通信铁塔健康监测的探讨研究

张少衡 陈允锐 肖 鹏

(江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210006)



通信铁塔健康监测的探讨研究

张少衡 陈允锐 肖 鹏

(江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210006)

介绍了健康监测的原理和发展概况，阐述了对通信铁塔进行健康监测的必要性，并介绍了对通信铁塔进行远程可视化健康监测的核心技术理论，指出健康监测技术可以对通信铁塔进行远程实时监测评估，是确保铁塔结构耐久性与安全性的有效途径。

通信铁塔，健康监测，可视化，安全预警

1 结构健康监测的意义和原理

目前，很多大型工程的结构和基础在施工的时候，为了保障其结构的耐久性、适用性和安全性，除了在设计和施工的时候采用理论分析的方法，比如结构的可靠度[1]等理论之外，还通过对结构或者构件采用健康监测的方法，对结构内部损伤的位置和损伤的程度进行检查，从而判断结构的健康状态。

结构健康监测[2](Structural Health Monitoring，简称SHM)指通过连接在结构上的数据采集仪和无线传感器等，对结构的内在响应、力学性能等系统特性进行理论分析，从而有助于未来工作对结构内部或者构件的微小损伤进行及时修复的目的。其主要思路是通过测量结构在长期荷载的负载下产生的局部性的损伤，进而对其探测和评价；或者通过实时监测来监测结构可能产生的退化。这就好比对结构进行健康体检，人们通过现场传回的数据能够了解当时结构的健康状态。由此可见，结构健康监测系统可以有效应用在及时灾害调查和近乎实时的结构整体的可靠信息的提供[3]。

2 结构健康监测的发展概况

结构健康监测这项技术最早被应用于侦测太空领域的飞行器上，主要是关于其荷载监测的研究[5,6]。后来随着其他领域的日益兴起，很多大型结构上也被用上了这一技术。这就使得结构健康监测在大型结构的损伤监测与位移测量、寿命预测等领域得到了蓬勃的发展[7-9]。

1990年之后，我国首先在香港青马大桥、汀九大桥等[10]大型水利工程上使用过健康监测系统。随后，大量建筑如雨后春笋，国家也更加重视健康监测系统在各种大型结构以及生命线工程上发挥的作用[11]。

随着时代的发展，我国的科研水平日益提高，多个学科领域发展迅速，大大提高了健康监测系统的研究水平，如测试与传感的相关技术、网络通信技术、信号的接收和处理技术，信号的后处理分析技术、数学和结构力学理论等。除此之外，更多的技术应用到健康监测系统中来，极大地拓展了结构健康监测的内容，并且确保了运营安全、提高了结构的管理水平，具有极大的发展前景[12-14]。

3 通信铁塔健康监测的必要性

目前，移动通信已经成为人们对外通信的重要手段，是现代社会的重要标志之一，它使人们随时随地都可以保持和外界的沟通联系，为人们的生活、工作和经济活动带来了极大的便利，为现代社会信息化活动提供了一个广阔的平台。通信铁塔作为通信工程最重要的基础设施，对基站的正常运营起到关键作用。

然而，当铁塔出现各种损伤等安全隐患时，随着损伤情况的日益严重，必然影响铁塔的安全性和使用期限。

目前，对塔桅建筑采用的是原始的人工代理维护、测量方法，这种方法有如下弊端：1)工作效率低，劳动强度大，作业风险和成本高；2)检测结果和检测报告的真实性和可行性低；3)无法对检测人员的行为和结果实施全方位的覆盖和可视化管理；4)无法对铁塔运行过程中产生的安全质量问题早发现、早报告、早诊断、早处理；5)无法对铁塔的运行状态进行实时、在线监控和管理。

健康监测技术可以对通信铁塔进行远程实时地安全性监测评估，是确定铁塔结构耐久性，确保铁塔结构安全的有效途径。对铁塔进行健康监测，是针对存在安全隐患或损坏的构件进行监测分析，而不是盲目的对铁塔各个部分进行监测或修复，从而较大程度的降低了成本并节约了时间。

4 通信铁塔健康监测的核心技术理论介绍

通信铁塔的健康监测是一个实时的，远程的，又是一个长期的过程，并且可以在现有的技术基础上实现可视化。通信铁塔健康监测系统可以划分为测试采集系统、数据通讯系统、数据交互和预警系统以及数据库管理系统。要实现实时、远程、可视化的监测效果主要需实现以下几方面：实现远程监测、显示动态监测数据、实现可视化模型、实现预警功能。

4.1 远程监测的实现方式

远程监测，就是通过使用应变片、传感器等仪器，连接到远端的计算机上，并将现场收集到的数据传送上去。操作者在监测现场以外的地方就可以清楚地查看数据并且发现问题。这一系统的实施，就要求传输系统必须是快速的、稳定的、准确的。经过多年的研究发现，Client/Server模式的分布性更好，而且扩充起来更加方便[15]。相对于单机应用系统来说，Client/Server结构更加符合健康监测系统的架构。一般来说，我们的网络协议使用的是TCP/IP网络协议，在这个框架下，采用Client/Server模式将数据采集现场的服务器终端与远程用户进行连接，实现多用户间的通信。

另外，系统可以采用Winsock技术来实现Client/Server通信模式。一对多的通信模式可以通过Winsock技术来实现，这样就可以实现服务器终端与多个界面的用户进行数据传输。除此之外，Winsock技术可以保证各个用户之间进行独立、互不干扰的数据传输，大大保障了数据的可靠性[4]。

4.2 监测数据的实时显示

目前比较常见的实时数据记录方式是绘制实时曲线。当客户端电脑收集到现场的测点数据之后，可以对微软提供的MSChart控件进行简单的基本设置，并且对初始值等进行赋值，就可以将数据按照人为设置要求分组，并且以条形图、饼图、曲线图等方式显示出来。另外，在实现过程中如果出现刷新闪烁现象，可以利用双缓冲画图技术来解决动态曲线的显示问题[4]。

4.3 可视化模型的实现

目前，健康监测系统的终端显示结果，基本采用的都是图表形式，图表上的数据不能对应到监测点的相对位置，也就是说，输出结果不能和实际的监测体系对应起来，直观性比较差。对于通信塔来说，测点在通信铁塔上对应的位置不明确，就需要参考其他相关资料才能确定测点的相关位置等信息。如果利用AutoCAD这种土木专业熟知的画图软件，通过建立通信铁塔的三维模型，在相应位置处显示相关测量数据，极大地增加了直观性，并且大大降低了出错率。关于模型上相关位置的数据显示，可以利用Visual Basic编程，对其进行简单的二次开发，就可以在模型中轻松显示出测点数据等相关信息[4]。

4.4 预警功能的实现

随着市场需求的扩大，通信铁塔的类型衍生出很多形式，通信塔体系变成了一个复杂的系统。通信塔健康状态的影响因素也变得非常繁多并且十分复杂，许多因素目前还无法通过明确的函数关系量化，现行的规范也没有给出一些依据，所以目前有些情况的监测结果，更多的是依靠专家的经验来判断[16]。然而，目前的健康监测系统的工作方式仅仅停留在测点数据采集和显示的层面上，并没有加进人工预警体系。因此，有必要对现行的健康监测系统进行补充。

一方面，在现有规范和规程有明确评判体系的部分，可以使用计算机对收到的数据进行程序设计、编程判断，将数据与对应测点的合理阈值进行比较。如果发现某测点值超过了阈值，则可以开启自动预警。另一方面，当没有明确定量关系可以判断数据合理性的时候，可以通过提供具有决策能力的技术中心来实现人工预警[4]。

5 展望

对通信铁塔的健康监测，还没有形成气候，但已经引起了广泛的关注。在对其研究中难免遇到困难，还有一些尚未解决的问题，有待进一步的研究。

需要进一步研究的问题有：

1)测点信息不完整：受到现场条件、测试仪器和监测成本的限制，一般只对有限的关键性构件进行监测，并且不可能对通信塔进行长期监测，即所测数据仅为需要检测的时段采集的数据。

2)数据传输需要使用广域网，在广域网上进行数据传输有时会出现出错现象。

3)CAD建模显示可为一种思路，但是实现起来还需要专业技术支撑。

致谢：肖鹏对本文提供了核心理论的技术支持，特此感谢。

[1] Kirkegaard P H,John Dalsgaard S rensen,Dean izmar,et al.System reliability of timber structures with ductile behavior[J].Engineering Structures,2011(33):3093-3098.

[2] 大型结构的健康监测的探讨分析[Z].

[3] 卢 伟,滕 军.基于现场总线的大跨空间结构健康监测系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

[4] 肖 鹏.可视化远程结构健康监测预警系统开发[D].武汉：华中科技大学硕士学位论文,2013.

[5] Glisic B,Inaudi D.Fiber Optic Methods for Structural Health Monitoring[M].Wiley,2007:133-247.

[6] Fujihashi K,Kurihara K,Hirayama K,et al.Monitoring System Based on Optical Fiber Sensing Technology for Tunnel Structures and Other Infrastructure[M].Netherlands:Springer,2005:185-195.

[7] Auweraer H V D,Peeters B.International Research Projects on Structural Health Monitoring:An Overview Structural Health Monitoring[J].Sage Journal,2003,2(4):341-358.

[8] Teng J,Lu W,Liu H J.Information Acquisition Method based on Space Similarity Structure[R].Chongqing:World Forum on Smart Materials and Smart Structures Technology,2007.

[9] Ko J M,Ni Y Q.Technology Developments in Structural Health Monitoring of Large Scale Bridges[J].Engineering Structures,2005,27(12):1715-1725.

[10] C.K.Lau,W.P.N.Mak,K.Y.Wong,etc..Structural Health Monitoring of Three Cable-supported Bridges in Hong Kong[J].Structural Health Monitoring,2000(7):450-460.

[11] 张启伟,袁万城,范立础.大型桥梁结构安全监测的研究现状与发展[J].同济大学学报,1997,25(sup):76-81.

[12] 何浩祥,闫维明,马 华，等.结构健康监测系统设计标准化评述与展望[J].地震工程与工程振动,2008,28(4):154-160.

[13] 李宏男,高东伟,伊廷华.土木工程结构健康监测系统的研究状况与进展[J].力学进展,2008,38(2):151-166.

[14] 周 奎,王 琦,刘卫东，等.土木工程结构健康监测的研究进展综述[J].工业建筑,2009,39(3):96-102.

[15] 王彦臣,凌 伟,黄廉卿.基于Client/ Server模式下实现大数据量文件的传输[J].光学精密工程,2003,11(4):400-403.

[16] 刘 璐,周建庭,陈晓明.基于内力包络理论桥梁远程健康监测安全评价[J].重庆交通大学学报,2009,28(4):673-688.

The research of health monitoring of communication tower

Zhang Shaoheng Chen Yunrui Xiao Peng

(JiangsuPost&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd,Nanjing210006,China)

This paper introduces the principle and development of health monitoring, expounds its necessity, and introduces the theory of the core technology of visualized remote health monitoring of communication tower, point out health monitoring technology of communication tower for security monitoring and evaluation can be remote and real-time. Health monitoring is an effective way to ensure the durability and security of the tower structure.

communication tower, health monitoring, visualization, safety warning

1009-6825(2016)28-0053-02

2016-07-22

张少衡(1986- )，女，硕士，工程师； 陈允锐(1977- )，男，硕士，工程师； 肖 鹏(1988- )，男，硕士，工程师

TU347

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