1、編號:密級:鐵路通信鐵塔安全監測系統總體技術方案編寫:審核:批準:鐵道部通信中心建立日期：2011年10月31日目錄1. 總則 12. 系統功能 12.1 數據采集與測量 12.2 實時告警和預警 22.3 查詢統計分析 32.4 系統管理 33. 系統構成 53.1 傳感層 63.2 監測單元 83.3 監測中心 83.4 維護終端 93.5 監測數據通道 1.03.6 系統配置要求 1.34. 系統技術要求 1.44.1 一般要求 1.4.4.2 采集精度要求 1.44.3 視頻性能要求 1.54.4 傳輸及接口要求 1.54.5 告警要求 1.5.4.6 安全性要求 1.74.7 擴展性

2、要求 1.74.8 環境要求 1.8.5. 監測技術 1.8.5.1傾斜度監測 1.95.2 振動監測 2.0.5.3 環境氣象監測 2.15.4 塔基沉降監測 2.15.5 防盜告警監測 2.21. 總則近年來，隨著鐵路無線通信技術的飛速發展， GSM-R 通信鐵塔越來越多的 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，甚至導致鐵塔傾斜、倒塌等。目前，傳統的鐵路通信鐵塔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。 但上述手段存在一定的主觀性， 某些參數人工實測困難， 并 且不容易及時發現問題，無法滿足鐵塔

3、實時監測的需求。為了消除鐵塔安全隱患，避免出現傾斜、倒塌等危及行車安全的事件發生， 需要采用先進的技術設備對鐵塔進行實時的安全監測， 為鐵塔的集中整治、 中修、 大修提供基礎參考數據。2. 系統功能鐵塔安全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 的傳感技術、智能視頻分析技術， 對鐵塔運行健康狀況以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。 系統的主要功能包括以 下幾部分。2.1 數據采集與測量系統采集單元應能自動周期性地采集被監測鐵塔的運行狀態， 進行處理、存 儲和上報。 并且可隨時接收并響應監測中心的查詢命令， 通過監測模塊對相應監 測

4、指標進行查詢和向監測中心傳送。系統的監測指標包括下面幾種。2.1.1 鐵塔傾斜監測系統應能監測到鐵塔的傾斜度變化， 根據鐵路通信工程驗收規范， 考慮風荷 載等外力的作用下，當鐵塔的傾斜度超過預設門限值時，系統應產生告警信號。2.1.2 防盜告警監測2.1.2.1 視頻周界防護系統應能通過在鐵塔上部署的高清夜視攝像機、 前端視頻分析儀等設備， 實 現對鐵塔周界重點區域的安全布控， 實時監測并分析侵入鐵塔限界的物體對通信 鐵塔安全所產生的影響。視頻監控應具有聯動功能，當有傾斜度、路基沉降、防盜等告警發生時，啟 動視頻監控并進行預定時長的錄像，同時視頻信息自動傳送到監控中心。2.1.2.2 光纖周界

5、防護（可選）系統應能通過鐵塔防護區域周邊鋪設的光纖傳感器實現對鐵塔周界重點區 域的安全布控，實時監測并分析侵入鐵塔限界的物體對通信鐵塔安全所產生的影 響。2.1.3 塔基沉降監測系統應能監測到鐵塔塔基的不均勻沉降，當不均勻沉降值超過預設門限值 時，系統應產生告警信號。2.2 實時告警和預警系統采取分級告警的方式， 及時在監測中心維護管理終端上發出分級告警信 號，具有多地點、多事件的并發告警功能。系統可以在維護終端界面固定區域明顯標示出告警信息， 采用聲光告警的形 式，提示值班人員，并自動產生派工單。系統可以根據鐵塔的運行情況及相關監測數據， 綜合歷史監測數據， 分析出 鐵塔的健康狀態并準確的判

6、斷對鐵路運營的影響及危害程度， 為運用維護提供預 警信息。2.3 查詢統計分析系統具有根據告警時間、 告警地點、 告警類型、告警等級等對歷史數據進行 多條件查詢、統計分析的功能。系統應能夠按照單個鐵塔、 單條線路鐵塔、 某一路局鐵塔及全路鐵塔等多種 組合方式生成監測數據的日、月、年統計報表和變化曲線。2.4 系統管理系統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內容。2.4.1 配 置管理監測系統應能方便地添加、刪除監測對象，配置、修改監測對象的參數。 系統應提供配置數據的查詢、統計手段，用戶可對設備配置數據進行查詢、 統計、報表和打印。2.4.2 告 警管理告警管理提供對監測對

7、象的故障告警信息進行集中監測和管理。 能夠實現對告警數據的實時采集和集中監測，能準確定位故障。2.4.2.1 告警級別分類a) 緊急告警：已經或即將危及鐵塔及行車安全，應立即處理的告警；b) 重要告警：可能影響鐵塔及通信安全，需要安排時間處理的告警；c) 一般告警：向維護人員提示的信息；系統應提供告警級別設置功能，用戶可靈活設置告警的級別。2.4.2.2 告警狀態分類a) 新產生告警：未確認、未清除的告警；b) 已確認告警：未清除但已確認的告警；c) 未確認告警：未被確認但已經清除的告警；d) 已清除告警：已被確認并已經清除的告警。2.4.2.3 告警的確認 系統應提供告警確認功能，由用戶對告

8、警信息進行確認。2.4.2.4 告警過濾 系統應具有一般告警過濾功能，可根據需要設置告警顯示和提示的過濾條件，只有符合條件的告警信息才顯示 / 提示給用戶。2.4.3 運 用維護管理運用維護管理功能包括用戶及權限管理、系統日志管理等。用戶管理：系統具有用戶管理功能和用戶組管理功能。 用戶管理功能包括對 用戶信息的增加、刪除、修改和查詢。用戶組管理功能包括對用戶組信息的增加、刪除、修改和查詢。用戶管理功能和用戶組管理功能只能由授權的用戶實施。 權限管理：系統應具有車間、通信段、路局等多級權限管理功能。管理員具 有對系統操作和控制的所有權限， 為最高級權限。 操作員只能進行普通的信息查 看、告警確

9、認、 報表生成等操作。 重要的參數和系統配置參數的修改必須使用安 全密碼才能進行。系統日志管理，包括系統訪問日志和系統操作日志。系統訪問日志包括用戶名稱、 登錄終端標識、 登錄時間和退出時間等。 系統 操作日志包括實施操作的用戶名稱、操作時間、操作對象、操作結果等。3. 系統構成鐵塔安全監測系統應采用分層和模塊化的設計方式，由傳感層、監測單元、 監控中心和維護終端組成， 如圖 1 示。系統具有車間、通信段、路局等多級管理 模式，通過設置不同的權限進行分級管理。圖1:鐵塔安全監測系統體系層次示意圖3.1傳感層傳感層負責獲取鐵塔安全監測數據，如傾斜度、振動頻率、風速風向、溫濕度、視頻圍界告警信息、

10、塔基沉降等數據，如圖2所示合+0C鹵同一占S傾斜監測 振動監測 風速風向 溫濕度 塔基沉降 視頻分析儀 攝像機 采集傳感層設備圖 2 ：鐵塔安全防護采集傳感層設備3.1.1. 傾斜振動監測鐵塔傾斜振動監測設備主要由傾斜傳感器、振動傳感器等組件組成。3.1.2. 氣象監測氣象監測系統主要由風速風向計、 溫濕度傳感器等組件組成， 用來實時監測 鐵塔現場的氣象信息， 并結合鐵塔的傾斜角度和振動幅度， 通過告警分析數學模 型進行當前的告警狀態分析。3.1.3. 塔基沉降監測塔基沉降監測系統主要由壓力傳感器和沉降采集處理機組成， 用來實時監測 鐵塔的塔基沉降狀態及平衡狀態。3.1.4. 視頻防盜監測鐵塔

11、防盜報警監測系統主要由高清夜視攝像機、 視頻分析儀等組成， 可監視 到鐵塔所在位置的現場情況， 實現對鐵塔周界重點區域的安全布控。 實時監測并 分析侵入鐵塔限界的物體對通信鐵塔工作所產生的影響。3.1.5. 其它其他現場設備包括通信模塊（ Zigbee 、GPRS 等）、語音驅趕設備、太陽能 板、蓄電池等，滿足現場設備在不同環境及應用線路對無線通信、供電、及語音 廣播等功能的需求。3.2 監測單元監測測單元匯聚收集前端各類鐵塔安全監測數據， 并進行數據預處理， 由協議轉換模塊完成前端多種協議數據的標準化工作。 經過格式化后的標準協議數據 通過傳輸數據通道上傳到監測中心。監測單元功能主要由鐵塔監

12、測采集處理主機實現。 采集機硬件應采用模塊化 結構設計，同一采集單元能同時接入多個不同類型監測設備， 完成風速風向、 溫 濕度、傾斜度、 振動頻率及路基沉降等監測數據的采集、 初步分析和預處理以及 對鐵塔防盜告警的實時狀態監測。現場采集單元具備自檢和對監測鐵塔狀態的巡檢功能， 實現對鐵塔安全隱患 的診斷、定位及告警； 同時， 能夠將故障信息上傳至監測中心并接受監測中心的 集中監測管理。3.3 監測中心監測中心根據實際業務的需求， 實現監測數據和告警數據的分析、 存儲和轉 發。監測中心實現面向全路范圍的鐵塔安全監測管理， 滿足信息交換、 資源共享、 故障定位、性能分析等功能。監測中心由數據庫服務

13、器、告警服務器、通信服務器、 Web 服務器、視頻 服務器等設備上的不同功能模塊來實現，如圖 3 所示。監測中心對本轄區內各監測對象的告警等重要信息進行處理、存儲、顯示、 輸出，具備對各類信息按指定時段統計分析的功能， 為維護管理人員提供監測告 警、預警及鐵塔安全狀態等信息的查詢顯示和報表輸出功能， 并提供監測信息維 護、系統運行參數配置、用戶權限管理及系統日志管理等系統管理功能。此外，監測中心具有自檢和對監測設備、監測單元的故障進行監測以及將故障告警信息傳送至維護終端的功能數據庫服務器防火墻（至 路局、部中心）監測中心圖3 :監測中心示意圖監測中心應與授時服務器保持時鐘同步，并向各監測單元授

14、時，同步監測單 元時鐘。監測中心應預留與上級管理部門管理信息系統的通信接口，用于傳送鐵塔安全狀態的告警、預警等信息，并根據需要傳送傳感器監測信息報表。 監測中心預 留與國家氣象部門、地震部門等的通信接口，用于接收氣象災害和地質災害的預 報、預警信息。3.4維護終端維護終端宜采用易于部署及維護的 B/S架構來實現。維護終端以圖形、視 頻、文本、聲、光等方式，提供風速風向、溫濕度、傾斜度、振動頻率、塔基沉 降、鐵塔周界實時狀態等監測信息，以及告警、預警信息和相應的工作預案，并 具備信息查詢和報表輸出功能。當某個基站的鐵塔出現異常情況時，系統主界面 通過對異常鐵塔圖標的警示渲染和語音播報向維護人員發

15、出告警提示。維護終端通過分布式總線平臺與業務邏輯層之間進行通信， 以消息模式實現 各種模塊信息的交互， 實時的向維護人員呈現管轄范圍內鐵塔的監測數據和告警 信息。這樣各層不僅相對獨立， 而且可以靈活的部署在不同的物理位置， 有利于 按照不同的維護管理需求進行系統的擴展和維護。3.5 監測數據通道監測數據通道是監測數據和告警、 預警信息在監測中心與監測單元之間數據 傳輸的通道。系統設計應充分考慮到既有線通信鐵塔安全監測和新建線路通信鐵 塔安全監測施工條件的不同，傳輸方式分別采用無線組網方案和有線組網方案。監測數據通信通道應利用鐵路通信網， 優先選用數字傳輸通道。 客運專線監 測數據通信通道宜采用

16、 IP 數據網或 2M 專線傳輸方式；其他鐵路線路根據情況 可以采用傳輸設備本身的輔助數據通道、 GPRS 等其他數據傳輸方式，也可混合 組網。3.5.1 有線傳輸組網方式鐵塔安全監測系統宜利用鐵路數據網或鐵路專網傳輸通道（ FE、2M ）等方 式進行組網。采用進行系統組網時，每個采集主機應具有一個IP地址，如圖4所示。監測中心（車間、通信段、路局）監測單元1振動監測子系統 I傾斜監測子系統視防盜沉測I其它監測數據振動監測子系統傾斜監測子系統W頻防盜子系統 八降監測子系統 象監測子系統其它監測數據振動監測子系統 傾斜監測子系統視頻防盜子 沉測子 氣監測子其它監測數據鐵塔監測站1鐵塔監測站n圖4

17、:數據網組網采用鐵路專網傳輸通道組網時，應分配相應的傳輸通道。圖5是一個利用2M環通道實現系統組網的示意圖，每個2M環上的基站配置一臺E1/FE轉換設 備遠端機，每個2M環基站數量不超過30個。監測中心配置E1/FE局端機，把 2M通道轉成以太網信令接入中心服務器。FE/2M-C基站30FE/2M-S鐵塔安全防護監控中心FE/2M-CFE/2M-S基站30圖5 : 2M環組網示意圖無線傳輸組網方式鐵塔安全監測系統也可用無線方式實現組網。無線傳輸方式，宜采用GSM/GPRS/3G 等方式進行系統組網，如下圖 6所示。通信鐵塔上部署的前端 采集處理主機配置有無線通信模塊，通過無線方式把各類監測數據

18、發送到鐵塔安 全監測中心（如公網服務器）。維護人員使用連接在公網上的各類終端，通過安 裝在終端上的瀏覽器登錄鐵塔安全監測系統，實時獲取被監測鐵塔狀況。維護終端TCP/IP公網服務器GSM/GPRS/GSM-R圖6:無線組網示意圖3.6系統配置要求系統配置應根據監測地區氣候環境及地理環境的不同，選擇不同的監測項目，具體規定如表1所示。表i鐵塔監測項目配置要求環境類別監測項目一般地區傾斜、振動、風速風向沿海及風力較大地區傾斜、振動、風速風向地質結構不穩定地區傾斜、振動、風速風向、塔基沉降氣溫較低地區傾斜、振動、風速風向（溫濕度）特殊地區傾斜、振動、風速風向、塔基沉降、防盜告警無線列調鐵塔傾斜、風速

19、風向注：特殊地區一般指交通樞紐、人口密集、地理復雜等地區4. 系統技術要求4.1 一般要求（1）監測系統不應影響被監測鐵塔的正常工作；（2）被監測鐵塔無論處于何種工作狀態，監測系統應能正常工作；（3）監測系統應具備內部時間校正功能，并支持外部時間同步；（4）監測系統硬件應能在安裝現場給出的基礎電源條件下不間斷地工作；（5）監測數據采集模塊接口采用隔離設計，接口滿足擴容的需要。4.2 采集精度要求（1）傾斜度測量誤差不應大于± 0.1 °；（2）振動頻率測量誤差不應大于 5% ；（3）振動幅度測量誤差不應大于± 5mm ；（4）塔基沉降測量誤差不應大于±

20、0.5mm ；（5）在風速范圍為035米/秒時，風速測量誤差不應大于土 0.3米/秒；當 風速范圍為3660米/秒時，風速測量誤差不應大于土 5% ；（ 6）風向測量誤差不應大于± 3°；（7）溫度測量誤差不應大于C；（8）在環境溫度為25 C、濕度范圍為30%RH80%RH時，濕度測量誤 差不應大于5%RH ;當濕度超出30%RH80%RH時，濕度測量誤差不應大于 10%RH ；（ 9）監測數據顯示一般應精確到小數點后 2 位。4.3 視頻性能要求（1）視頻圍界報警平均每天每通道漏報數應不大于 0.01 ；（2）視頻圍界報警平均每天每通道誤報數應不大于 0.1 ；（3）監

21、測站應具備一定的告警視頻存儲功能。視頻圖像編碼格式應采用H.264 或 MPEG4 ；（4）監測中心存儲告警時的錄像信息，告警錄像存儲時間為30 天，視頻分辨率為 CIF 以上，幀率為 25 幀；（5）系統應能通過對既有鐵路視頻監控系統擴容的方式實現鐵塔防盜報警 監測。4.4 傳輸及接口要求（1）客運專線監測數據通道宜采用 IP 數據網或 2M 專線傳輸方式；（2）其他鐵路線路根據情況可以采用傳輸設備本身的輔助數據通道、 GPRS 等其他數據傳輸方式，也可混合組網；（3）系統通信接口應遵循開放、標準的通信協議。4.5 告警要求（1）系統應能直觀、全面地顯示出被監測鐵塔的實時狀態，收集故障告警

22、信息；（2）從設備告警發生到監測中心接收到告警信息的時間間隔不大于4 秒（有線組網方式）；（3）無論監測系統處于任何界面，均能自動提示、顯示告警，并能查詢出 告警的詳細情況，如表 2 所示；表2告警記錄字段說明字段中文名稱說明告警的序列號告警信息的流水號告警位置告警發生的具體位置：如哪個鐵塔告警類型告警的類型。告警級別告警的級別。告警內容告警的具體內容。告警觸發值告警發生時刻的監測點數值。告警發生時間告警發生時間告警確認時間告警被確認時間（如果被確認）告警清除時間告警被清除時間告警確認者告警確認人用戶名（如果被確認）告警狀態告警狀態。已清除告警為歷史告警。（4）系統告警門限可參考表3所示表3告

23、警門限參考值告警類型一般告警門限重要告警門限緊急告警門限傾斜度>2。或 <2 °>3。或<3 °>5。或 <5 °振動頻率偏離正常頻率30%偏離正常頻率40%偏離正常頻率50%風速>7級>8級>9級不均勻沉降值>6毫米>10mm>15mm4.6 安全性要求（1）系統硬件平均無故障時間（ MTBF ）大于 40 000h ；（2）系統硬件平均故障修復時間（ MTTR ）小于 0.5h ；（3）硬件產品（不包括計算機和服務器）壽命不少于 10 年；（4）系統軟件不能因誤操作而影響系統的正常運行；（

24、5）當系統軟件局部功能模塊發生故障時， 不應影響其他模塊的正常運行；（6）系統應具有安全防范措施，對所有操作人員按其工作性質（系統管理 員、操作管理員和一般操作人員等）賦予不同的操作權限，并有密碼管理功能， 保證系統及數據的安全；（7）當傳輸網絡中斷時，系統應能通過前端監測單元內嵌的WebServer顯示鐵塔當前監測數據；（8）監測系統應符合電磁兼容的有關規定和防雷接地的規范，任何監測點 的接入不應破壞被監測鐵塔的接地系統。4.7 擴展性要求（1）構成監測系統的硬件采用模塊化設計，具有較好的可擴充性；（2）構成系統的硬件，應能通過增加部件來擴充系統的容量；（3）監測系統軟件應具有升級能力，軟件

25、修改宜以更換模塊的方式進行；（4）數據管理功能應滿足近期需要，并為遠期擴容留有余量；（5）監測中心設備應選用標準化程度高、通用性好、安全可靠、維修擴容 方便的計算機和有關的外圍設備；（6）監測中心可管理遠端監測站數目不應小于 350 個；單系統監測能力不應小于100000個監測點。4.8環境要求(1) 監測站工作溫度：-20 C+60 C(2) 監測中心工作溫度：0C30 C(3) 相對濕度：w 95% (非冷凝)(4) 海拔高度：大氣壓力70 kPa110kPa(5) 室外設備防護等級：IP66(6) 抗震要求：設備在X、丫、Z三個方向承受振動頻率100Hz、震動幅 度1.5mm , 30分

26、鐘后應能正常工作。5. 監測技術傾斜、振動、風速鐵塔傾斜監測咼清攝像機 視頻分析儀鐵塔防盜報警壓力傳感器塔基沉降監測鐵路安全監測系統的主要監測項目包括： 鐵塔傾斜振動監測子系統、鐵塔防 盜告警子系統、塔基沉降監測子系統，分別部署在鐵塔頂端、中部和塔基處，形 成鐵塔安全監測的總體解決方案，如圖 7所示圖7 :鐵塔安全監測總體解決方案對以上項目的監測主要采用以下技術。5.1傾斜度監測鐵塔的傾斜度一般采用傾斜傳感器進行測量，傾斜傳感器宜安裝于鐵塔的塔 頂位置。圖8是兩款常用的不同測量精度的傾斜傳感器。圖8 :高精度和普通傾斜傳感器傾斜傳感器通過測量重力加速度變化， 將其轉換成傾角變化，從而得到傳感

27、器相對于水平面的傾斜或俯仰角度。通常，傾斜傳感器角度相應速度是可調的， 內置抑制模式，依靠角度反映速度的差別，從而區分沖擊振動和傾角變化。系統可選擇兩類傳感器：普通傾角傳感器和高精度傾角傳感器，并采用“主-從”(Master-Slave,M-S )監測方式，實現鐵塔傾斜監測結果的高精度校準。 在“ M-S ”監測方式中，通信鐵塔的監測分為兩種類型，M監測點和S監測點，如圖9所示。前者部署高精度傾斜傳感器和普通精度傳感器，后者部署普通傾斜傳感器，系統通過對M監測點兩種傳感器的監測結果進行分析比較，計算出兩 種傳感器之間的補償系數，并通過傳輸通道向S監測點廣播精度校準補償系數。S監測點利用普通傾斜

28、傳感器的測量結果和精度校準補償系數，推導出高精度的測量結果，從而實現較高性價比的系統配置。在獲取了鐵塔傾斜度后，根據傾斜傳感器安裝位置，就可計算出鐵塔的近似垂直度和水平位移，實現對鐵塔運行狀態的多要素監測。通信鐵塔 主通信鐵塔從-1通信鐵塔從-2通信鐵塔從-n普通傾斜傳感器高精度傾斜傳感器圖9 :傳感器高精度校準示意圖5.2振動監測鐵塔的振動一般采用振動傳感器進行測量，振動傳感器宜安裝在鐵塔的塔頂位置。圖10是一款常用的基于加速度的振動傳感器圖10 :振動傳感器及其安裝振動傳感器通過測量其內部的敏感元件受外力作用導致的變形量，利用相關 電路將變形量轉化為電量輸出，進而得到對應的加速度信號，再通

29、過加速度的測 量實現高頻振動的測量鐵塔安全監測系統通過振動傳感器對鐵塔自振頻率以及振動模態的進行監測，在融合時域與頻域數據基礎上，自動分析和模式識別鐵塔異常形態， 例如裹冰、關鍵構件丟失、塔基松動、非法攀爬和鐵塔傾斜過大等。5.3環境氣象監測鐵塔的環境氣象參數監測一般采用緊湊型免維護的多參數氣象傳感器，如圖11所示。氣象傳感器宜安裝在鐵塔的塔頂位置，可同時測量風速、風向、氣壓、溫度、濕度等多種氣象參數。圖11 ：氣象傳感器鐵塔安全監測系統通過對鐵塔附近的風速風向的監測，并根據監測數據建立分析模型，進行鐵塔抗風能力的分析。5.4塔基沉降監測鐵塔安全監測系統一般采用基于固態差壓的沉降傳感器對塔基沉降進行測量，沉降傳感器宜預埋在鐵塔的塔基四角位置 （新建塔）或安裝在底層橫梁位置（既有塔）。圖12給出了一個既有塔沉降傳感器安裝示意圖。圖12 :沉降傳感器在既有塔安裝示意圖基于固態差壓的沉降傳感器利用連通器原理，通過對液面高度差測量，實現參考點與被測點相對沉降觀測，測量原理如下圖13所示。相關的參考點、測量點等傳感器通過一個液體管道彼此相連，一個或部分傳感器用作參考點，其它的 傳感器用于相對沉降測量。設參考點與參考液面之間的高度差為Ho，觀測點與參考液面之間高度為Hi，根據壓力傳感器分別測出的Hi、Ho值，計算Hi-Ho， 求得測量點相對于參考點的高度差