通信鐵塔健康監測的探討研究

張少衡 陳允銳 肖 鵬

(江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210006)

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通信鐵塔健康監測的探討研究

張少衡 陳允銳 肖 鵬

(江蘇省郵電規劃設計院有限責任公司，江蘇 南京 210006)

介紹了健康監測的原理和發展概況，闡述了對通信鐵塔進行健康監測的必要性，并介紹了對通信鐵塔進行遠程可視化健康監測的核心技術理論，指出健康監測技術可以對通信鐵塔進行遠程實時監測評估，是確保鐵塔結構耐久性與安全性的有效途徑。

通信鐵塔，健康監測，可視化，安全預警

1 結構健康監測的意義和原理

目前，很多大型工程的結構和基礎在施工的時候，為了保障其結構的耐久性、適用性和安全性，除了在設計和施工的時候采用理論分析的方法，比如結構的可靠度[1]等理論之外，還通過對結構或者構件采用健康監測的方法，對結構內部損傷的位置和損傷的程度進行檢查，從而判斷結構的健康狀態。

結構健康監測[2](Structural Health Monitoring，簡稱SHM)指通過連接在結構上的數據采集儀和無線傳感器等，對結構的內在響應、力學性能等系統特性進行理論分析，從而有助于未來工作對結構內部或者構件的微小損傷進行及時修復的目的。其主要思路是通過測量結構在長期荷載的負載下產生的局部性的損傷，進而對其探測和評價；或者通過實時監測來監測結構可能產生的退化。這就好比對結構進行健康體檢，人們通過現場傳回的數據能夠了解當時結構的健康狀態。由此可見，結構健康監測系統可以有效應用在及時災害調查和近乎實時的結構整體的可靠信息的提供[3]。

2 結構健康監測的發展概況

結構健康監測這項技術最早被應用于偵測太空領域的飛行器上，主要是關于其荷載監測的研究[5,6]。后來隨著其他領域的日益興起，很多大型結構上也被用上了這一技術。這就使得結構健康監測在大型結構的損傷監測與位移測量、壽命預測等領域得到了蓬勃的發展[7-9]。

1990年之后，我國首先在香港青馬大橋、汀九大橋等[10]大型水利工程上使用過健康監測系統。隨后，大量建筑如雨后春筍，國家也更加重視健康監測系統在各種大型結構以及生命線工程上發揮的作用[11]。

隨著時代的發展，我國的科研水平日益提高，多個學科領域發展迅速，大大提高了健康監測系統的研究水平，如測試與傳感的相關技術、網絡通信技術、信號的接收和處理技術，信號的后處理分析技術、數學和結構力學理論等。除此之外，更多的技術應用到健康監測系統中來，極大地拓展了結構健康監測的內容，并且確保了運營安全、提高了結構的管理水平，具有極大的發展前景[12-14]。

3 通信鐵塔健康監測的必要性

目前，移動通信已經成為人們對外通信的重要手段，是現代社會的重要標志之一，它使人們隨時隨地都可以保持和外界的溝通聯系，為人們的生活、工作和經濟活動帶來了極大的便利，為現代社會信息化活動提供了一個廣闊的平臺。通信鐵塔作為通信工程最重要的基礎設施，對基站的正常運營起到關鍵作用。

然而，當鐵塔出現各種損傷等安全隱患時，隨著損傷情況的日益嚴重，必然影響鐵塔的安全性和使用期限。

目前，對塔桅建筑采用的是原始的人工代理維護、測量方法，這種方法有如下弊端：1)工作效率低，勞動強度大，作業風險和成本高；2)檢測結果和檢測報告的真實性和可行性低；3)無法對檢測人員的行為和結果實施全方位的覆蓋和可視化管理；4)無法對鐵塔運行過程中產生的安全質量問題早發現、早報告、早診斷、早處理；5)無法對鐵塔的運行狀態進行實時、在線監控和管理。

健康監測技術可以對通信鐵塔進行遠程實時地安全性監測評估，是確定鐵塔結構耐久性，確保鐵塔結構安全的有效途徑。對鐵塔進行健康監測，是針對存在安全隱患或損壞的構件進行監測分析，而不是盲目的對鐵塔各個部分進行監測或修復，從而較大程度的降低了成本并節約了時間。

4 通信鐵塔健康監測的核心技術理論介紹

通信鐵塔的健康監測是一個實時的，遠程的，又是一個長期的過程，并且可以在現有的技術基礎上實現可視化。通信鐵塔健康監測系統可以劃分為測試采集系統、數據通訊系統、數據交互和預警系統以及數據庫管理系統。要實現實時、遠程、可視化的監測效果主要需實現以下幾方面：實現遠程監測、顯示動態監測數據、實現可視化模型、實現預警功能。

4.1 遠程監測的實現方式

遠程監測，就是通過使用應變片、傳感器等儀器，連接到遠端的計算機上，并將現場收集到的數據傳送上去。操作者在監測現場以外的地方就可以清楚地查看數據并且發現問題。這一系統的實施，就要求傳輸系統必須是快速的、穩定的、準確的。經過多年的研究發現，Client/Server模式的分布性更好，而且擴充起來更加方便[15]。相對于單機應用系統來說，Client/Server結構更加符合健康監測系統的架構。一般來說，我們的網絡協議使用的是TCP/IP網絡協議，在這個框架下，采用Client/Server模式將數據采集現場的服務器終端與遠程用戶進行連接，實現多用戶間的通信。

另外，系統可以采用Winsock技術來實現Client/Server通信模式。一對多的通信模式可以通過Winsock技術來實現，這樣就可以實現服務器終端與多個界面的用戶進行數據傳輸。除此之外，Winsock技術可以保證各個用戶之間進行獨立、互不干擾的數據傳輸，大大保障了數據的可靠性[4]。

4.2 監測數據的實時顯示

目前比較常見的實時數據記錄方式是繪制實時曲線。當客戶端電腦收集到現場的測點數據之后，可以對微軟提供的MSChart控件進行簡單的基本設置，并且對初始值等進行賦值，就可以將數據按照人為設置要求分組，并且以條形圖、餅圖、曲線圖等方式顯示出來。另外，在實現過程中如果出現刷新閃爍現象，可以利用雙緩沖畫圖技術來解決動態曲線的顯示問題[4]。

4.3 可視化模型的實現

目前，健康監測系統的終端顯示結果，基本采用的都是圖表形式，圖表上的數據不能對應到監測點的相對位置，也就是說，輸出結果不能和實際的監測體系對應起來，直觀性比較差。對于通信塔來說，測點在通信鐵塔上對應的位置不明確，就需要參考其他相關資料才能確定測點的相關位置等信息。如果利用AutoCAD這種土木專業熟知的畫圖軟件，通過建立通信鐵塔的三維模型，在相應位置處顯示相關測量數據，極大地增加了直觀性，并且大大降低了出錯率。關于模型上相關位置的數據顯示，可以利用Visual Basic編程，對其進行簡單的二次開發，就可以在模型中輕松顯示出測點數據等相關信息[4]。

4.4 預警功能的實現

隨著市場需求的擴大，通信鐵塔的類型衍生出很多形式，通信塔體系變成了一個復雜的系統。通信塔健康狀態的影響因素也變得非常繁多并且十分復雜，許多因素目前還無法通過明確的函數關系量化，現行的規范也沒有給出一些依據，所以目前有些情況的監測結果，更多的是依靠專家的經驗來判斷[16]。然而，目前的健康監測系統的工作方式僅僅停留在測點數據采集和顯示的層面上，并沒有加進人工預警體系。因此，有必要對現行的健康監測系統進行補充。

一方面，在現有規范和規程有明確評判體系的部分，可以使用計算機對收到的數據進行程序設計、編程判斷，將數據與對應測點的合理閾值進行比較。如果發現某測點值超過了閾值，則可以開啟自動預警。另一方面，當沒有明確定量關系可以判斷數據合理性的時候，可以通過提供具有決策能力的技術中心來實現人工預警[4]。

5 展望

對通信鐵塔的健康監測，還沒有形成氣候，但已經引起了廣泛的關注。在對其研究中難免遇到困難，還有一些尚未解決的問題，有待進一步的研究。

需要進一步研究的問題有：

1)測點信息不完整：受到現場條件、測試儀器和監測成本的限制，一般只對有限的關鍵性構件進行監測，并且不可能對通信塔進行長期監測，即所測數據僅為需要檢測的時段采集的數據。

2)數據傳輸需要使用廣域網，在廣域網上進行數據傳輸有時會出現出錯現象。

3)CAD建模顯示可為一種思路，但是實現起來還需要專業技術支撐。

致謝：肖鵬對本文提供了核心理論的技術支持，特此感謝。

[1] Kirkegaard P H,John Dalsgaard S rensen,Dean izmar,et al.System reliability of timber structures with ductile behavior[J].Engineering Structures,2011(33):3093-3098.

[2] 大型結構的健康監測的探討分析[Z].

[3] 盧 偉,滕 軍.基于現場總線的大跨空間結構健康監測系統研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[4] 肖 鵬.可視化遠程結構健康監測預警系統開發[D].武漢：華中科技大學碩士學位論文,2013.

[5] Glisic B,Inaudi D.Fiber Optic Methods for Structural Health Monitoring[M].Wiley,2007:133-247.

[6] Fujihashi K,Kurihara K,Hirayama K,et al.Monitoring System Based on Optical Fiber Sensing Technology for Tunnel Structures and Other Infrastructure[M].Netherlands:Springer,2005:185-195.

[7] Auweraer H V D,Peeters B.International Research Projects on Structural Health Monitoring:An Overview Structural Health Monitoring[J].Sage Journal,2003,2(4):341-358.

[8] Teng J,Lu W,Liu H J.Information Acquisition Method based on Space Similarity Structure[R].Chongqing:World Forum on Smart Materials and Smart Structures Technology,2007.

[9] Ko J M,Ni Y Q.Technology Developments in Structural Health Monitoring of Large Scale Bridges[J].Engineering Structures,2005,27(12):1715-1725.

[10] C.K.Lau,W.P.N.Mak,K.Y.Wong,etc..Structural Health Monitoring of Three Cable-supported Bridges in Hong Kong[J].Structural Health Monitoring,2000(7):450-460.

[11] 張啟偉,袁萬城,范立礎.大型橋梁結構安全監測的研究現狀與發展[J].同濟大學學報,1997,25(sup):76-81.

[12] 何浩祥,閆維明,馬 華，等.結構健康監測系統設計標準化評述與展望[J].地震工程與工程振動,2008,28(4):154-160.

[13] 李宏男,高東偉,伊廷華.土木工程結構健康監測系統的研究狀況與進展[J].力學進展,2008,38(2):151-166.

[14] 周 奎,王 琦,劉衛東，等.土木工程結構健康監測的研究進展綜述[J].工業建筑,2009,39(3):96-102.

[15] 王彥臣,凌 偉,黃廉卿.基于Client/ Server模式下實現大數據量文件的傳輸[J].光學精密工程,2003,11(4):400-403.

[16] 劉 璐,周建庭,陳曉明.基于內力包絡理論橋梁遠程健康監測安全評價[J].重慶交通大學學報,2009,28(4):673-688.

The research of health monitoring of communication tower

Zhang Shaoheng Chen Yunrui Xiao Peng

(JiangsuPost&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210006,China)

This paper introduces the principle and development of health monitoring, expounds its necessity, and introduces the theory of the core technology of visualized remote health monitoring of communication tower, point out health monitoring technology of communication tower for security monitoring and evaluation can be remote and real-time. Health monitoring is an effective way to ensure the durability and security of the tower structure.

communication tower, health monitoring, visualization, safety warning

1009-6825(2016)28-0053-02

2016-07-22

張少衡(1986- )，女，碩士，工程師； 陳允銳(1977- )，男，碩士，工程師； 肖 鵬(1988- )，男，碩士，工程師

TU347

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