通信鐵塔安全快速評估軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

王青青

【摘 要】隨著我國郵電通信事業(yè)的蓬勃發(fā)展，通信鐵塔正得到越來越廣泛的應(yīng)用，確保越來越多的通信鐵塔的安全運行具有重要的意義。從技術(shù)角度出發(fā)，介紹了如何利用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)工具編寫一款基于.NET平臺的操作簡單、可視化程度高的軟件，該軟件可以幫助鐵塔公司對現(xiàn)存的鐵塔進(jìn)行快速準(zhǔn)確的安全評估，以解決手工計算和力學(xué)軟件計算中的難題。

【關(guān)鍵詞】通信鐵塔 安全評估 .NET平臺

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.016 中圖分類號：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0084-04

1 引言

通信鐵塔是通信信號發(fā)射和接收的主要載體，主要用于微波、超短波、無線網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸與發(fā)射等。它是移動通信網(wǎng)完成信號覆蓋的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]，是移動通信網(wǎng)絡(luò)中一個必不可少的組成部分。隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，通信鐵塔目前已經(jīng)遍布城鄉(xiāng)，隨處可見。大到山區(qū)的大型角鋼塔，小到城市小區(qū)里的單管塔。它們通過各種通訊信號聯(lián)系在一起，為全世界的用戶提供可靠的信息傳遞服務(wù)，保障了全球24小時信息不間斷共享，使得人類社會得到了迅速的發(fā)展。

如今，通信行業(yè)高速發(fā)展，通信鐵塔的結(jié)構(gòu)安全已與人們的生活息息相關(guān)。通信鐵塔屬于高聳結(jié)構(gòu)，據(jù)不完全統(tǒng)計，在高聳結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的現(xiàn)象中，風(fēng)力引起的結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞占80%～90%左右。在使用期間塔架整體結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生危及安全的分離、倒塌或者整體失穩(wěn)破壞的情況[2]。因此，應(yīng)該對通信鐵塔初始質(zhì)量狀況，尤其是對抗震防風(fēng)等性能進(jìn)行分析、校驗，進(jìn)而有針對性地對有安全隱患的通信鐵塔進(jìn)行修復(fù)、改造、甚至拆除重建等，從而保障通信鐵塔安全、通暢地運行，為規(guī)避事故及安全隱患提供了可靠的保障[1]。

2 鐵塔安全快速評估軟件的提出

傳統(tǒng)的通信鐵塔計算方法是手工計算，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)對其進(jìn)行力學(xué)性能分析[3]。當(dāng)對數(shù)據(jù)的精確度要求不高時，有時采用近似值法，這要求計算人員具有豐富的鐵塔計算經(jīng)驗。在鐵塔的結(jié)構(gòu)強度研究計算方面，有較為完善的理論基礎(chǔ)及相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范[3]。但手工計算中大量的鐵塔參數(shù)，繁瑣的計算過程，而且對于同種塔型，即使只是尺寸有變化，也要進(jìn)行一次全新的計算才能得到想要的數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致其計算周期長、成本高、效率低。

隨著現(xiàn)代計算力學(xué)的發(fā)展，越來越多的科研人員采用有限單元法來研究力學(xué)方面的問題[4]。在對通信鐵塔剛度、強度的仿真研究方面，國內(nèi)外有很多分析人員都在進(jìn)行著通信鐵塔的有限元分析仿真，但是他們在有限元分析中所用時間的40%～50%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，即前處理；50%～55%用于分析結(jié)果的判讀和評定，即后處理；而計算的時間僅占5%左右[5]。

其實對于同種類型的通信鐵塔，它們的結(jié)構(gòu)具有相似性和繼承性，計算的公式和依照的規(guī)范是相同的，這為進(jìn)行參數(shù)化分析的應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)條件。

可以利用鐵塔公司所掌握的一切鐵塔的詳細(xì)數(shù)據(jù)，借助計算機快速計算的能力，編寫一個簡單易操作的可視化軟件來幫助鐵塔公司對現(xiàn)存的鐵塔進(jìn)行快速準(zhǔn)確的安全評估。進(jìn)而有針對性地對有安全隱患的通信鐵塔進(jìn)行修復(fù)、改造、甚至拆除重建等。

3 具體技術(shù)方案

通信鐵塔安全快速評估軟件的關(guān)鍵點在于程序底層邏輯需要在程序中完成人工難以完成的公式計算、迭代計算等，并利用開發(fā)軟件中靈活的控件及可視化圖形組件來實現(xiàn)結(jié)果的輸出。

鐵塔的種類較多，各種通信鐵塔的性能指標(biāo)的要求也各不相同。針對不同通信鐵塔所要評估的方面也會略有不同。因此，需要根據(jù)通信鐵塔安全評估標(biāo)準(zhǔn)對各類通信鐵塔進(jìn)行分析，總結(jié)各類通信鐵塔的評估方法，然后在程序中分別實現(xiàn)。

3.1 技術(shù)方案

通信鐵塔快速安全評估軟件實現(xiàn)的整體流程如圖1所示。首先，用戶登錄系統(tǒng)，選擇想要評估的鐵塔類型，系統(tǒng)根據(jù)塔型的不同跳轉(zhuǎn)到不同的模塊，用戶根據(jù)提示輸入鐵塔的結(jié)構(gòu)、材料信息以及外加的荷載信息。后臺程序根據(jù)不同的塔型，編寫計算迎風(fēng)面積、應(yīng)力、撓度等的算法。最后利用計算出的撓度、應(yīng)力等參數(shù)，按照強度理論的強度條件、依據(jù)移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)的水平位移極限值等進(jìn)行校核，從而得到鐵塔的安全評估結(jié)果。

（1）步驟1：用戶輸入數(shù)據(jù)

用戶輸入的數(shù)據(jù)分為兩個方面。一個是鐵塔自身的結(jié)構(gòu)、材料等參數(shù)值，對于不同類型的鐵塔，需要輸入的參數(shù)種類是不同的，用戶在選擇了塔型后，就會進(jìn)入相對應(yīng)的參數(shù)采集界面。另一個是外加荷載數(shù)據(jù)，包括風(fēng)荷載、地震荷載和冰雪荷載。用戶需要選擇荷載的類型，然后輸入荷載的值。

（2）步驟2：荷載下鐵塔應(yīng)力、撓度的計算

在此次軟件設(shè)計過程中，角鋼塔和三管塔采用楊更新教授提出的空間桁架法[6]來計算塔架靜力。

（3）步驟3：后臺安全評估

通信鐵塔安全快速評估系統(tǒng)將步驟2中計算得到的鐵塔應(yīng)力、水平位移等數(shù)據(jù)與《移動通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)值做比較，由此判斷鐵塔是否在正常的使用狀態(tài)。在后臺安全評估中通過以下兩個關(guān)鍵參數(shù)來評判鐵塔的安全性能：

1）水平位移

在所受荷載為風(fēng)荷載的情況下，鋼塔梔結(jié)構(gòu)任一點的水平位移應(yīng)滿足[7]表1中所示的規(guī)定：

2）塔架應(yīng)力

塔架的強度理論條件要滿足的條件如式（1）所示：

<材料的許用應(yīng)力 （1）

（4）步驟4：報告呈現(xiàn)

在經(jīng)過步驟3實際值和規(guī)范值的對比之后[7]，對比的結(jié)果以及相關(guān)的圖形結(jié)果會被映射在報告呈現(xiàn)界面中，方便用戶及時對存在安全隱患的鐵塔進(jìn)行有針對性的維護(hù) [7]。

3.2 軟件系統(tǒng)開發(fā)

在以上技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，完成通信鐵塔安全快速評估軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。其層次架構(gòu)分為3層。用戶層接收用戶輸入的各種操作信息，然后向業(yè)務(wù)邏輯層發(fā)出各種操作命令。業(yè)務(wù)邏輯層接收來自用戶層的數(shù)據(jù)或命令請求，按照相應(yīng)的算法計算出通信鐵塔的應(yīng)力、撓度、抗風(fēng)等級、迎風(fēng)面積等數(shù)值，把數(shù)值進(jìn)行相應(yīng)的處理，然后將處理后的結(jié)果顯示在報告呈現(xiàn)界面上[10]。數(shù)據(jù)層具體為業(yè)務(wù)邏輯層和表示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)層次架構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示。用戶層模塊結(jié)構(gòu)圖、業(yè)務(wù)邏輯層模塊結(jié)構(gòu)圖分別如圖3、圖4所示。開發(fā)功能模塊包括登錄模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報告顯示模塊。

表2顯示了各功能模塊的主要功能。

4 結(jié)束語

本文提出一種通信鐵塔安全快速評估系統(tǒng)，利用用戶輸入的鐵塔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及荷載數(shù)據(jù)，根據(jù)寫入系統(tǒng)的鐵塔計算及評估的算法，快速得到準(zhǔn)確的安全評估結(jié)果。運維人員根據(jù)最后得出的檢查評估報告，對在役通信鐵塔進(jìn)行有針對性的維護(hù)，保證其能夠正常使用。該系統(tǒng)的安全評估模式改變了原有的手工和力學(xué)軟件進(jìn)行安全評估的模式，提高了安全評估的效率，降低了安全評估的成本。

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