铁路通信铁塔监测系统信息采集技术研究
蹇峡
摘? 要：随着铁路通信铁塔监测系统的逐步应用，监测信息采集技术的发展日新月异。该文介绍了通信铁塔监测的多种信息采集技术，包括传感器采集技术、基于物联网的监测技术、基于北斗高精度定位的监测技术、射频雷达技术、三维激光扫描技术、惯性导航技术、视频图像分析技术等，结合各自的应用特点，分析对比了不同技术的优势和应用场景。研究结果为铁路通信铁塔监测系统信息采集技术的选择提供了参考依据。
关键词：铁塔监测;信息采集;物联网
中图分类号：TK83? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 概述
随着我国铁路建设的快速发展，铁路无线通信已经由无线列调系统过渡到GSM-R数字移动通信系统。铁路通信铁塔伴随着通信基站的建设越来越多，由于铁路移动通信系统的带状覆盖原则，通信铁塔与铁路线的距离通常都比较近，架设高度基本在25 m～50 m，所以在遇到恶劣天气、人为破坏等极端情况时，很有可能造成通信铁塔倾斜甚至倒塌，严重影响铁路正常运营，威胁周边人群、设施和行车安全。铁路通信铁塔的维护大多是采用人工巡检的方式进行，一方面浪费大量的人力物力，且站点偏远、成本较高。另一方面无法进行随时监测，没法解决紧急、特殊情况下的安全隐患。因此铁塔状态实时监测显得尤为必要。
目前的铁塔监测系统主要应用于电力铁塔、气象监测铁塔、边防监控铁塔、通信铁塔等建筑上。为加强铁路通信铁塔安全管理，规范铁路通信铁塔维护作业，中国铁路总公司先后发布了《铁路通信铁塔管理办法（TG/TX205-2014）》（铁总运[2014]270号）和《铁路通信铁塔监测系统技术条件（TJ/DW144-2017）》（铁总运[2017]23号）等文件，要求积极采用铁塔监测系统等技术手段对通信铁塔的稳定性、垂直度进行监测和安全预警，全面提升铁塔的安全管控能力，降低通信铁塔可能产生危及人员设施和行车安全的隐患。同时发布《高速铁路“强基达标、提质增效”工程各系统标准》（铁总运[2017]115号），要求对单管塔和位于易发生泥石流、洪水等特殊地段的铁塔装设铁塔监测装置，通过技防手段确保铁路通信铁塔安全。
1 铁塔监测系统架构
根据《铁路通信铁塔监测系统技术条件》的规定，铁塔监测系统的基本架构包括采集单元、监测单元、监测中心和监测终端等。采集单元一般安装在塔身上，实现铁塔状态参数、环境参数的采集功能，包括铁塔水平位移、垂直度和基础沉降、天线俯仰角、风速风向等参数。监测单元一般安装在基站或直放站机房内。传感器将采集到的数据通过有线或无线的方式发送给监测单元，监测单元可以对收集到的数据进行分析处理，将分析后的数据通过有线或无线通道传输到监测中心。监测中心对监测数据进行分析整理、存储、处理和输出，最后由监测终端展示给运营维护人员。铁塔监测系统基本构成如图1所示。
铁路通信铁塔的结构主要包括钢塔桅结构的钢管塔、角钢塔、拉线塔等，形式主要有四柱钢管塔、三柱钢管塔和独管塔。虽然铁路通信铁塔监测系统已发展了数年时间，也建立了相应的管理办法和技术条件，但随着新兴技术的快速发展，铁塔监测技术的发展也是日新月异的，从前端监测信息的采集、信息的传输，到数据的分析整理、告警显示等，在不同的应用环境下，各种新技术各显神通。
2 铁塔监测信息采集技术
监测信息采集部分是铁塔监测系统的基础，采集的信息包括铁塔水平位移、垂直度、铁塔基础的沉降变化、天线俯仰角、监测点风速风向等信息。信息采集的技术包括传感器采集技术、基于物联网的监测技术、基于北斗高精度定位的监测技术、射频雷达技术、三维激光扫描技术、惯性导航技术、视频图像分析技术等，各种技术各具特点，都有比较适宜的应用场景。
2.1 传感器采集技术
传感器采集技术是一种传统监测技术，广泛应用于各种监测场景中。铁塔监测的传感器主要包括位移、振动、沉降和气象传感器等。位移传感器设置在铁塔顶部，监测铁塔的垂直度及水平位移状态。振动传感器设于塔身，监测铁塔的紧固件、连接件等，并且监测塔体的振动或外因引起的振动频率的改变。沉降传感器在塔基施工时预埋到基础四角，通过对塔基四角的状态对比，监测铁塔的沉降和平衡状态。气象传感器设置在塔顶，实时监测铁塔的环境信息，结合铁塔位移变化、振动、沉降等信息，综合起来对铁塔的状态进行分析，形成维护部门的基础信息。铁塔监测传感器多采用有源传感器、电池或太阳能供电或者电缆供电的方式。由于监测信息传输间隔可控、数据量小、速率低、对时延不敏感，传感器功耗可以做到非常小，结合监测信息的无线传输方式，采用电池供电的传感器使用寿命可达10年。
此外，基于光纤光栅传感器的监测技术应用也越来越多。可以将光纤光栅应力传感器安装在塔身上，测量固定点处的应力值，通过光传感器与光纤光栅波长解调仪连接起来，实现两者之间的光信号传输。由于光纤光栅传感器属于无源设备，测量精度高、抗干扰能力强，非常适合在高温、高湿和恶劣电磁环境等场合下长期使用。
2.2 基于物联网的监测技术
新兴的物联网技术是一种低功耗广域连接的通信技术，具有灵活性和开放性的特点，随着技术的成熟与发展，基于物联网模式下的工程变形监测和灾害监测的应用越来越广泛。物联网的技术架构主要包括感知层、网络层和应用层。在铁塔监测的应用中，感知层可采用带电源模块的传感器，完成铁塔监测的各种数据采集和发送等功能。网络层完成监测数据的傳送，将接收到的数据存储到数据库。应用层实时监控监测结果，分析数据库中的数据变化，及时生成预警和报警反馈。
无线射频识别技术（RFID）也是物联网监测技术的一种应用。由于RFID标签包括了电子存储的信息，数十米之内都可识别，而且射频标签不需要处在识别器视线之内，可嵌入物体内，能满足铁塔监测的基本应用。根据需要在塔顶和塔身等处安装RFID标签进行定位，得到测算空间坐标，跟标签在安全状态下的坐标比对，从而判断铁塔的状态信息。安装的每个标签发射频率不同的超高频信号，接收处设置多个接收装置接收信号。由于相同频率信号到不同接收点的相位是不同的，根据接收点间的载波相位差，计算标签的当前坐标，将当前坐标与已知坐标进行对比，分析铁塔水平位移、垂直度和基础沉降情况。
2.3 基于北斗高精度定位的监测技术
随着北斗卫星导航系统的不断建设与完善，北斗高精度应用的领域越加广泛。高精度监测应用在视线开阔的良好环境下，可稳定的接收5颗以上的卫星信号，静态相对定位精度达到毫米级，同时系统具有天然的安全性，测量稳定可靠。但北斗系统在复杂环境下，容易受到环境的影响，导致接收信号变弱，存在测量不稳定的情况。
采用差分技术可有效提高北斗系统的定位精度，通过最小二乘及扩展卡尔曼滤波算法建立定位模型，可使定位精度水平达到3 ms。以北斗高精度相位差分定位技术为基础，在稳定可靠位置设基准差分站，在铁塔上设置一体化测量天线监测铁塔实时位置，结合北斗差分站提供的定位信息，实时分析误差，解算天线精确位置。监测终端根据高精度定位坐标计算测量天线实时位移、铁塔倾斜角和垂直度等。
2.4 射频雷达技术
铁塔监测时需将各种传感器或监测天线等安装在铁塔上，必定会对铁塔结构、承重造成影响，线缆的布设还会为后期运营维护增加困难。因此，由于射频雷达技术不与被监测物体直接接触、监测精度高、运营维护便利，逐步应用在各种监测场合中。
射频雷达监测采集单元是系统的核心监测设备，可安装在铁塔附近的机房或机箱上。监测采集单元通过阵列天线对被测物体发射监测波束，监测设备实时接收被测物体各部位的反射信息，并进行信号处理，得到被测物体的形变、位移和速度等数据，测量精度可以达到毫米级。监测数据传输至监测管理单元，管理单元可以管理和控制单台或多台监测采集单元，并实现监测数据的上报。
2.5 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是从单点测量进化到面测量的革命性技术突破，已广泛应用在土木工程、室内设计、建筑监测、灾害评估、交通事故处理等多个领域中。这种监测方式首先要进行点云数据预处理，利用专业软件进行点云配准、降噪和精简处理，为后续的特征部位点云数据提取和变形分析做好准备。使用三维激光扫描仪对通信铁塔进行扫描，对铁塔结构顶部、中部、底部特征进行圆柱拟合，从而获取铁塔中心坐标，再分别提取各关键部位的点云数据，利用特征拟合获取几何参数，从而计算铁塔上、中、下端中心到铁塔轴线的偏差距离，分析铁塔在各个方向上的偏移值和铁塔倾斜度。
2.6 惯性导航技术
惯性导航技术主要由陀螺仪、加速度计作为其惯性敏感测量元件，以基准参考方向和初始位置作为初始参数，对惯性系统建立物理平台或数字计算平台，运用基本数学原理，在初始位置的基础上推断出下一时刻被测物体的运动状态信息。由于这种技术的工作环境不受外界环境影响，可独立进行实时监测，已广泛应用于大型建筑的形变监测预警中。对于通信铁塔而言，当铁塔产生运动状态时，铁塔与地理坐标系产生相对变化，安装在铁塔上的惯性导航元件所测量的数据经过相应算法计算，得出的数据为相对铁塔坐标系的姿态信息。利用地理坐标系和相对铁塔坐标系及铁塔姿态信息，在针对惯导系统数学模型修正计算的基础上，计算出铁塔精确的水平位移和垂直度变化。
2.7 视频图像分析技术
随着铁路视频监控系统的应用越来越多，视频摄像机的数量大幅增加，视频图像分析的需求也越来越广，主要用于重点区域内的人员监控、车辆及贵重物品监控、安防监控等场合。高速铁路沿线已基本实现高清视频全覆盖，为铁路视频智能分析应用奠定了良好的基础。目前很多研究机构在智能视频分析上投入的研究力量和资金越来越多，视频图像分析算法的更新迭代越来越快，但由于视频图像本身的复杂性，实际环境中的光照变化、目标运动复杂性、遮挡、目标与背景变换等都会大大增加视频分析的难度。目标识别及跟踪技术作为视频分析技术的门槛应用，各种新兴分析技术都将利用该技术成果作为支撑，因此随着识别和跟踪技术更为深入的研究，优化改进了分析算法，提升了算法的鲁棒性，使其对环境的适应力变得越来越强，基于高精度视频图像分析的监测技术也将应用在铁塔监测中。
3 不同监测信息采集技术的对比分析
由于不同监测技术各有特点，布设位置、监测内容、测量精度、监测信息传输方式、抗干扰能力、维护性、建设成本、适用场景等均有差异，在选择监测技术时，必须考虑铁塔所处的具体环境、无线资源条件、卫星信號强弱、工程造价高低及维护便利性等多个因素，经过综合比较分析后，选择适合铁塔监测维护的技术方式。详细对比见表1。
4 结语
在铁路通信铁塔的大规模建设时期，特别是在地质灾害频发、维护环境恶劣的地区，为及时消除铁塔安全隐患，避免出现倾斜、倒塌等危险事故，积累地基沉降及铁塔维护等基础数据，非常有必要建设通信铁塔监测系统。
由于通信铁塔的位移、形变及地基沉降是一个从渐变到突变的发展过程，必须依靠精密的监测手段和适宜的技术方式进行长期连续监测。随着大数据、云计算、移动互联网等新兴技术在铁路各领域的全面深化和拓展应用，多种多样的监测技术都有可能应用在铁塔监测上。铁塔监测后形成的大数据实时反映了铁塔所在区域的地基状况，不仅有助于保障运输安全和提高运输效率，为运营维护提供了科学依据，而且还为周边项目的设计施工提供了可靠资料，提前规避风险，降低可能发生的灾害损失。
参考文献
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