基于北斗定位技術(shù)的桿塔傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張海斌

（晉能控裝備制造集團(tuán)有限公司供電分公司 山西 大同 037003）

關(guān)鍵字：北斗定位；桿塔沉降；傾斜監(jiān)測；攝像頭

0 引言

由于煤礦開采，出現(xiàn)很多采空塌陷區(qū)，而輸電線路地處野外，受外界環(huán)境影響巨大，特別是輸電線路桿塔受采空塌陷影響非常嚴(yán)重，國內(nèi)曾發(fā)生過由于地基沉降引起的桿塔傾斜，扭曲變形，主材撕裂等事故，嚴(yán)重影響了輸電線路的安全運(yùn)行。長平礦蘆家峪風(fēng)井和成莊礦矸井附近沉陷較為嚴(yán)重，嚴(yán)重影響煤礦供電安全，在傳統(tǒng)的監(jiān)測方法中，例如使用經(jīng)緯儀、全站儀、水平管等，組織人員定期測量桿塔情況不失為有效的辦法，但是確實(shí)缺乏了實(shí)時(shí)性。

隨著北斗精確定位技術(shù)的發(fā)展，基于智能電網(wǎng)的建設(shè)以及市場需求，設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)［1］，高精度傾角傳感器對(duì)桿塔橫向縱向傾斜度傾斜角進(jìn)行角度測量，北斗模塊可以實(shí)現(xiàn)沉降位移的精密測量，同時(shí)聯(lián)動(dòng)高清攝像頭對(duì)現(xiàn)場情況進(jìn)行抓拍圖像，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，運(yùn)維人員即可在電腦、手機(jī)訪問傾斜數(shù)據(jù)。為保證電力電路的安全運(yùn)行，提供了有效的幫助。

1 系統(tǒng)組成及原理

本項(xiàng)目主要涉及圖像壓縮領(lǐng)域、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信傳輸領(lǐng)域、傳感探測和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域、電子供電技術(shù)領(lǐng)域等；擬解決的高壓輸電線路圖像監(jiān)控技術(shù)、4G無線公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、北斗衛(wèi)星測量技術(shù)、傳感器探測技術(shù)、太陽能及蓄電池供電技術(shù)、信號(hào)處理及診斷技術(shù)、報(bào)警閥值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用系統(tǒng)及業(yè)務(wù)模塊管理技術(shù)、系統(tǒng)在高磁高壓下抗干擾技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題。

系統(tǒng)由三大部分組成，分別是：北斗沉降監(jiān)測系統(tǒng)、桿塔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)、圖像監(jiān)測系統(tǒng)。前端裝置采集各項(xiàng)地質(zhì)沉降位移數(shù)據(jù)、傾角數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后，通過4G 無線傳輸?shù)姆绞絺髦帘O(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由前端系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、后臺(tái)系統(tǒng)等三級(jí)網(wǎng)絡(luò)組成，前端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像采集、沉降位移采集、傾斜采集等功能，最后將前端各類信息，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)4G 遠(yuǎn)傳至后端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、客戶端監(jiān)控、移動(dòng)端監(jiān)控等功能。

本系統(tǒng)沉降傳感器精度可達(dá)毫米級(jí)，沉降傳感器報(bào)警值可設(shè)置，測量誤差應(yīng)小于±5 cm；傾角傳感器精度為1°，傾角報(bào)警值為±5°（可設(shè)置）。

具體原理為，前端系統(tǒng)通過北斗通信實(shí)時(shí)采集桿塔沉降位移數(shù)據(jù)，通過傾角傳感器采集角度數(shù)據(jù)，當(dāng)所采集的位移量和傾角量大于報(bào)警閥值時(shí)，聯(lián)動(dòng)圖像采集，然后把圖像及沉降位移、傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化壓縮編碼，最后利用4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將圖片及現(xiàn)場數(shù)據(jù)以IP 包的方式發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和監(jiān)控客戶端分別是裝有遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)端軟件和客戶端軟件的PC機(jī)，客戶端主動(dòng)通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)來瀏覽監(jiān)控圖像和設(shè)置監(jiān)控參數(shù)。

監(jiān)控中心通過圖像及數(shù)據(jù)監(jiān)控客戶端實(shí)時(shí)瀏覽觀測各監(jiān)控點(diǎn)的現(xiàn)場情況，維護(hù)監(jiān)控人員通過從現(xiàn)場發(fā)送來的桿塔沉降位移、傾角、圖片等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，如出現(xiàn)異常的預(yù)警信息，即立刻做出相應(yīng)的應(yīng)急處理，以確保高壓線路的安全運(yùn)行。

2 北斗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用北斗高精度定位技術(shù)對(duì)輸電桿塔進(jìn)行定位。該項(xiàng)技術(shù)是基于北斗相對(duì)定位原理。北斗相對(duì)定位原理：在一條或多條基線的兩端分別安裝兩臺(tái)（或多臺(tái)）接收機(jī)，接收機(jī)用于同時(shí)觀測同一個(gè)北斗衛(wèi)星，通過北斗衛(wèi)星確定基線的相對(duì)位置。并且在定位時(shí)對(duì)觀測量求差提高極限精度，以便消除接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差及削弱電離層和對(duì)流層折射帶來的影響，抵消整周模糊度參數(shù)等，使基線精度提高，如圖2所示［2］。

圖2 北斗定位原理框圖

在需要定位的鐵塔上布置北斗監(jiān)測天線，結(jié)合國家北斗地基增強(qiáng)站的數(shù)據(jù)，然后通過加密的通信傳輸網(wǎng)絡(luò)把解算所需要的載波相位數(shù)據(jù)、星歷等數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心獲得每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和基站的在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過北斗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理對(duì)基站、定位點(diǎn)的距離進(jìn)行計(jì)算，獲取鐵塔實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)位置。同時(shí)將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，最終通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到后臺(tái)系統(tǒng)。

3 傾斜子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本子系統(tǒng)由監(jiān)測主機(jī)、供電系統(tǒng)、桿塔傾角傳感器組成。工作原理如下，監(jiān)測主機(jī)收集傳感器桿塔傾斜數(shù)據(jù)，監(jiān)測主機(jī)對(duì)傳感器的采集方式為RS485，供電方式可以是鋰電池或者太陽能取電，然后分析處理后，通過RS485傳至監(jiān)測主機(jī)，最后將數(shù)據(jù)通過4G發(fā)送到后端系統(tǒng)［3］。模塊組成如下圖3所示。

圖3 桿塔傾斜監(jiān)測模塊工作流程圖

對(duì)于無人堅(jiān)守的鐵塔，當(dāng)發(fā)生傾斜、沉落和偏移時(shí)，無法第一時(shí)間通知管理人員派遣維修人員在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。所以獲得輸電鐵塔的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)非常重要。但輸電鐵塔大部分都在野外，利用傳統(tǒng)的人工巡線方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力還不能第一時(shí)間獲取數(shù)據(jù)。

4 圖像監(jiān)測子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖像監(jiān)測系統(tǒng)，具體智能圖像識(shí)別功能，主要針對(duì)輸電線路的防外破塔基、惡劣的冰災(zāi)天氣、施工現(xiàn)場塔吊、車輛穿越架空線路等監(jiān)控而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。可以有效監(jiān)視外力破壞和影響，如塔吊、超高建筑（小于安全距離）等；在嚴(yán)酷天氣等特殊情況下，代替人工巡視對(duì)輸電線路進(jìn)行巡檢；可以監(jiān)視林區(qū)高樹成長對(duì)高壓輸變電線路的威脅；最終將安全事故扼殺于搖籃中。

具體原理為，采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，前端系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)采集與異常識(shí)別，當(dāng)觸發(fā)告警時(shí)，主機(jī)聯(lián)動(dòng)圖像拍照，主機(jī)然后把圖像及外力破壞數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化壓縮編碼，最后通過4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸模塊可以把現(xiàn)場的數(shù)據(jù)及圖片等信息發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器。作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、監(jiān)控客戶端，均裝有遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)端軟件、客戶端軟件，均處于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)遠(yuǎn)程圖像、數(shù)據(jù)采集器無固定的IP地址時(shí)，客戶端通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)去主動(dòng)瀏覽鐵塔圖像和設(shè)置參數(shù)［4］。

5 后臺(tái)管理平臺(tái)

后端平臺(tái)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備、中心處理器等。控制中心的所有設(shè)計(jì)開發(fā)主要是在Windows 操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上集中利用軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)［5］。后端平臺(tái)子系統(tǒng)組成圖如圖4所示。

圖4 后端平臺(tái)子系統(tǒng)組成圖

在本次設(shè)計(jì)中核心是數(shù)據(jù)處理技術(shù)、建模處理。其中包括數(shù)據(jù)建模管理平臺(tái)、智能管理操作平臺(tái)、報(bào)警管理操作平臺(tái)等。

隨著微信應(yīng)用的普及，以前在PC 機(jī)上實(shí)現(xiàn)的功能，基本都要求在微信上實(shí)現(xiàn)，對(duì)通道可視化監(jiān)控系統(tǒng)，要求在微信上實(shí)現(xiàn)對(duì)前端設(shè)備的控制，如控制終端進(jìn)行沉降位移數(shù)據(jù)、傾角數(shù)據(jù)管理，圖像抓取等功能。

功能定義如下：

（1）圖文消息推送：將設(shè)備定時(shí)抓拍和手動(dòng)抓拍的圖片推送至微信客戶端；

（2）設(shè)備管理：狀態(tài)查詢、遠(yuǎn)程抓拍、綜合數(shù)據(jù)管理、圖片瀏覽、設(shè)備定位、抓拍時(shí)間表設(shè)置，小視頻錄制時(shí)間表設(shè)置等功能；

（3）綜合數(shù)據(jù)展示：沉降位移數(shù)據(jù)、傾角數(shù)據(jù)等狀態(tài)數(shù)據(jù)；

（4）報(bào)警管理：報(bào)警統(tǒng)計(jì)、報(bào)警等級(jí)設(shè)置；

（5）權(quán)限管理：添加、修改、刪除微信用戶信息，并給微信用戶綁定設(shè)備資源（平臺(tái)上的功能）；

（6）圖片推送，可以定時(shí)或者手動(dòng)抓拍圖片(間隔時(shí)間＜60 s,時(shí)間可設(shè)置)

6 應(yīng)用情況及效果分析

（1）應(yīng)用情況

在供電公司安裝一套北斗基準(zhǔn)設(shè)備，同時(shí)進(jìn)行了兩套現(xiàn)場設(shè)備的試驗(yàn)，分別安裝于長平礦蘆家峪風(fēng)井和成莊礦矸井附近沉陷較為嚴(yán)重的桿塔上，安裝完成后，經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證本系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)可靠，傳輸準(zhǔn)確。可實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔塔身傾斜傾角、每個(gè)桿塔塔角的沉降情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)可對(duì)每個(gè)桿塔塔角、前后線路等位置進(jìn)行定時(shí)圖片拍攝，在發(fā)生傾斜或沉降時(shí)會(huì)短信通知到巡線人員，實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)程智能巡線”，減少了人工巡檢次數(shù)，提高了工作效率。本系統(tǒng)自從2020年4月份安裝以來，到現(xiàn)在運(yùn)行良好。

（2）應(yīng)用效果分析

設(shè)備在現(xiàn)場安裝之前，在地面做了沉降試驗(yàn)，事先先把在地面時(shí)數(shù)據(jù)歸零，圖5 為天線在地面測得的數(shù)據(jù)，實(shí)際誤差不超過2.1 mm，圖6為天線在地面上抬高了17.5 cm，實(shí)際系統(tǒng)里三次的數(shù)據(jù)均在2 cm 誤差之內(nèi)，圖7 為天線在地面提高了14.2 cm，實(shí)際系統(tǒng)里采集到的數(shù)據(jù)均在3 cm之內(nèi)，可見沉降測量較為準(zhǔn)確。

圖5 流動(dòng)站設(shè)備在地面測試和系統(tǒng)對(duì)比圖

圖6 流動(dòng)站設(shè)備在地面測試和系統(tǒng)對(duì)比圖

圖7 流動(dòng)站設(shè)備在地面測試和系統(tǒng)對(duì)比

圖8為本系統(tǒng)在成莊矸井附近的桿塔線路上安裝后的使用效果圖，從圖中我們可以看到，該監(jiān)測點(diǎn)自從8月5號(hào)左右開始有了明顯的沉降，沉降幅度為1.5 cm左右。從數(shù)據(jù)浮動(dòng)程度來看，本系統(tǒng)測量誤差為±2 cm，符合本項(xiàng)目對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)的要求。

圖8 本系統(tǒng)安裝后使用效果

圖9和圖10為本系統(tǒng)在長平蘆家峪附近的曲蘆線上安裝后的使用效果圖，從圖中我們可以看到，本監(jiān)測點(diǎn)從5 月份到9 月份基本沒發(fā)生沉降。表1 為通過人工測量的蘆家峪曲蘆線138號(hào)測量數(shù)據(jù)。從監(jiān)測曲線和測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，兩者幾乎沒有大區(qū)別，本系統(tǒng)測量較為準(zhǔn)確。

圖9 本系統(tǒng)安裝后使用效果圖

表1 蘆家峪曲蘆線138號(hào)測量數(shù)據(jù)