铁路通信铁塔安全监测系统总体技术方案.docx

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铁路通信铁塔安全监测系统总体技术方案

编号：

密级：

铁路通信铁塔安全监测系统

总体技术方案

编写：

审核：

批准：

铁道部通信中心

建立日期：

2011年10月31日

1.总则

近年来，随着铁路无线通信技术的飞速发展，GSM-R通信铁塔越来越多的应用于铁路通信。

然而，地壳运动、恶劣气候、老化氧化、潜在的人为偷盗破坏等因素，都会给铁塔带来一定的安全隐患，甚至导致铁塔倾斜、倒塌等。

目前，传统的铁路通信铁塔维护主要靠定期巡检、人为观测，这些是非常必要的安全防护手段。

但上述手段存在一定的主观性，某些参数人工实测困难，并且不容易及时发现问题，无法满足铁塔实时监测的需求。

为了消除铁塔安全隐患，避免出现倾斜、倒塌等危及行车安全的事件发生，需要采用先进的技术设备对铁塔进行实时的安全监测，为铁塔的集中整治、中修、大修提供基础参考数据。

2.系统功能

铁塔安全监测系统采用成熟的信号采集、控制、网络通信等技术，结合一流的传感技术、智能视频分析技术，对铁塔运行健康状况以及危及铁塔安全的各类自然灾害和人为破坏进行实时监测、并及时预警和告警。

系统的主要功能包括以下几部分。

2.1数据采集与测量

系统采集单元应能自动周期性地采集被监测铁塔的运行状态，进行处理、存储和上报。

并且可随时接收并响应监测中心的查询命令，通过监测模块对相应监测指标进行查询和向监测中心传送。

系统的监测指标包括下面几种。

2.1.1铁塔倾斜监测

系统应能监测到铁塔的倾斜度变化，根据铁路通信工程验收规范，考虑风荷载等外力的作用下，当铁塔的倾斜度超过预设门限值时，系统应产生告警信号。

2.1.2防盗告警监测

2.1.2.1视频周界防护

系统应能通过在铁塔上部署的高清夜视摄像机、前端视频分析仪等设备，实现对铁塔周界重点区域的安全布控，实时监测并分析侵入铁塔限界的物体对通信铁塔安全所产生的影响。

视频监控应具有联动功能，当有倾斜度、路基沉降、防盗等告警发生时，启动视频监控并进行预定时长的录像，同时视频信息自动传送到监控中心。

2.1.2.2光纤周界防护（可选）

系统应能通过铁塔防护区域周边铺设的光纤传感器实现对铁塔周界重点区域的安全布控，实时监测并分析侵入铁塔限界的物体对通信铁塔安全所产生的影响。

2.1.3塔基沉降监测

系统应能监测到铁塔塔基的不均匀沉降，当不均匀沉降值超过预设门限值时，系统应产生告警信号。

2.2实时告警和预警

系统采取分级告警的方式，及时在监测中心维护管理终端上发出分级告警信号，具有多地点、多事件的并发告警功能。

系统可以在维护终端界面固定区域明显标示出告警信息，采用声光告警的形式，提示值班人员，并自动产生派工单。

系统可以根据铁塔的运行情况及相关监测数据，综合历史监测数据，分析出铁塔的健康状态并准确的判断对铁路运营的影响及危害程度，为运用维护提供预警信息。

2.3查询统计分析

系统具有根据告警时间、告警地点、告警类型、告警等级等对历史数据进行多条件查询、统计分析的功能。

系统应能够按照单个铁塔、单条线路铁塔、某一路局铁塔及全路铁塔等多种组合方式生成监测数据的日、月、年统计报表和变化曲线。

2.4系统管理

系统管理功能包括配置管理、告警管理、性能管理和安全管理功能等内容。

2.4.1配置管理

监测系统应能方便地添加、删除监测对象，配置、修改监测对象的参数。

系统应提供配置数据的查询、统计手段，用户可对设备配置数据进行查询、统计、报表和打印。

2.4.2告警管理

告警管理提供对监测对象的故障告警信息进行集中监测和管理。

能够实现对告警数据的实时采集和集中监测，能准确定位故障。

2.4.2.1告警级别分类

a）紧急告警：

已经或即将危及铁塔及行车安全，应立即处理的告警；

b）重要告警：

可能影响铁塔及通信安全，需要安排时间处理的告警；

c）一般告警：

向维护人员提示的信息；

系统应提供告警级别设置功能，用户可灵活设置告警的级别。

2.4.2.2告警状态分类

a）新产生告警：

未确认、未清除的告警；

b）已确认告警：

未清除但已确认的告警；

c）未确认告警：

未被确认但已经清除的告警；

d）已清除告警：

已被确认并已经清除的告警。

2.4.2.3告警的确认

系统应提供告警确认功能，由用户对告警信息进行确认。

2.4.2.4告警过滤

系统应具有一般告警过滤功能，可根据需要设置告警显示和提示的过滤条件，只有符合条件的告警信息才显示/提示给用户。

2.4.3运用维护管理

运用维护管理功能包括用户及权限管理、系统日志管理等。

用户管理：

系统具有用户管理功能和用户组管理功能。

用户管理功能包括对用户信息的增加、删除、修改和查询。

用户组管理功能包括对用户组信息的增加、删除、修改和查询。

用户管理功能和用户组管理功能只能由授权的用户实施。

权限管理：

系统应具有车间、通信段、路局等多级权限管理功能。

管理员具有对系统操作和控制的所有权限，为最高级权限。

操作员只能进行普通的信息查看、告警确认、报表生成等操作。

重要的参数和系统配置参数的修改必须使用安全密码才能进行。

系统日志管理，包括系统访问日志和系统操作日志。

系统访问日志包括用户名称、登录终端标识、登录时间和退出时间等。

系统操作日志包括实施操作的用户名称、操作时间、操作对象、操作结果等。

3.系统构成

铁塔安全监测系统应采用分层和模块化的设计方式，由传感层、监测单元、监控中心和维护终端组成，如图1示。

系统具有车间、通信段、路局等多级管理模式，通过设置不同的权限进行分级管理。

图1：

铁塔安全监测系统体系层次示意图

3.1传感层

传感层负责获取铁塔安全监测数据，如倾斜度、振动频率、风速风向、温湿度、视频围界告警信息、塔基沉降等数据，如图2所示。

图2：

铁塔安全防护采集传感层设备

3.1.1.倾斜振动监测

铁塔倾斜振动监测设备主要由倾斜传感器、振动传感器等组件组成。

3.1.2.气象监测

气象监测系统主要由风速风向计、温湿度传感器等组件组成，用来实时监测铁塔现场的气象信息，并结合铁塔的倾斜角度和振动幅度，通过告警分析数学模型进行当前的告警状态分析。

3.1.3.塔基沉降监测

塔基沉降监测系统主要由压力传感器和沉降采集处理机组成，用来实时监测铁塔的塔基沉降状态及平衡状态。

3.1.4.视频防盗监测

铁塔防盗报警监测系统主要由高清夜视摄像机、视频分析仪等组成，可监视到铁塔所在位置的现场情况，实现对铁塔周界重点区域的安全布控。

实时监测并分析侵入铁塔限界的物体对通信铁塔工作所产生的影响。

3.1.5.其它

其他现场设备包括通信模块（Zigbee、GPRS等）、语音驱赶设备、太阳能板、蓄电池等，满足现场设备在不同环境及应用线路对无线通信、供电、及语音广播等功能的需求。

3.2监测单元

监测测单元汇聚收集前端各类铁塔安全监测数据，并进行数据预处理，由协议转换模块完成前端多种协议数据的标准化工作。

经过格式化后的标准协议数据通过传输数据通道上传到监测中心。

监测单元功能主要由铁塔监测采集处理主机实现。

采集机硬件应采用模块化结构设计，同一采集单元能同时接入多个不同类型监测设备，完成风速风向、温湿度、倾斜度、振动频率及路基沉降等监测数据的采集、初步分析和预处理以及对铁塔防盗告警的实时状态监测。

现场采集单元具备自检和对监测铁塔状态的巡检功能，实现对铁塔安全隐患的诊断、定位及告警；同时，能够将故障信息上传至监测中心并接受监测中心的集中监测管理。

3.3监测中心

监测中心根据实际业务的需求，实现监测数据和告警数据的分析、存储和转发。

监测中心实现面向全路范围的铁塔安全监测管理，满足信息交换、资源共享、故障定位、性能分析等功能。

监测中心由数据库服务器、告警服务器、通信服务器、Web服务器、视频服务器等设备上的不同功能模块来实现，如图3所示。

监测中心对本辖区内各监测对象的告警等重要信息进行处理、存储、显示、输出，具备对各类信息按指定时段统计分析的功能，为维护管理人员提供监测告警、预警及铁塔安全状态等信息的查询显示和报表输出功能，并提供监测信息维护、系统运行参数配置、用户权限管理及系统日志管理等系统管理功能。

此外，监测中心具有自检和对监测设备、监测单元的故障进行监测以及将故障告警信息传送至维护终端的功能。

图3：

监测中心示意图

监测中心应与授时服务器保持时钟同步，并向各监测单元授时，同步监测

单元时钟。

监测中心应预留与上级管理部门管理信息系统的通信接口，用于传送铁塔安全状态的告警、预警等信息，并根据需要传送传感器监测信息报表。

监测中心预留与国家气象部门、地震部门等的通信接口，用于接收气象灾害和地质灾害的预报、预警信息。

3.4维护终端

维护终端宜采用易于部署及维护的B/S架构来实现。

维护终端以图形、视频、文本、声、光等方式，提供风速风向、温湿度、倾斜度、振动频率、塔基沉降、铁塔周界实时状态等监测信息，以及告警、预警信息和相应的工作预案，并具备信息查询和报表输出功能。

当某个基站的铁塔出现异常情况时，系统主界面通过对异常铁塔图标的警示渲染和语音播报向维护人员发出告警提示。

维护终端通过分布式总线平台与业务逻辑层之间进行通信，以消息模式实现各种模块信息的交互，实时的向维护人员呈现管辖范围内铁塔的监测数据和告警信息。

这样各层不仅相对独立，而且可以灵活的部署在不同的物理位置，有利于按照不同的维护管理需求进行系统的扩展和维护。

3.5监测数据通道

监测数据通道是监测数据和告警、预警信息在监测中心与监测单元之间数据传输的通道。

系统设计应充分考虑到既有线通信铁塔安全监测和新建线路通信铁塔安全监测施工条件的不同，传输方式分别采用无线组网方案和有线组网方案。

监测数据通信通道应利用铁路通信网，优先选用数字传输通道。

客运专线监测数据通信通道宜采用IP数据网或2M专线传输方式；其他铁路线路根据情况可以采用传输设备本身的辅助数据通道、GPRS等其他数据传输方式，也可混合组网。

3.5.1有线传输组网方式

铁塔安全监测系统宜利用铁路数据网或铁路专网传输通道（FE、2M）等方式

进行组网。

采用进行系统组网时，每个采集主机应具有一个IP地址，如图4所示。

图4：

数据网组网

采用铁路专网传输通道组网时，应分配相应的传输通道。

图5是一个利用2M环通道实现系统组网的示意图，每个2M环上的基站配置一台E1/FE转换设备远端机，每个2M环基站数量不超过30个。

监测中心配置E1/FE局端机，把2M通道转成以太网信令接入中心服务器。

图5：

2M环组网示意图

3.5.2无线传输组网方式

铁塔安全监测系统也可用无线方式实现组网。

无线传输方式，宜采用GSM/GPRS/3G等方式进行系统组网，如下图6所示。

通信铁塔上部署的前端采集处理主机配置有无线通信模块，通过无线方式把各类监测数据发送到铁塔安全监测中心（如公网服务器）。

维护人员使用连接在公网上的各类终端，通过安装在终端上的浏览器登录铁塔安全监测系统，实时获取被监测铁塔状况。

图6：

无线组网示意图

3.6系统配置要求

系统配置应根据监测地区气候环境及地理环境的不同，选择不同的监测项目，具体规定如表1所示。

表1铁塔监测项目配置要求

环境类别

监测项目

一般地区

倾斜、振动、风速风向

沿海及风力较大地区

倾斜、振动、风速风向

地质结构不稳定地区

倾斜、振动、风速风向、塔基沉降

气温较低地区

倾斜、振动、风速风向（温湿度）

特殊地区

倾斜、振动、风速风向、塔基沉降、防盗告警

无线列调铁塔

倾斜、风速风向

注：

特殊地区一般指交通枢纽、人口密集、地理复杂等地区。

4.系统技术要求

4.1一般要求

（1）监测系统不应影响被监测铁塔的正常工作；

（2）被监测铁塔无论处于何种工作状态，监测系统应能正常工作；

（3）监测系统应具备内部时间校正功能，并支持外部时间同步；

（4）监测系统硬件应能在安装现场给出的基础电源条件下不间断地工作；

（5）监测数据采集模块接口采用隔离设计，接口满足扩容的需要。

4.2采集精度要求

（1）倾斜度测量误差不应大于±0.1°；

（2）振动频率测量误差不应大于5%；

（3）振动幅度测量误差不应大于±5mm；

（4）塔基沉降测量误差不应大于±0.5mm；

（5）在风速范围为0～35米/秒时，风速测量误差不应大于±0.3米/秒；当风速范围为36～60米/秒时，风速测量误差不应大于±5%；

（6）风向测量误差不应大于±3°；

（7）温度测量误差不应大于1℃；

（8）在环境温度为25℃、湿度范围为30%RH～80%RH时，湿度测量误差不应大于5%RH；当湿度超出30%RH～80%RH时，湿度测量误差不应大于10%RH；

（9）监测数据显示一般应精确到小数点后2位。

4.3视频性能要求

（1）视频围界报警平均每天每通道漏报数应不大于0.01；

（2）视频围界报警平均每天每通道误报数应不大于0.1；

（3）监测站应具备一定的告警视频存储功能。

视频图像编码格式应采用H.264或MPEG4；

（4）监测中心存储告警时的录像信息，告警录像存储时间为30天，视频分辨率为CIF以上，帧率为25帧；

（5）系统应能通过对既有铁路视频监控系统扩容的方式实现铁塔防盗报警监测。

4.4传输及接口要求

（1）客运专线监测数据通道宜采用IP数据网或2M专线传输方式；

（2）其他铁路线路根据情况可以采用传输设备本身的辅助数据通道、GPRS等其他数据传输方式，也可混合组网；

（3）系统通信接口应遵循开放、标准的通信协议。

4.5告警要求

（1）系统应能直观、全面地显示出被监测铁塔的实时状态，收集故障告警信息；

（2）从设备告警发生到监测中心接收到告警信息的时间间隔不大于4秒（有线组网方式）；

（3）无论监测系统处于任何界面，均能自动提示、显示告警，并能查询出告警的详细情况，如表2所示；

表2告警记录字段说明

字段中文名称

说明

告警的序列号

告警信息的流水号

告警位置

告警发生的具体位置：

如哪个铁塔

告警类型

告警的类型。

告警级别

告警的级别。

告警内容

告警的具体内容。

告警触发值

告警发生时刻的监测点数值。

告警发生时间

告警发生时间

告警确认时间

告警被确认时间（如果被确认）

告警清除时间

告警被清除时间

告警确认者

告警确认人用户名（如果被确认）

告警状态

告警状态。

已清除告警为历史告警。

（4）系统告警门限可参考表3所示。

表3告警门限参考值

告警类型

一般告警门限

重要告警门限

紧急告警门限

倾斜度

≥2°或≤-2°

≥3°或≤-3°

≥5°或≤-5°

振动频率

偏离正常频率30%

偏离正常频率40%

偏离正常频率50%

风速

≥7级

≥8级

≥9级

不均匀沉降值

≥6毫米

≥10mm

≥15mm

4.6安全性要求

（1）系统硬件平均无故障时间（MTBF）大于40000h；

（2）系统硬件平均故障修复时间（MTTR）小于0.5h；

（3）硬件产品（不包括计算机和服务器）寿命不少于10年；

（4）系统软件不能因误操作而影响系统的正常运行；

（5）当系统软件局部功能模块发生故障时，不应影响其他模块的正常运行；

（6）系统应具有安全防范措施，对所有操作人员按其工作性质（系统管理员、操作管理员和一般操作人员等）赋予不同的操作权限，并有密码管理功能，保证系统及数据的安全；

（7）当传输网络中断时，系统应能通过前端监测单元内嵌的WebServer显示铁塔当前监测数据；

（8）监测系统应符合电磁兼容的有关规定和防雷接地的规范，任何监测点的接入不应破坏被监测铁塔的接地系统。

4.7扩展性要求

（1）构成监测系统的硬件采用模块化设计，具有较好的可扩充性；

（2）构成系统的硬件，应能通过增加部件来扩充系统的容量；

（3）监测系统软件应具有升级能力，软件修改宜以更换模块的方式进行；

（4）数据管理功能应满足近期需要，并为远期扩容留有余量；

（5）监测中心设备应选用标准化程度高、通用性好、安全可靠、维修扩容方便的计算机和有关的外围设备；

（6）监测中心可管理远端监测站数目不应小于350个；单系统监测能力不应小于100000个监测点。

4.8环境要求

（1）监测站工作温度：

-20℃～+60℃

（2）监测中心工作温度：

0℃～30℃

（3）相对湿度：

≤95%（非冷凝）

（4）海拔高度：

大气压力70kPa～110kPa

（5）室外设备防护等级：

IP66

（6）抗震要求：

设备在X、Y、Z三个方向承受振动频率100Hz、震动幅度1.5mm，30分钟后应能正常工作。

5.监测技术

铁路安全监测系统的主要监测项目包括：

铁塔倾斜振动监测子系统、铁塔防盗告警子系统、塔基沉降监测子系统，分别部署在铁塔顶端、中部和塔基处，形成铁塔安全监测的总体解决方案，如图7所示。

图7：

铁塔安全监测总体解决方案

对以上项目的监测主要采用以下技术。

5.1倾斜度监测

铁塔的倾斜度一般采用倾斜传感器进行测量，倾斜传感器宜安装于铁塔的塔顶位置。

图8是两款常用的不同测量精度的倾斜传感器。

图8：

高精度和普通倾斜传感器

倾斜传感器通过测量重力加速度变化，将其转换成倾角变化，从而得到传感器相对于水平面的倾斜或俯仰角度。

通常，倾斜传感器角度相应速度是可调的，内置抑制模式，依靠角度反映速度的差别，从而区分冲击振动和倾角变化。

系统可选择两类传感器：

普通倾角传感器和高精度倾角传感器，并采用“主-从”（Master-Slave,M-S）监测方式，实现铁塔倾斜监测结果的高精度校准。

在“M-S”监测方式中，通信铁塔的监测分为两种类型，M监测点和S监测点，如图9所示。

前者部署高精度倾斜传感器和普通精度传感器，后者部署普通倾斜传感器，系统通过对M监测点两种传感器的监测结果进行分析比较，计算出两种传感器之间的补偿系数，并通过传输通道向S监测点广播精度校准补偿系数。

S监测点利用普通倾斜传感器的测量结果和精度校准补偿系数，推导出高精度的测量结果，从而实现较高性价比的系统配置。

在获取了铁塔倾斜度后，根据倾斜传感器安装位置，就可计算出铁塔的近似垂直度和水平位移，实现对铁塔运行状态的多要素监测。

图9：

传感器高精度校准示意图

5.2振动监测

铁塔的振动一般采用振动传感器进行测量，振动传感器宜安装在铁塔的塔顶位置。

图10是一款常用的基于加速度的振动传感器。

图10：

振动传感器及其安装

振动传感器通过测量其内部的敏感元件受外力作用导致的变形量，利用相关电路将变形量转化为电量输出，进而得到对应的加速度信号，再通过加速度的测量实现高频振动的测量。

铁塔安全监测系统通过振动传感器对铁塔自振频率以及振动模态的进行监测，在融合时域与频域数据基础上，自动分析和模式识别铁塔异常形态，例如裹冰、关键构件丢失、塔基松动、非法攀爬和铁塔倾斜过大等。

5.3环境气象监测

铁塔的环境气象参数监测一般采用紧凑型免维护的多参数气象传感器，如图11所示。

气象传感器宜安装在铁塔的塔顶位置，可同时测量风速、风向、气压、温度、湿度等多种气象参数。

图11：

气象传感器

铁塔安全监测系统通过对铁塔附近的风速风向的监测，并根据监测数据建立分析模型，进行铁塔抗风能力的分析。

5.4塔基沉降监测

铁塔安全监测系统一般采用基于固态差压的沉降传感器对塔基沉降进行测量，沉降传感器宜预埋在铁塔的塔基四角位置（新建塔）或安装在底层横梁位置（既有塔）。

图12给出了一个既有塔沉降传感器安装示意图。

图12：

沉降传感器在既有塔安装示意图

基于固态差压的沉降传感器利用连通器原理，通过对液面高度差测量，实现参考点与被测点相对沉降观测，测量原理如下图13所示。

相关的参考点、测量点等传感器通过一个液体管道彼此相连，一个或部分传感器用作参考点，其它的传感器用于相对沉降测量。

设参考点与参考液面之间的高度差为Ho，观测点与参考液面之间高度为Hi，根据压力传感器分别测出的Hi、Ho值，计算Hi-Ho，求得测量点相对于参考点的高度差值△。

当测量点的高度发生变化时，本次测量的△值也相应的变化，两次△值的差即是测量点的沉降值。

图13：

沉降监测原理

5.5防盗告警监测

为监测人员的非法入侵，铁塔安全监测系统可采用两种周界防护技术：

视频周界防护和光纤周界防护。

5.5.1视频周界防护

视频周界防护系统利用部署在铁塔上的高清夜视摄像机、前端视频分析仪等设备实现对铁塔周界重点区域的安全布控。

高清夜视摄像机设备宜安装在铁塔中部，可监视到整个铁塔防护为界的位置，如图14所示。

图14视频周界防护示意图

视频周界防护利用现代计算机视觉技术，通过对摄像机拍摄的视频序列进行场景的背景建模和实时分析，实现对用户设定的虚拟周界中所关注目标的定位、识别和跟踪，并根据用户设置的规则进行检测并触发告警。

图15所示是视频周界防护系统在某机房周界白天和夜间的应用场景，分析算法中在防护对象（铁塔、机房等）四周画一个虚拟的周界防护界限，当有运动物体闯入防区时，视频分析算法能够快速监测到非法入侵，并在视频终端界面上叠加红色警示框，向用户发出非法入侵告警声光提示。

图15：

视频周界告警日夜效果图

视频周界防护系统应能实时监测并分析侵入铁塔限界的物体对通信铁塔安全所产生的影响。

根据监测分析结果，系统应及时准确地发出告警提示信号，并通过现场部署的语音喇叭发出语音驱赶提示，避免由于人为偷盗螺栓、铁塔主要构件等所造成的倒塌事故的发生。

5.5.2光纤周界防护（可选）

光纤周界防护系统部署时，在铁塔防区边界开挖电缆沟，光纤传感器部署在电缆沟内，光纤收发器及其它网络设备部署在铁塔所在的通信机房内，系统安装示意图如图

16所示。

图16光纤监测系统部署示意图

光纤周界防护采用分布式光纤传感器，利用光纤振动传感技术，实现分布式铁塔周界安防监测告警。

当传感光纤的某个位置受到振动或压力时，传感光纤内激光信号的相位会发生变化，如图17所示，利用白光干涉原理，可将振动干涉信号转换为电信号进行频谱分析。

其反馈给主机的激光光强与受到的相应振动存在对应关系。

激光信号在放大、滤波、数字化等处理后，再通过智能软件进行数据建模分析，从而实现入侵振动信号识别告警。

光纤周界技术具有抗电磁干扰、抗恶劣环境影响等特性，然而基于光纤设备和铺设成本较高，某些铁塔周围环境不适宜光纤铺设的考虑，将光纤周界防护列为可选的子系统。

图17：

传感光纤工作原理

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