通信鐵塔安全快速評估軟件的設計與實現

王青青

【摘 要】隨著我國郵電通信事業的蓬勃發展，通信鐵塔正得到越來越廣泛的應用，確保越來越多的通信鐵塔的安全運行具有重要的意義。從技術角度出發，介紹了如何利用Microsoft Visual Studio 2010開發工具編寫一款基于.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存的鐵塔進行快速準確的安全評估，以解決手工計算和力學軟件計算中的難題。

【關鍵詞】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 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0084-04

1 引言

通信鐵塔是通信信號發射和接收的主要載體，主要用于微波、超短波、無線網絡信號的傳輸與發射等。它是移動通信網完成信號覆蓋的重要基礎設施[1]，是移動通信網絡中一個必不可少的組成部分。隨著通信技術的飛速發展，通信鐵塔目前已經遍布城鄉，隨處可見。大到山區的大型角鋼塔，小到城市小區里的單管塔。它們通過各種通訊信號聯系在一起，為全世界的用戶提供可靠的信息傳遞服務，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展。

如今，通信行業高速發展，通信鐵塔的結構安全已與人們的生活息息相關。通信鐵塔屬于高聳結構，據不完全統計，在高聳結構構件破壞的現象中，風力引起的結構構件破壞占80%～90%左右。在使用期間塔架整體結構可能會發生危及安全的分離、倒塌或者整體失穩破壞的情況[2]。因此，應該對通信鐵塔初始質量狀況，尤其是對抗震防風等性能進行分析、校驗，進而有針對性地對有安全隱患的通信鐵塔進行修復、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

傳統的通信鐵塔計算方法是手工計算，采用結構力學對其進行力學性能分析[3]。當對數據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驗。在鐵塔的結構強度研究計算方面，有較為完善的理論基礎及相應的設計規范[3]。但手工計算中大量的鐵塔參數，繁瑣的計算過程，而且對于同種塔型，即使只是尺寸有變化，也要進行一次全新的計算才能得到想要的數據，這將導致其計算周期長、成本高、效率低。

隨著現代計算力學的發展，越來越多的科研人員采用有限單元法來研究力學方面的問題[4]。在對通信鐵塔剛度、強度的仿真研究方面，國內外有很多分析人員都在進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據輸入，即前處理；50%～55%用于分析結果的判讀和評定，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，它們的結構具有相似性和繼承性，計算的公式和依照的規范是相同的，這為進行參數化分析的應用提供了必要的基礎條件。

可以利用鐵塔公司所掌握的一切鐵塔的詳細數據，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存的鐵塔進行快速準確的安全評估。進而有針對性地對有安全隱患的通信鐵塔進行修復、改造、甚至拆除重建等。

3 具體技術方案

通信鐵塔安全快速評估軟件的關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，并利用開發軟件中靈活的控件及可視化圖形組件來實現結果的輸出。

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

3.1 技術方案

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

（1）步驟1：用戶輸入數據

用戶輸入的數據分為兩個方面。一個是鐵塔自身的結構、材料等參數值，對于不同類型的鐵塔，需要輸入的參數種類是不同的，用戶在選擇了塔型后，就會進入相對應的參數采集界面。另一個是外加荷載數據，包括風荷載、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：荷載下鐵塔應力、撓度的計算

在此次軟件設計過程中，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將步驟2中計算得到的鐵塔應力、水平位移等數據與《移動通信工程鋼塔桅結構設計規范》中的標準值做比較，由此判斷鐵塔是否在正常的使用狀態。在后臺安全評估中通過以下兩個關鍵參數來評判鐵塔的安全性能：

1）水平位移

在所受荷載為風荷載的情況下，鋼塔梔結構任一點的水平位移應滿足[7]表1中所示的規定：

2）塔架應力

塔架的強度理論條件要滿足的條件如式（1）所示：

<材料的許用應力 （1）

（4）步驟4：報告呈現

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

3.2 軟件系統開發

在以上技術方案的基礎上，完成通信鐵塔安全快速評估軟件的設計與實現。其層次架構分為3層。用戶層接收用戶輸入的各種操作信息，然后向業務邏輯層發出各種操作命令。業務邏輯層接收來自用戶層的數據或命令請求，按照相應的算法計算出通信鐵塔的應力、撓度、抗風等級、迎風面積等數值，把數值進行相應的處理，然后將處理后的結果顯示在報告呈現界面上[10]。數據層具體為業務邏輯層和表示層提供數據服務。系統層次架構設計圖如圖2所示。用戶層模塊結構圖、業務邏輯層模塊結構圖分別如圖3、圖4所示。開發功能模塊包括登錄模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、報告顯示模塊。

表2顯示了各功能模塊的主要功能。

4 結束語

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

參考文獻：

[1] 李曉亮，孫國良，黃維學，等. 淺析通信鐵塔的安全性及其安全性評估方法[J]. 數據通信， 2013（5）： 32-34.

[2] 周新華. 高壓輸電鐵塔結構強度分析[D]. 保定： 華北電力大學， 2002.

[3] 蔡銘. 高聳異型鐵塔風荷載作用下結構的分析計算[J]. 鋼結構， 2005（5）： 32-34.

[4] 劉朋科. 高壓輸電線路數值模擬中的參數化有限元法[D]. 重慶： 重慶大學， 2007.

[5] 黃菊花，黎雪芬，饒進軍，等. 材料成型計算機模擬中的參數化有限元法[J]. 中國機械工程， 2003（2）： 145-147.

[6] 楊更新. 高聳塔架靜力計算的空間桁架法[J]. 土木工程學報， 1966（1）： 31-47.

[7] 李軍. 一種基于物聯網技術的移動通信鐵塔性能預警系統[J]. 移動通信， 2010（15）： 35-39.

[8] 中華人民共和國通信行業標準. YD/T5131-2005 移動通信工程鋼塔桅結構設計規范[S]. 北京： 北京郵電大學出版社， 2006.

[9] 高揚明. 移動通信基站單管塔水平位移的設計[J]. 電信技術， 2015（12）： 59-66.

[10] 鄭飛，李逢玲. 一類基于C/S模式的服裝企業物料管理系統的設計研究[J]. 價值工程， 2014（26）： 166-168.