè)時(shí)需將各種傳感器或監(jiān)測(cè)天線(xiàn)等安裝在鐵塔上，必定會(huì)對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)、承重造成影響，線(xiàn)纜的布設(shè)還會(huì)為后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)增加困難。因此，由于射頻雷達(dá)技術(shù)不與被監(jiān)測(cè)物體直接接觸、監(jiān)測(cè)精度高、運(yùn)營(yíng)維護(hù)便利，逐步應(yīng)用在各種監(jiān)測(cè)場(chǎng)合中。

射頻雷達(dá)監(jiān)測(cè)采集單元是系統(tǒng)的核心監(jiān)測(cè)設(shè)備，可安裝在鐵塔附近的機(jī)房或機(jī)箱上。監(jiān)測(cè)采集單元通過(guò)陣列天線(xiàn)對(duì)被測(cè)物體發(fā)射監(jiān)測(cè)波束，監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)接收被測(cè)物體各部位的反射信息，并進(jìn)行信號(hào)處理，得到被測(cè)物體的形變、位移和速度等數(shù)據(jù)，測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)管理單元，管理單元可以管理和控制單臺(tái)或多臺(tái)監(jiān)測(cè)采集單元，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上報(bào)。

2.5 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)是從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破，已廣泛應(yīng)用在土木工程、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、災(zāi)害評(píng)估、交通事故處理等多個(gè)領(lǐng)域中。這種監(jiān)測(cè)方式首先要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)、降噪和精簡(jiǎn)處理，為后續(xù)的特征部位點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取和變形分析做好準(zhǔn)備。使用三維激光掃描儀對(duì)通信鐵塔進(jìn)行掃描，對(duì)鐵塔結(jié)構(gòu)頂部、中部、底部特征進(jìn)行圓柱擬合，從而獲取鐵塔中心坐標(biāo)，再分別提取各關(guān)鍵部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用特征擬合獲取幾何參數(shù)，從而計(jì)算鐵塔上、中、下端中心到鐵塔軸線(xiàn)的偏差距離，分析鐵塔在各個(gè)方向上的偏移值和鐵塔傾斜度。

2.6 慣性導(dǎo)航技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)主要由陀螺儀、加速度計(jì)作為其慣性敏感測(cè)量元件，以基準(zhǔn)參考方向和初始位置作為初始參數(shù)，對(duì)慣性系統(tǒng)建立物理平臺(tái)或數(shù)字計(jì)算平臺(tái)，運(yùn)用基本數(shù)學(xué)原理，在初始位置的基礎(chǔ)上推斷出下一時(shí)刻被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息。由于這種技術(shù)的工作環(huán)境不受外界環(huán)境影響，可獨(dú)立進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，已廣泛應(yīng)用于大型建筑的形變監(jiān)測(cè)預(yù)警中。對(duì)于通信鐵塔而言，當(dāng)鐵塔產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，鐵塔與地理坐標(biāo)系產(chǎn)生相對(duì)變化，安裝在鐵塔上的慣性導(dǎo)航元件所測(cè)量的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)算法計(jì)算，得出的數(shù)據(jù)為相對(duì)鐵塔坐標(biāo)系的姿態(tài)信息。利用地理坐標(biāo)系和相對(duì)鐵塔坐標(biāo)系及鐵塔姿態(tài)信息，在針對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型修正計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)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(shù)

隨著鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越多，視頻攝像機(jī)的數(shù)量大幅增加，視頻圖像分析的需求也越來(lái)越廣，主要用于重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的人員監(jiān)控、車(chē)輛及貴重物品監(jiān)控、安防監(jiān)控等場(chǎng)合。高速鐵路沿線(xiàn)已基本實(shí)現(xiàn)高清視頻全覆蓋，為鐵路視頻智能分析應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。目前很多研究機(jī)構(gòu)在智能視頻分析上投入的研究力量和資金越來(lái)越多，視頻圖像分析算法的更新迭代越來(lái)越快，但由于視頻圖像本身的復(fù)雜性，實(shí)際環(huán)境中的光照變化、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性、遮擋、目標(biāo)與背景變換等都會(huì)大大增加視頻分析的難度。目標(biāo)識(shí)別及跟蹤技術(shù)作為視頻分析技術(shù)的門(mén)檻應(yīng)用，各種新興分析技術(shù)都將利用該技術(shù)成果作為支撐，因此隨著識(shí)別和跟蹤技術(shù)更為深入的研究，優(yōu)化改進(jìn)了分析算法，提升了算法的魯棒性，使其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)力變得越來(lái)越強(qiáng)，基于高精度視頻圖像分析的監(jiān)測(cè)技術(shù)也將應(yīng)用在鐵塔監(jiān)測(cè)中。

3 不同監(jiān)測(cè)信息采集技術(shù)的對(duì)比分析

由于不同監(jiān)測(cè)技術(shù)各有特點(diǎn)，布設(shè)位置、監(jiān)測(cè)內(nèi)容、測(cè)量精度、監(jiān)測(cè)信息傳輸方式、抗干擾能力、維護(hù)性、建設(shè)成本、適用場(chǎng)景等均有差異，在選擇監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)，必須考慮鐵塔所處的具體環(huán)境、無(wú)線(xiàn)資源條件、衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)弱、工程造價(jià)高低及維護(hù)便利性等多個(gè)因素，經(jīng)過(guò)綜合比較分析后，選擇適合鐵塔監(jiān)測(cè)維護(hù)的技術(shù)方式。詳細(xì)對(duì)比見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

在鐵路通信鐵塔的大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，特別是在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、維護(hù)環(huán)境惡劣的地區(qū)，為及時(shí)消除鐵塔安全隱患，避免出現(xiàn)傾斜、倒塌等危險(xiǎn)事故，積累地基沉降及鐵塔維護(hù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，非常有必要建設(shè)通信鐵塔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

由于通信鐵塔的位移、形變及地基沉降是一個(gè)從漸變到突變的發(fā)展過(guò)程，必須依靠精密的監(jiān)測(cè)手段和適宜的技術(shù)方式進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)在鐵路各領(lǐng)域的全面深化和拓展應(yīng)用，多種多樣的監(jiān)測(cè)技術(shù)都有可能應(yīng)用在鐵塔監(jiān)測(cè)上。鐵塔監(jiān)測(cè)后形成的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映了鐵塔所在區(qū)域的地基狀況，不僅有助于保障運(yùn)輸安全和提高運(yùn)輸效率，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，而且還為周邊項(xiàng)目的設(shè)計(jì)施工提供了可靠資料，提前規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，降低可能發(fā)生的災(zāi)害損失。

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