基于MEMS的智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

劉偉東，陳 竹

（紫金電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺(tái)，廣東 河源 517400）

0 引 言

隨著國家新型基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，廣播電視發(fā)射塔建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、遷移，大量塔桅分布在地質(zhì)環(huán)境較為惡劣、地勢偏遠(yuǎn)的位置，特別是高山臺(tái)。除復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件外，近年來頻發(fā)的臺(tái)風(fēng)、暴雪等極端天氣、工程施工等各種人為因素，使得塔桅的安全性無法得到有效保障，極易造成傾斜倒塌、線路中斷、甚至倒塔等嚴(yán)重事故，給生產(chǎn)生活的安全穩(wěn)定帶來極大的隱患[1]。

由于沉降、傾斜等塔桅空間姿態(tài)的變化一般都是緩慢過程，在塔桅形變初期，日常巡檢人員很難通過肉眼或攝像頭觀察到塔桅狀態(tài)的細(xì)微變化，容易產(chǎn)生誤判、漏判的現(xiàn)象。同時(shí)，人工巡檢還存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、時(shí)效性差、主觀性強(qiáng)、數(shù)據(jù)管理分散以及數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確等問題[2]。

為此，在充分考慮塔桅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境的同時(shí)，將微機(jī)電傳感技術(shù)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）、無線通信技術(shù)為代表的新一代物聯(lián)網(wǎng)智能感傳技術(shù)與大數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)、智能專家評估預(yù)警方法相融合，共同開發(fā)智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，提升主動(dòng)監(jiān)控預(yù)防與智能化管理能力，使運(yùn)維人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握塔桅的當(dāng)前運(yùn)行狀況與未來發(fā)展趨勢，確保塔桅安全可靠運(yùn)行。

1 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由硬件感知系統(tǒng)和軟件管理系統(tǒng)共同組成，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理，系統(tǒng)設(shè)置安全狀況閾值、自動(dòng)判識(shí)觸發(fā)告警等功能[3]。與傳統(tǒng)塔桅定期巡檢方式相比，智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。

1.1 運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測

智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由布設(shè)在塔桅本體中上部的傾斜—振動(dòng)一體化監(jiān)測設(shè)備和布設(shè)在塔桅基礎(chǔ)的不均勻沉降監(jiān)測設(shè)備組成，提供塔桅空間姿態(tài)（傾斜、沉降）與風(fēng)振加速度響應(yīng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)塔桅運(yùn)行狀態(tài)信息的低成本、多點(diǎn)位、高頻次感知與無線遙測。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)集約管理

智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用集約高效的數(shù)據(jù)管理技術(shù)及基于微服務(wù)架構(gòu)的數(shù)據(jù)交互應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）技術(shù)，提供塔桅各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及多元監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線接收、集中存儲(chǔ)服務(wù)，客戶端可視化圖表展現(xiàn)服務(wù)，跨平臺(tái)監(jiān)測數(shù)據(jù)交換共享服務(wù)，提高塔桅信息化運(yùn)維管理效率，實(shí)現(xiàn)與第三方平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互能力[4]。

1.3 隱患風(fēng)險(xiǎn)智能判識(shí)

一方面，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，從風(fēng)載激勵(lì)作用下的塔桅加速度振動(dòng)信號中提取固有頻率、阻尼比等動(dòng)力模態(tài)參數(shù)，定量辨識(shí)塔材疲勞破壞、螺栓孔撕裂、節(jié)點(diǎn)螺栓松動(dòng)脫落等損傷因素所導(dǎo)致的塔桅承載性能弱化隱患風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，系統(tǒng)采用時(shí)間序列分析與深度學(xué)習(xí)融合模型，將塔桅空間姿態(tài)時(shí)序靜力監(jiān)測數(shù)據(jù)分解為趨勢項(xiàng)和周期項(xiàng)，利用移動(dòng)平均法（Moving Average，MA）預(yù)測趨勢項(xiàng)，利用長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory，LSTM）預(yù)測周期項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)塔桅失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)智能化預(yù)警預(yù)測。

2 建設(shè)方案

本項(xiàng)目建設(shè)遵循技術(shù)先進(jìn)、功能全面、性能穩(wěn)定、節(jié)省成本的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合塔桅結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及靜動(dòng)響應(yīng)特點(diǎn)，在紫金筆架山發(fā)射塔上布設(shè)3套塔桅塔體結(jié)構(gòu)傾斜形變監(jiān)測模塊、4套塔基不均勻沉降監(jiān)測模塊和1套風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測儀，共計(jì)8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

分別在塔的中部、中上部、頂部表貼安裝一套塔桅塔體結(jié)構(gòu)傾斜形變監(jiān)測模塊，構(gòu)成塔桅傾斜-振動(dòng)傳感陣列組，開展塔桅傾斜變形和風(fēng)振響應(yīng)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。為方便安裝維護(hù)，每套塔桅塔體結(jié)構(gòu)傾斜形變監(jiān)測模塊包含1臺(tái)MEMS測量單元和1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器。同時(shí)，在塔腳基礎(chǔ)4個(gè)側(cè)面位置處，內(nèi)嵌式安裝四套塔基不均勻沉降監(jiān)測模塊，構(gòu)成傾斜傳感器陣列，開展塔基不均勻沉降變形實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。為節(jié)約成本，4臺(tái)塔基不均勻沉降監(jiān)測模塊通過CAN總線共用1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器。最后，在塔桅中部安裝一套風(fēng)速風(fēng)向測報(bào)儀，實(shí)時(shí)檢測塔桅周圍環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向。

整個(gè)采集傳感模塊通過無線自組網(wǎng)和光纖有線通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)融合模式，具有建設(shè)成本低、易部署等特點(diǎn)，尤其適合于搭建分布范圍廣、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)多的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測平臺(tái)，能夠?qū)⒅腔鬯\(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)先通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行測控組網(wǎng)，再匯聚到網(wǎng)關(guān)，最后通過光纖或其他有線通信網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程至智慧運(yùn)維管理中心平臺(tái)[5]。

3 智慧塔桅監(jiān)測預(yù)警

平臺(tái)以MEAN為Web開發(fā)框架，部署在私有服務(wù)器中，自動(dòng)對塔桅現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行接收存儲(chǔ)、清洗分級、分析判別、可視化圖表展示和實(shí)時(shí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)從傳統(tǒng)手工管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒芾砟Ｊ剑瑯O大地提高塔桅監(jiān)測信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析與風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)及災(zāi)害預(yù)警能力[6]。平臺(tái)各模塊的功能分布如圖1所示。

如圖1所示，平臺(tái)由數(shù)據(jù)采控模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)模塊及成果展現(xiàn)模塊構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)采控模塊提供塔桅現(xiàn)場區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)的在線接收、監(jiān)測設(shè)備管理、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等服務(wù)。數(shù)據(jù)管理模塊提供塔桅現(xiàn)場區(qū)域監(jiān)測項(xiàng)目管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)接入、監(jiān)測數(shù)據(jù)清洗及監(jiān)測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的“集中存儲(chǔ)，統(tǒng)一管理，分級調(diào)用”等服務(wù)。風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)模塊采用計(jì)算機(jī)在線自動(dòng)分析模式，繪制各類監(jiān)測曲線并開展關(guān)聯(lián)性分析，基于塔體傾斜/振動(dòng)閾值判據(jù)、混凝土基座傾斜變形速率判據(jù)，綜合開展隱患區(qū)精準(zhǔn)判識(shí)與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測預(yù)警。最后的成果展現(xiàn)模塊提供監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果的信息發(fā)布、報(bào)表報(bào)告統(tǒng)計(jì)預(yù)覽等服務(wù)。

圖1 平臺(tái)功能

4 監(jiān)測分析方法與數(shù)據(jù)

平臺(tái)通過多元監(jiān)測數(shù)據(jù)的同化融合與時(shí)空關(guān)聯(lián)特征的深度挖掘，提供塔桅損壞傾倒風(fēng)險(xiǎn)評估與險(xiǎn)情預(yù)警。監(jiān)測采集的內(nèi)容主要包括如下4點(diǎn)。

（1）模態(tài)參數(shù)提取與主材損傷識(shí)別，采用模態(tài)識(shí)別技術(shù)，從風(fēng)載激勵(lì)作用下的塔桅加速度振動(dòng)信號中在線提取固有頻率、阻尼比等模態(tài)參數(shù)。利用模態(tài)參數(shù)變化，結(jié)合塔桅有限元模型，在線識(shí)別塔桅承載性能弱化隱患風(fēng)險(xiǎn)。

（2）變形曲線分析與趨勢預(yù)測，采用時(shí)間序列分析與深度學(xué)習(xí)融合模型，將塔桅空間姿態(tài)時(shí)序靜力監(jiān)測數(shù)據(jù)分解為趨勢項(xiàng)和周期項(xiàng)，利用移動(dòng)平均法（MA）預(yù)測趨勢項(xiàng)，利用長短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）預(yù)測周期項(xiàng)，在線提供塔桅塔桅失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)智能化預(yù)測。

（3）旬-月-年監(jiān)測報(bào)告編制模塊，按照定制格式，在線自動(dòng)生成塔桅空間姿態(tài)（傾斜、沉降）監(jiān)測數(shù)據(jù)表和塔桅振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)表，在線生成塔桅運(yùn)行狀況旬報(bào)、月報(bào)、年報(bào)及定期性報(bào)告。

（4）風(fēng)險(xiǎn)評估與險(xiǎn)情預(yù)警模塊，基于主材損傷狀態(tài)及塔桅空間姿態(tài)發(fā)展趨勢，進(jìn)行險(xiǎn)情風(fēng)險(xiǎn)綜合評估。評估結(jié)果超過閾值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警服務(wù)。

5 結(jié) 語

采用現(xiàn)代信息技術(shù)，臺(tái)站管理和運(yùn)維人員借助移動(dòng)客戶端，通過安全通信網(wǎng)絡(luò)，即時(shí)接入智慧運(yùn)維管理平臺(tái)，遠(yuǎn)程查詢登錄權(quán)限范圍內(nèi)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)曲線圖表信息、下載監(jiān)測報(bào)告，實(shí)時(shí)接收平臺(tái)推送的險(xiǎn)情信息，從而實(shí)現(xiàn)對塔桅運(yùn)行環(huán)境到塔桅結(jié)構(gòu)健康程度的自動(dòng)監(jiān)測、自動(dòng)判別和主動(dòng)管理，確保廣播電視發(fā)射塔運(yùn)行狀態(tài)萬無一失，已成為智慧廣電智慧發(fā)射臺(tái)技術(shù)進(jìn)步的必然趨勢。