張興武

（湖北省隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺，湖北 隨州 441300）

0 引 言

隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺發(fā)射塔高142 m，建于20世紀(jì)80年代。為了確保塔體結(jié)構(gòu)的安全性、完整性、適用性與耐久性，臺站建設(shè)了發(fā)射塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)。日常運行階段，通過實時監(jiān)測關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的構(gòu)件內(nèi)力、結(jié)構(gòu)整體變形等參量，結(jié)合定期檢測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)荷載監(jiān)測數(shù)據(jù)，評估結(jié)構(gòu)的安全水平并進(jìn)行提前預(yù)警，為日常運維管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 發(fā)射塔實時健康監(jiān)測建設(shè)必要性

從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，全國范圍內(nèi)已經(jīng)建造了數(shù)以千計的發(fā)射塔和桅桿。這些發(fā)射塔對保障廣播電視信號的傳播和覆蓋起到了很好的作用[1]。工程建設(shè)和使用中，國家在該項目的建設(shè)和運用上花費了巨資，建設(shè)者、維護(hù)人員更是付出了極大的努力和艱辛，為鐵塔和塔桅的安全提供保障。當(dāng)前，國內(nèi)已開始在橋梁、隧道、大壩、大跨度或高聳建筑物、超高輸電塔等鋼結(jié)構(gòu)上研究、應(yīng)用主要結(jié)構(gòu)長期安全監(jiān)測技術(shù)，并且成效顯著。作為用于放置廣播電視天線的載體，廣播電視發(fā)射塔影響著廣播電視信號的安全播出。受到雨雪、雷電、強(qiáng)風(fēng)、冰凍、潮濕等自然環(huán)境的影響，發(fā)射塔極其容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、基礎(chǔ)沉陷甚至倒塌的不良情況。因此，發(fā)射臺必須對廣播電視發(fā)射塔的日常維護(hù)與監(jiān)測工作給予高度重視[2]。然而，大部分發(fā)射塔的日常巡檢維護(hù)依賴純?nèi)斯つＪ介L時間觀測和上塔高空作業(yè)巡檢，該工作實施過程中存在無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)、無系統(tǒng)分析等實際情況，直接造成不能提前發(fā)現(xiàn)安全隱患，更不能做到提前排除安全隱患。因此，通過現(xiàn)有成熟先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備減輕巡檢工作人員的勞動強(qiáng)度和工作壓力，同時為發(fā)射塔整體結(jié)構(gòu)的日常維護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，建立準(zhǔn)確、實時、高效日常維護(hù)體系非常有必要。

隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺142 m廣播電視發(fā)射塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)通過有限元分析確定鐵塔結(jié)構(gòu)的控制部位和損傷敏感部位，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力、變形、振動及基礎(chǔ)位移、沉降等結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)信息在線實時監(jiān)測。

2 發(fā)射塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)組成

隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺發(fā)射塔健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，主要考慮了監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面性、實時性和智能性。系統(tǒng)不僅對塔體本身進(jìn)行全面監(jiān)測，也對影響塔體健康的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，比如風(fēng)速、基礎(chǔ)沉降等。經(jīng)過現(xiàn)場勘察并結(jié)合臺區(qū)實際情況，設(shè)計人員主要從以下幾個方面進(jìn)行設(shè)計，形成發(fā)射塔實時健康監(jiān)測方案。

（1）發(fā)射塔傾斜監(jiān)測。在桅桿頂部和第一平臺處分別安裝雙軸傾角傳感器。由于發(fā)射塔在風(fēng)的作用下并非靜止?fàn)顟B(tài)，因此，傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)實際上是塔頂位移，軟件系統(tǒng)再通過統(tǒng)計計算得出傾斜值。

（2）發(fā)射塔振動周期監(jiān)測。為保證塔體結(jié)構(gòu)安全，需監(jiān)測塔體振動周期參數(shù)。當(dāng)塔體結(jié)構(gòu)或質(zhì)量發(fā)生變化，振動周期將發(fā)生改變。本系統(tǒng)在桅桿頂部和第一平臺分別安裝加速度傳感器，通過檢測加速度變化，計算振動周期。

（3）發(fā)射塔應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。經(jīng)過計算，發(fā)射塔桅桿底部為受力薄弱段，因此需要監(jiān)測塔柱應(yīng)力情況，以保證塔樓安全。在桅桿底部每根主材角鋼安裝應(yīng)變計，對桿件受力、突變情況進(jìn)行實時分析監(jiān)測。

（4）發(fā)射塔氣象環(huán)境監(jiān)測。在發(fā)射塔平臺安裝相關(guān)傳感器，如風(fēng)速、風(fēng)向傳感器，對風(fēng)速及方向進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，實時計算出塔體安全指數(shù)，為塔體結(jié)構(gòu)安全提供保障。在相同位置安裝溫濕度傳感器，對發(fā)射塔的環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測塔體工況環(huán)境的變化。

（5）發(fā)射塔周界安全監(jiān)測。在發(fā)射塔適當(dāng)位置安裝云臺攝像頭，實時監(jiān)測塔體情況。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)生安全警報時，可記錄當(dāng)時影像資料，作為安全排查依據(jù)。

（6）發(fā)射塔實時健康監(jiān)測平臺。監(jiān)測平臺及時監(jiān)控與評估發(fā)射塔結(jié)構(gòu)的實時狀態(tài)，當(dāng)遇到特殊天氣或者結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常狀況時觸發(fā)預(yù)警信號，目的是為結(jié)構(gòu)的維修、保養(yǎng)和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

3 發(fā)射塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)方案

為進(jìn)一步完善日常鐵塔監(jiān)測工作中的不足，及時對發(fā)射塔結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行日常監(jiān)測和安全評估，達(dá)到鐵塔主體結(jié)構(gòu)在特殊天氣或日常運行異常時觸發(fā)預(yù)警信號，為鐵塔的結(jié)構(gòu)維護(hù)維修與管理決策提供依據(jù)的目的，需要在上述布設(shè)的監(jiān)測儀器基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的發(fā)射塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)，及時、迅速掌握發(fā)射塔的動態(tài)工況，及時發(fā)現(xiàn)并分析潛在的安全隱患。該發(fā)射塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計主要遵循如下原則。

（1）系統(tǒng)具有可靠性，功能具有實用性，組網(wǎng)具有合理性，且便于維護(hù)保養(yǎng)。

（2）具有可擴(kuò)展性。裝置可以通過模塊的添加方便地增加遠(yuǎn)程和本地端口的數(shù)量，為后續(xù)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及新的分中心的接入提供網(wǎng)絡(luò)接口。

（3）使用分布式數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)減少故障發(fā)生，并在防雷和抗干擾技術(shù)措施方面進(jìn)行充分考慮，將損壞的可能性降到最低。

根據(jù)國家廣播電視總局《廣播電視鋼塔桅運行維護(hù)技術(shù)規(guī)范》（GY/T 328—2020）相關(guān)要求，廣播電視鋼塔桅的運行維護(hù)包括日常巡檢維護(hù)、專業(yè)維護(hù)、加固改造等[3]，其重中之重是加強(qiáng)日常的鐵塔監(jiān)測，達(dá)到及時發(fā)現(xiàn)隱患、及時解決隱患的目的。而發(fā)射塔日常巡檢維護(hù)依舊采用傳統(tǒng)巡檢模式，依賴于純?nèi)斯つＪ竭M(jìn)行觀測記錄和上塔開展高空作業(yè)巡檢等工作，致使日常巡檢成本高、隱患排查不準(zhǔn)確等實際情況，使得廣播電視發(fā)射塔安全管理成為一種挑戰(zhàn)[4]。隨州市電視調(diào)頻發(fā)射臺發(fā)射塔健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計充分考慮上述不利因素，通過在塔上安裝各類傳感器，對鐵塔自身傾斜、擺幅、溫度、頻率、風(fēng)力風(fēng)速、接地電阻等狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)鏈接到系統(tǒng)軟件平臺，實現(xiàn)了區(qū)域統(tǒng)一監(jiān)測、鐵塔實時動態(tài)檢測、鐵塔健康狀況提前預(yù)警，有效降低日常巡檢維護(hù)成本，為排除安全隱患提供了科學(xué)依據(jù)。該實時健康監(jiān)測系統(tǒng)方案由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)、信息處理與分析軟件系統(tǒng)有效整合而成。

3.1 傳感器系統(tǒng)

鑒于隨州市廣播電視發(fā)射塔的實際運行環(huán)境，經(jīng)多次現(xiàn)場勘探測量和研究探討，設(shè)計人員決定在本次項目中采用振弦傳感器作為應(yīng)力應(yīng)變計，其余均采用數(shù)字型傳感器。這些傳感器包括傾角傳感器、應(yīng)力和應(yīng)變傳感器、振動傳感器、風(fēng)速和風(fēng)向傳感器等等。

3.2 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能是通過放置在監(jiān)控機(jī)房的光纖路由終端將光纖信號轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)信號，與核心服務(wù)器進(jìn)行通信。服務(wù)器發(fā)送采集指令，傳感器返回測量值在終端顯示、存儲和分析，以核心服務(wù)器的具體要求作為依據(jù)上傳數(shù)據(jù)、上報信息或者觸發(fā)預(yù)警。

3.3 光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)

光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)主要由主干傳輸光纜構(gòu)成，用于連接監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場布設(shè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測機(jī)房內(nèi)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

3.4 監(jiān)測顯示系統(tǒng)

監(jiān)測顯示系統(tǒng)主要是對各種監(jiān)控儀表所采集到的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行實時展示，從而為塔架結(jié)構(gòu)的安全、維修和管理工作提供科學(xué)的依據(jù)。

4 針對強(qiáng)干擾環(huán)境、防雷電的方案

發(fā)射臺的電磁環(huán)境相對復(fù)雜，尤其是發(fā)射塔體和周邊電磁干擾情況更加嚴(yán)重。抗干擾和防雷電一旦解決不好，勢必會對整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的有效性、連續(xù)性造成安全隱患。本系統(tǒng)方案設(shè)計和工程實施采取以下相關(guān)措施。

（1）空間耦合抗干擾。本項目所使用的各類傳感器都是以金屬材質(zhì)為外殼，并在每個傳感器接口處設(shè)計了接地端子，利用屏蔽原理來阻止空間電磁干擾的耦合現(xiàn)象。

（2）信號線接入抗干擾。針對本次項目所使用的設(shè)備的選擇以及軟件處理上與廠家進(jìn)行探討并采取了一些相應(yīng)的方法。首先是設(shè)備線路板的設(shè)計，要求重要的設(shè)備（如傳感器）能夠采用多層板設(shè)計技術(shù)，分離模擬信號和數(shù)字信號、數(shù)據(jù)總線與供電系統(tǒng)，以屏蔽印制板。其次，在輸入信號層面采取濾波方式，將高頻干擾濾掉，以確保各傳感器的采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

（3）電源系統(tǒng)接入抗干擾。傳感器等重要設(shè)備加裝電源濾波裝置，有效遏制50 Hz以外的信號。

（4）防雷措施。廣播電視發(fā)射塔一般都位于當(dāng)?shù)貐^(qū)域內(nèi)建筑的最高點，鐵塔本身既可成為防雷的避雷塔，也可能變成“引雷器”或產(chǎn)生感應(yīng)雷的導(dǎo)體。因此，它也是廣播電視發(fā)射臺防雷的第一關(guān)[5]。本系統(tǒng)采用抑制浪涌電壓和浪涌電流的方式，采用瞬變二極管將通信總線對地放電的方式進(jìn)行保護(hù)，在通信線間串接自恢復(fù)保險絲，抑制通信線上的浪涌電流，達(dá)到保護(hù)后續(xù)設(shè)備的目的。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)建成一年來，經(jīng)過極端天氣的有效運行，至今運行良好，準(zhǔn)確地記錄了發(fā)射塔傾斜、震動周期、沉降、周邊氣象環(huán)境等數(shù)據(jù)。鐵塔實時監(jiān)測健康平臺界面簡潔明了，操作簡單，值班人員極易掌握。該系統(tǒng)有效地解決了鐵塔日常維護(hù)工作的難點，為鐵塔提高安全的生命周期奠定了堅實基礎(chǔ)，還為鐵塔針對性維護(hù)提供了準(zhǔn)確科學(xué)依據(jù)。

隨著智慧廣電和大數(shù)據(jù)在廣電安全播出系統(tǒng)的應(yīng)用，未來該鐵塔實時健康監(jiān)測系統(tǒng)擬與全臺重要的技術(shù)系統(tǒng)和廣播電視設(shè)施安全系統(tǒng)進(jìn)行有效的融合，實現(xiàn)廣播電視設(shè)備與設(shè)施全生命周期智能管理，為廣播電視安全播出提供可靠的技術(shù)支撐。