目錄
1.監測的背景及意義
1.1監測背景
1.2監測意義
2.系統介紹及特點
2.1系統介紹
2.2系統特點
3.系統設計
3.1監測內容
3.2總體介紹
3.3詳細設計
3.3.1垂直度監測
3.3.2水平位移、沉降監測
3.3.3環境監測
3.3.4應力應變監測
3.3.5裂縫監測
3.3.6云平臺綜合在線安全監測系統
1.監測的背景及意義
1.1監測背景
近年來，隨著鐵路無線通信技術的飛速發展，通信鐵塔越來越多的應用于鐵路通信。伴隨著我國鐵路線路里程的不斷快速增長，通信鐵塔的數量也越來越多，對通信鐵塔的安全運行及監測維護提出了更高標準和要求。
通信鐵塔常采用的結構形式包括鋼結構和鋼筋混凝土，鐵塔作為一種大型基礎設施，慢慢地也出現了許多問題。隨著鐵塔數量的增加，以及一些鐵塔服役年齡的增長，鐵塔所暴露出來的問題，特別是結構安全問題越來越多。另一方面，通信設施受鐵塔塔基的變化或者受環境因素影響，從而導致通信設施參數（方位角、俯仰角等）變化使得技術指標惡化，達不到設計效果。
在自然環境和外界條件的作用下，地震、雷擊、滑坡、惡劣氣候、老化氧化、潛在的人為偷盜破壞等因素，都會給鐵塔帶來一定的安全隱患，鐵塔地基容易發生滑移、傾斜、開裂等現象，從而引起導致鐵塔變形、傾斜、甚至倒塔等。由于以上情況導致的通信設施的參數變化指標不達標將會造成資源的嚴重浪費，而一旦鐵塔發生安全事故，將會給人們正常的生產生活秩序帶來嚴重影響。
1.2監測意義
目前，傳統的鐵路通信鐵塔維護主要靠定期巡檢、人為觀測，這些是非常必要的安全防護手段。但上述手段存在一定的主觀性，某些參數人工實測困難，并且不容易及時發現問題，無法滿足鐵塔實時監測的需求。
為了消除鐵塔安全隱患，避免出現傾斜、倒塌等危及行車安全的事件發生，為鐵塔及通信設施的集中整治、中修、大修提供基礎參考數據。需要采用先進的技術設備對鐵塔進行實時的在線安全監測，其主要目的有以下幾點。
（1）實時掌握鐵塔的結構參數變化，及時了解鐵塔狀態，在出現傾斜、倒塌等危及鐵塔安全的事件發生前進行預報警，及時處置，防止事故的擴大，保障運營安全；
（2）通過大量鐵塔的監測數據及分析，可以進行鐵塔安全分級，為鐵塔的集中修理整治提供基礎參考依據，節省養護經費；
（3）通過大容量樣本和長時間的數據累積，可為今后類似環境及結構受力下的設計、施工提供一定參考；
（4）通過在線監測系統對結構進行監測和在線查看，進行統一管理，提高管理效率和管理節約成本。
（5）通過對數據的演繹歸納，制定出適合于鐵塔安全監測的安全評價標準體系，形成行業標準、規范，指導與鐵塔相關的建設、運營、養護等方面工作的開展，為行業提出發展方向，全面提升鐵塔養護管理水平。同時系統具有可復制性及簡易性，方便后期平臺化管理系統的集成升級，以及功能的完善。
2.系統介紹及特點
2.1系統介紹
鐵路通信鐵塔在線監測系統采用先進成熟的傳感器系統、北斗高精度定位技術以及采集和通訊技術，結合先進的太陽能新能源技術、數據庫系統、數據分析技術以及預報警系統，對鐵塔安全信息——如環境溫濕度、風速風向、傾斜、裂縫等實時監測并及時預警和報警。系統兼具智能化、云計算、無線傳輸、高精度、集成高效等多重優勢。該監測系統能實時監測鐵塔的傾斜、環境、應變、裂縫等情況，及時了解鐵塔的安全、可靠狀況，根據監測數據發展趨勢，對超標鐵塔狀況及時進行多種方式預報警，指導檢修和維護，提醒運行維護人員加固地基，防止事故發生。
2.2系統特點
1.系統綜合成本低
系統采用低功耗無線方式對采集數據進行匯聚，可以擺脫線纜束縛，有安裝周期短、維護方便的特點。相比于傳統有線系統的布線煩瑣，需要大量人力物力，信號鏈路無需布線，不受地理環境限制。由于不需要布設線纜和無線傳輸本身的許多優點，系統安裝成本低，維護成本低。
2.系統組網靈活、快速。
系統前端網絡可實現自組網，快速、靈活，可擴展性好，即插即用。由于無線網關的自動認證組網功能，組網過程無需人工干預，網關可自動識別采集設備，實現網關接入，同時擴容也會變得非常簡單，輕而易舉地實現無線監控，大大降低了施工難度，免除了許多的不明因素，提高施工效率，減少人力物力，真正實現系統短、平、快建設。
3.系統采用低功耗設計。
系統的各類設備，包括采集設備、無線網關、通信方式均采用低功耗設計，使得設備在斷電情況下依舊可以進行一段時間的持續工作，保證設備在各種情況下都能夠做到實時監測到鐵塔及設施的狀態，大大增加系統的穩定性。
4.系統維護費用低。
系統具備自檢、自我修復等功能，前端設備對系統前端的各個環節都能夠做到有效的監控，無論是傳感器設備、采集設備、通信鏈路等。都能夠進行有效監測，上報，確保系統本身具有強大的健壯性。
5.采集設備兼容性強。
??? 采集設備采用兼容性設計，同一采集設備可以接入多類傳感器，使得安裝過程及流程更加方便、快速。
3.系統設計
3.1監測內容
- 鐵塔水平位移、垂直度（傾斜）監測；
- 鐵塔塔基沉降監測；
- 鐵塔環境監測（溫濕度、風速風向）；
- 鐵塔應力應變監測；
- 鐵塔裂縫監測。
3.2總體介紹
單個鐵塔監測系統為單一的系統，具有可復制性和擴展性，并可接入到統一管理平臺中進行統一管理，在通過訪問入口進行相關鐵塔監測系統的訪問和管理等。單一系統采用無線網關+節點的方式進行信號采集參數，組網如下圖所示。
系統前端主要由各類傳感器和北斗高精度定位設備組成，傳感器與采集單元相連，采集單元具有強大的兼容性，可以兼容本系統中所有的傳感器。北斗高精度定位設備主要用于監測鐵塔的水平位移以及塔基沉降。采集設備通過傳感器完成數據采集后通過低功耗無線傳輸方式LoRa將數據傳輸到無線網關。
無線網關采用無線數傳模塊進行數據無線傳輸，依靠成熟的 GPRS/3G/4G 網絡，在網絡覆蓋內區域內可以快速組建數據通訊，實現實時遠程數據傳輸到統一的管理平臺。鐵路局、通信段、運維車間等部門及運維人員可以通過訪問云服務平臺數據進行數據查看、管理、預報警處理、設置等。
3.3詳細設計
3.3.1垂直度監測
鐵塔和塔基垂直度（傾斜）監測采用盒式固定測斜儀，該儀器主要用于橋梁（典型有橋塔、高墩等）、基坑（典型有基坑周圍建筑物、高聳結構物）、鐵塔、石油機械（磕頭機、高原機）等結構物水平位移或傾角的長期自動化監測。該儀器精度較高，測試數據穩定可靠，操作簡便，適合各種環境，具體技術參數指標如下。
?測量范圍：±30°
?分辨率：10”
?系統精度：±0.01°
?工作溫度：-25至+70°C
3.3.2水平位移、沉降監測
水平位移監測將通過安裝在塔頂位置的我司自主研發的北斗高精度定位設備來監測，通過連續的高精度定位，根據位置的變化來判斷鐵塔水平方向的位移。
GNSS信號：BDS:B1/B2/B3；GPS:L1/L2/L5；GLONASS：G1/G2；SBAS：L1C/A。
靜態測量精度：水平：±（2.5+1ppm）mm高程：±（5+1ppm）mm。
網絡RTK測量精度：水平：±（10+1ppm）mm高程：±（20+1ppm）mm。
動態RTK：10Hz；靜態RTK：1Hz。
3.3.3環境監測
鐵塔環境監測包括環境溫度和風速風力等方面的監測。鐵塔為結構高聳結構，內外大氣溫度和濕度的變化量對鋼桿件的受力狀況有較大影響，風荷載是高聳結構建筑的主要荷載之一。通過對環境溫濕度和鐵塔風速風力分布狀況進行監測，對鐵塔應力受溫度、濕度和風力的影響進行分析，從而評定這些因素對鐵塔安全運行的影響。
環境溫濕度傳感器采用溫濕度傳感器，該儀器廣泛運用于橋隧坡等自動化監測中的溫濕度監測，具有操作靈活，使用方便，能夠根據客戶實際需求增加相應的功能；內置通道保護模塊，可避免由于用戶誤操作時損壞本儀器；單芯片傳感器,含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器；兼容性強，采用標準 RS485通信接口，可與大部分采用 RS485 接口的設備及系統集成等優點。
- 溫濕度傳感器技術指標
測濕量程：0-100%RH
測濕精度：±3.0%RH
測溫范圍：-40°C-125°C
測溫精度：±0.4°C
工作電壓：DC10-24V/200mA
輸出方式：RS485
風速風向采用機械式風速風向儀，該設備可廣泛應用于氣象、環保、機場、農林、水文、工農業生產、旅游、城市環境監測、倉儲、科學研究等領域。
- 風速風向監測傳感器技術指標
風速測量范圍：0-70m/s
分辨率：0.1m/s
準確度：±（0.3±0.03V）m/s
風向測量范圍：0~360°
分辨率：1°
準確度：±3°
3.3.4應力應變監測
鐵塔各個受力桿件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況，隨著鐵塔運營服役期的增長，材料性能的老化以及結構性能的不斷退化，監測系統實時監測各桿件的應力、應變等數據與基準狀態進行比較，以便對鐵塔的實際安全狀態做出評估。因此對這些桿件受力狀況的監測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。
結構應變采用表面應變計，該儀器主要應用于公路、橋梁、民用建筑、隧道、地鐵等混凝土、鋼構、鋼筋及錨桿的應力測量，具有防水性能好、不受外界環境影響、溫度性能穩定等特點，具體技術參數如下。
- 主要技術參數
非線性度：≤1%F.S
工作溫度：-20至+80°C
測溫精度：±0.5°C
3.3.5裂縫監測
裂縫監測根據實際情況布置，裂縫監測采用裂縫計進行監測。裂縫計用于不同結構體的伸縮縫或裂縫變化測量，廣泛運用于公路、鐵路、橋梁、建筑、大壩、邊坡等工程領域。采用電感調頻式原理，傳感器精度高、穩定性高，具體參數如下
- 主要技術參數
供電電壓：9-28V
量程：10/25mm
精度：±1%FS
工作溫度：-20至+80°C
3.3.6云平臺綜合在線安全監測系統
系統采用分層 B/S 體系結構，以.NET 為開發平臺，以 ASP.NET 和 ADO.NET為技術核心，統一流程規范、統一技術標準、統一數據管理、統一角色管理、統一用戶登陸、統一界面風格，構成一個開放統一的平臺，構建分層的在線安全監測系統。由于本項目業務邏輯相對復雜，為了使整個系統有一個清晰的邏輯結構，減輕開發的難度，使程序員更專注于對系統業務流程的設計。
系統能夠提供良好的人機交互界面，便于使用者操作，包括各項監測參數數據的管理、分析，除了具備區域化綜合管理功能外，還具有以下功能：
（1）對各類不同參數的測試數據進行綜合管理：解決了管理人員需要面對多類采集系統的困難，只需從統一的數據庫中調取信息即可。
（2）傳感器信息的描述記錄：可錄入傳感器的安裝位置、設備位置及編號等信息，記錄與工程相關的信息，便于傳感器的管理。
（3）能夠對硬件系統進行遠程控制：綜合管理系統結合智能儀器，可遠程調整測試參數，避免傳統儀器以及系統因為進行參數改變而必須在現場的問題。
（4）能夠對測試數據進行預處理：主要功能有數據的過濾、數據壓縮、數據分類等功能，為后續的自動分析和人工分析提供良好的信息源。
（5）各階段數據的顯示：可以顯示實時監控的數據，也可將歷史數據調出進行顯示，或對幾種參數同時進行顯示分析。
（6）數據分析功能：主要對數據進行各類分析處理，主要有：數據的統計分析、結構參數識別、結構的安全評估等功能。
（7）預警功能，可以根據鐵路部門規定預警門限設定預警閾值，當監測數值觸發預警值后，系統將會依據要求根據不同的預警事件進行分級預警，同時會通過平臺、短信、郵件等多種方式通知到相關人員。
（8）自動報表功能：可根據系統自動或者人工分析的結果，自由選擇自動生成各類型報表。
（9）系統管理的安全保障：為保障鐵塔在線監測系統的安全運行，對不同管理者提供不同的權限，對用戶身份進行驗證，所提供的功能有查看、檢索、修改、增加和刪除等不同操作。
