鐵路通信鐵塔監測系統設計

楊彩云，袁振江

（1.國家鐵路局規劃與標準研究院，北京100055；2.通號通信信息集團有限公司，北京100070）

1 概述

近年來，隨著鐵路無線通信技術的飛速發展，GSM-R通信鐵塔越來越多地應用于鐵路通信。然而，地殼運動、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，甚至出現傾斜、倒塌現象。目前，鐵路通信鐵塔的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。但相對于實時監測的需求來說，上述手段不易及時發現問題，存在一定的主觀性且某些參數人工實測困難。

為了消除鐵塔存在的安全隱患，應采用先進的技術設備對鐵塔進行實時安全監測，為鐵塔的集中整治、中修、大修提供基礎參考數據。鐵路通信鐵塔監測系統采用成熟的信號采集、控制、網絡通信等技術，結合一流的傳感和智能視頻分析技術，對鐵塔運行健康狀況及危及鐵塔安全的各類自然災害和人為破壞進行實時監測，并及時預警和告警。

2 系統簡介

鐵路通信鐵塔監測系統由采集單元、監測單元、監測中心和監測終端組成。

監測中心根據實際業務需求，實現監測數據和告警數據的存儲、分析、顯示、輸出。應具備信息交換、資源共享、故障定位、性能分析、查詢顯示、報表輸出、時間同步、網管維護等功能。

監測終端應以圖形（視頻）、文本、聲音等方式，對鐵塔垂直度、塔基沉降等監測信息以及告警、預警信息進行實時展示以及報表輸出，并具備信息、處理預案查詢等功能。

3 系統功能

鐵塔監測平臺系統（以下簡稱系統）通過遠程在線監測技術，對通信鐵塔的狀態和環境等參數進行實時檢測，對異常狀態進行告警、預警，記錄和分析相關數據的系統。系統按需求主要包括監測管理、配置管理、查詢統計預測、系統管理和校準管理。

3.1 監測管理

監測管理實現以下功能：①實時監測功能以圖像方式顯示不同的鐵塔狀態參數，如x、y軸傾斜角，垂直度，沉降等，接收和產生實時告警；告警信息可被用戶確認、清除、導出。②提供指定線路中的鐵塔站點、直放站拓撲圖及其基礎信息，能夠讓用戶直觀了解站點、機構的拓撲關系。③監測單元能夠自動地發送報文、告警到監測系統，系統也能設置自動查詢，系統周期性向各個連接的監測單元發送報文請求其上傳模擬量數值。

3.2 配置管理

配置管理實現以下功能：①接入平臺的監控單元和所屬機構、采集模擬量參數的告警門限進行配置和管理。②管理鐵塔站點及基礎信息的臺賬功能，能夠任意配置如路、局、線三層次的機構功能。③能夠單一或指定區域的配置站點告警門限和自定義告警聲音。臺賬功能對系統提供了站點、鐵塔基礎信息以及各種檢測數據，方便管理員進行檢查、維護。系統實現了路局—監控中心—監控單元的三級級聯功能。合理配置監控中心和路局相關參數，基礎告警、模擬量數據都能實時同步到路局端。通過開關的控制，能夠實現路局端有選擇性地接收各監控中心下的站點基礎信息，實現一個路局管理多個監控中心。

3.3 查詢統計預測

查詢統計預測實現以下功能：①系統支持單站點多個模擬量參數、多站點單個模擬量參數在不同時間段監測數據的統計報表，可提供餅圖、曲線、柱狀圖等不同的報表展現方式；②系統提供多站點告警信息查找，從機構站點樹上選擇不同區域，包含在該區域中多個站點的歷史告警就會呈現；③系統提供針對站點的預測分析功能（鐵塔運行狀態及其變化趨勢）。

預測模型基于矩陣分解技術的協同過濾策略，結合鐵塔及其監測數據的特點，在模型中不僅采用了帶偏置的矩陣分解模型，并考慮了鐵塔所處的微環境中的時間效應。以下簡述系統幾個重要的點。

公式（1）為總評分預測公式，其中風向偏置bd獨立于鐵塔對風速的反應特征的因素，表示某一特定風向對鐵塔傾斜角度的影響；風速偏置bs，獨立于鐵塔對風向的反應特征的因素，表示某一特定風速對鐵塔傾斜角度的影響；pd和qs為風向d和風速s的特征向量：

公式（2）為每一步的迭代公式，將獨立的風向或風速與鐵塔傾斜角度的偏置部分當作基本預測，添加鐵塔傾斜角度對特定風向與風速組合的個性化反應，從而可以預測任意給定風向、風速，鐵塔的傾斜角度：

為提高鐵塔監測系統數據分析精度，充分考慮鐵塔所處的微環境中的時間效應。對于鐵塔監測系統，數據中隨時間變化趨勢最明顯的就是地基非均勻沉降，本文使用地基沉降測量點在不同時刻的三維坐標擬合出地基平面模型隨時間的變化，推導出地基平面模型的上述時間特性對鐵塔傾斜角度的影響，從而可以將上述影響與風向、風速等氣候因素對鐵塔傾斜角度的影響分離，使后續數據分析更加精確。地基非均勻沉降對鐵塔傾斜角度的影響如圖1所示。

圖1 地基非均勻沉降對鐵塔傾斜角度的影響

3.4 系統管理

系統管理部分提供對系統用戶、系統角色、系統菜單及字典管理，并且監控系統JVM各參數。對數據庫中各種信息進行定時備份，提供一鍵恢復等功能。同時，對重要信息進行日志記錄，方便用戶進行查找和維護。

3.5 校準管理

在實際測量儀器的安裝中，現場環境會導致各種傳感器安裝角度不會按照理想狀態安裝，存在一定偏移誤差。系統提供校準管理部分對誤差進行測量，并按特定公式進行計算。安裝誤差校準能夠通過周期性采樣、計算消除x、y軸傳感器初始安裝偏差對測量結果帶來的影響。

3.6 外部接口

采用TCP方式，實現對綜合網管、視頻監控系統所需相關信息的傳輸。通過開關控制，監測中心可定期向通信綜合網管系統上報鐵塔基礎信息，發生告警時，監測中心將相關告警信息實時推送至通信綜合網管系統和視頻監控系統。

4 結束語

本文詳細闡述了鐵塔監測平臺各模塊功能設計。通過這些功能確保監測數據實時、準確、可靠地反應在系統中，并且及時產生告警信息，防止鐵塔發生嚴重傾斜倒塌、天線信號覆蓋區域偏移等危險情況發生。系統設計的預測模型能夠有效預測鐵塔的各狀態參數未來變化趨勢，提高預警準確性。系統減少了檢查鐵塔的工作量，提高了安全隱患的檢出率，加強了鐵塔維護工作的有效性。