張少衡 陳允銳 肖 鵬

(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006)

?

通信鐵塔健康監(jiān)測的探討研究

張少衡 陳允銳 肖 鵬

(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006)

介紹了健康監(jiān)測的原理和發(fā)展概況，闡述了對通信鐵塔進(jìn)行健康監(jiān)測的必要性，并介紹了對通信鐵塔進(jìn)行遠(yuǎn)程可視化健康監(jiān)測的核心技術(shù)理論，指出健康監(jiān)測技術(shù)可以對通信鐵塔進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測評估，是確保鐵塔結(jié)構(gòu)耐久性與安全性的有效途徑。

通信鐵塔，健康監(jiān)測，可視化，安全預(yù)警

1 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的意義和原理

目前，很多大型工程的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)在施工的時候，為了保障其結(jié)構(gòu)的耐久性、適用性和安全性，除了在設(shè)計和施工的時候采用理論分析的方法，比如結(jié)構(gòu)的可靠度[1]等理論之外，還通過對結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件采用健康監(jiān)測的方法，對結(jié)構(gòu)內(nèi)部損傷的位置和損傷的程度進(jìn)行檢查，從而判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測[2](Structural Health Monitoring，簡稱SHM)指通過連接在結(jié)構(gòu)上的數(shù)據(jù)采集儀和無線傳感器等，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)在響應(yīng)、力學(xué)性能等系統(tǒng)特性進(jìn)行理論分析，從而有助于未來工作對結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者構(gòu)件的微小損傷進(jìn)行及時修復(fù)的目的。其主要思路是通過測量結(jié)構(gòu)在長期荷載的負(fù)載下產(chǎn)生的局部性的損傷，進(jìn)而對其探測和評價；或者通過實時監(jiān)測來監(jiān)測結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的退化。這就好比對結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康體檢，人們通過現(xiàn)場傳回的數(shù)據(jù)能夠了解當(dāng)時結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。由此可見，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)可以有效應(yīng)用在及時災(zāi)害調(diào)查和近乎實時的結(jié)構(gòu)整體的可靠信息的提供[3]。

2 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展概況

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測這項技術(shù)最早被應(yīng)用于偵測太空領(lǐng)域的飛行器上，主要是關(guān)于其荷載監(jiān)測的研究[5,6]。后來隨著其他領(lǐng)域的日益興起，很多大型結(jié)構(gòu)上也被用上了這一技術(shù)。這就使得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在大型結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測與位移測量、壽命預(yù)測等領(lǐng)域得到了蓬勃的發(fā)展[7-9]。

1990年之后，我國首先在香港青馬大橋、汀九大橋等[10]大型水利工程上使用過健康監(jiān)測系統(tǒng)。隨后，大量建筑如雨后春筍，國家也更加重視健康監(jiān)測系統(tǒng)在各種大型結(jié)構(gòu)以及生命線工程上發(fā)揮的作用[11]。

隨著時代的發(fā)展，我國的科研水平日益提高，多個學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展迅速，大大提高了健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究水平，如測試與傳感的相關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信號的接收和處理技術(shù)，信號的后處理分析技術(shù)、數(shù)學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論等。除此之外，更多的技術(shù)應(yīng)用到健康監(jiān)測系統(tǒng)中來，極大地拓展了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的內(nèi)容，并且確保了運(yùn)營安全、提高了結(jié)構(gòu)的管理水平，具有極大的發(fā)展前景[12-14]。

3 通信鐵塔健康監(jiān)測的必要性

目前，移動通信已經(jīng)成為人們對外通信的重要手段，是現(xiàn)代社會的重要標(biāo)志之一，它使人們隨時隨地都可以保持和外界的溝通聯(lián)系，為人們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)活動帶來了極大的便利，為現(xiàn)代社會信息化活動提供了一個廣闊的平臺。通信鐵塔作為通信工程最重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對基站的正常運(yùn)營起到關(guān)鍵作用。

然而，當(dāng)鐵塔出現(xiàn)各種損傷等安全隱患時，隨著損傷情況的日益嚴(yán)重，必然影響鐵塔的安全性和使用期限。

目前，對塔桅建筑采用的是原始的人工代理維護(hù)、測量方法，這種方法有如下弊端：1)工作效率低，勞動強(qiáng)度大，作業(yè)風(fēng)險和成本高；2)檢測結(jié)果和檢測報告的真實性和可行性低；3)無法對檢測人員的行為和結(jié)果實施全方位的覆蓋和可視化管理；4)無法對鐵塔運(yùn)行過程中產(chǎn)生的安全質(zhì)量問題早發(fā)現(xiàn)、早報告、早診斷、早處理；5)無法對鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時、在線監(jiān)控和管理。

健康監(jiān)測技術(shù)可以對通信鐵塔進(jìn)行遠(yuǎn)程實時地安全性監(jiān)測評估，是確定鐵塔結(jié)構(gòu)耐久性，確保鐵塔結(jié)構(gòu)安全的有效途徑。對鐵塔進(jìn)行健康監(jiān)測，是針對存在安全隱患或損壞的構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測分析，而不是盲目的對鐵塔各個部分進(jìn)行監(jiān)測或修復(fù)，從而較大程度的降低了成本并節(jié)約了時間。

4 通信鐵塔健康監(jiān)測的核心技術(shù)理論介紹

通信鐵塔的健康監(jiān)測是一個實時的，遠(yuǎn)程的，又是一個長期的過程，并且可以在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)可視化。通信鐵塔健康監(jiān)測系統(tǒng)可以劃分為測試采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)交互和預(yù)警系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。要實現(xiàn)實時、遠(yuǎn)程、可視化的監(jiān)測效果主要需實現(xiàn)以下幾方面：實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測、顯示動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、實現(xiàn)可視化模型、實現(xiàn)預(yù)警功能。

4.1 遠(yuǎn)程監(jiān)測的實現(xiàn)方式

遠(yuǎn)程監(jiān)測，就是通過使用應(yīng)變片、傳感器等儀器，連接到遠(yuǎn)端的計算機(jī)上，并將現(xiàn)場收集到的數(shù)據(jù)傳送上去。操作者在監(jiān)測現(xiàn)場以外的地方就可以清楚地查看數(shù)據(jù)并且發(fā)現(xiàn)問題。這一系統(tǒng)的實施，就要求傳輸系統(tǒng)必須是快速的、穩(wěn)定的、準(zhǔn)確的。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，Client/Server模式的分布性更好，而且擴(kuò)充起來更加方便[15]。相對于單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來說，Client/Server結(jié)構(gòu)更加符合健康監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)。一般來說，我們的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議使用的是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在這個框架下，采用Client/Server模式將數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的服務(wù)器終端與遠(yuǎn)程用戶進(jìn)行連接，實現(xiàn)多用戶間的通信。

另外，系統(tǒng)可以采用Winsock技術(shù)來實現(xiàn)Client/Server通信模式。一對多的通信模式可以通過Winsock技術(shù)來實現(xiàn)，這樣就可以實現(xiàn)服務(wù)器終端與多個界面的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。除此之外，Winsock技術(shù)可以保證各個用戶之間進(jìn)行獨(dú)立、互不干擾的數(shù)據(jù)傳輸，大大保障了數(shù)據(jù)的可靠性[4]。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示

目前比較常見的實時數(shù)據(jù)記錄方式是繪制實時曲線。當(dāng)客戶端電腦收集到現(xiàn)場的測點(diǎn)數(shù)據(jù)之后，可以對微軟提供的MSChart控件進(jìn)行簡單的基本設(shè)置，并且對初始值等進(jìn)行賦值，就可以將數(shù)據(jù)按照人為設(shè)置要求分組，并且以條形圖、餅圖、曲線圖等方式顯示出來。另外，在實現(xiàn)過程中如果出現(xiàn)刷新閃爍現(xiàn)象，可以利用雙緩沖畫圖技術(shù)來解決動態(tài)曲線的顯示問題[4]。

4.3 可視化模型的實現(xiàn)

目前，健康監(jiān)測系統(tǒng)的終端顯示結(jié)果，基本采用的都是圖表形式，圖表上的數(shù)據(jù)不能對應(yīng)到監(jiān)測點(diǎn)的相對位置，也就是說，輸出結(jié)果不能和實際的監(jiān)測體系對應(yīng)起來，直觀性比較差。對于通信塔來說，測點(diǎn)在通信鐵塔上對應(yīng)的位置不明確，就需要參考其他相關(guān)資料才能確定測點(diǎn)的相關(guān)位置等信息。如果利用AutoCAD這種土木專業(yè)熟知的畫圖軟件，通過建立通信鐵塔的三維模型，在相應(yīng)位置處顯示相關(guān)測量數(shù)據(jù)，極大地增加了直觀性，并且大大降低了出錯率。關(guān)于模型上相關(guān)位置的數(shù)據(jù)顯示，可以利用Visual Basic編程，對其進(jìn)行簡單的二次開發(fā)，就可以在模型中輕松顯示出測點(diǎn)數(shù)據(jù)等相關(guān)信息[4]。

4.4 預(yù)警功能的實現(xiàn)

隨著市場需求的擴(kuò)大，通信鐵塔的類型衍生出很多形式，通信塔體系變成了一個復(fù)雜的系統(tǒng)。通信塔健康狀態(tài)的影響因素也變得非常繁多并且十分復(fù)雜，許多因素目前還無法通過明確的函數(shù)關(guān)系量化，現(xiàn)行的規(guī)范也沒有給出一些依據(jù)，所以目前有些情況的監(jiān)測結(jié)果，更多的是依靠專家的經(jīng)驗來判斷[16]。然而，目前的健康監(jiān)測系統(tǒng)的工作方式僅僅停留在測點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和顯示的層面上，并沒有加進(jìn)人工預(yù)警體系。因此，有必要對現(xiàn)行的健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

一方面，在現(xiàn)有規(guī)范和規(guī)程有明確評判體系的部分，可以使用計算機(jī)對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序設(shè)計、編程判斷，將數(shù)據(jù)與對應(yīng)測點(diǎn)的合理閾值進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)某測點(diǎn)值超過了閾值，則可以開啟自動預(yù)警。另一方面，當(dāng)沒有明確定量關(guān)系可以判斷數(shù)據(jù)合理性的時候，可以通過提供具有決策能力的技術(shù)中心來實現(xiàn)人工預(yù)警[4]。

5 展望

對通信鐵塔的健康監(jiān)測，還沒有形成氣候，但已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。在對其研究中難免遇到困難，還有一些尚未解決的問題，有待進(jìn)一步的研究。

需要進(jìn)一步研究的問題有：

1)測點(diǎn)信息不完整：受到現(xiàn)場條件、測試儀器和監(jiān)測成本的限制，一般只對有限的關(guān)鍵性構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測，并且不可能對通信塔進(jìn)行長期監(jiān)測，即所測數(shù)據(jù)僅為需要檢測的時段采集的數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)傳輸需要使用廣域網(wǎng)，在廣域網(wǎng)上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸有時會出現(xiàn)出錯現(xiàn)象。

3)CAD建模顯示可為一種思路，但是實現(xiàn)起來還需要專業(yè)技術(shù)支撐。

致謝：肖鵬對本文提供了核心理論的技術(shù)支持，特此感謝。

[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] 大型結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測的探討分析[Z].

[3] 盧 偉,滕 軍.基于現(xiàn)場總線的大跨空間結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[4] 肖 鵬.可視化遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,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] 張啟偉,袁萬城,范立礎(chǔ).大型橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報,1997,25(sup):76-81.

[12] 何浩祥,閆維明,馬 華，等.結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化評述與展望[J].地震工程與工程振動,2008,28(4):154-160.

[13] 李宏男,高東偉,伊廷華.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究狀況與進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展,2008,38(2):151-166.

[14] 周 奎,王 琦,劉衛(wèi)東，等.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究進(jìn)展綜述[J].工業(yè)建筑,2009,39(3):96-102.

[15] 王彥臣,凌 偉,黃廉卿.基于Client/ Server模式下實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量文件的傳輸[J].光學(xué)精密工程,2003,11(4):400-403.

[16] 劉 璐,周建庭,陳曉明.基于內(nèi)力包絡(luò)理論橋梁遠(yuǎn)程健康監(jiān)測安全評價[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報,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

張少衡(1986- )，女，碩士，工程師； 陳允銳(1977- )，男，碩士，工程師； 肖 鵬(1988- )，男，碩士，工程師

TU347

A