基于物联感知和GNSS技术的铁塔安全监测解决方案
- 监测背景
电力铁塔是承载电力供应的重要设施，它的安全性需要得到可靠的保障。但是铁塔一般安装在户外，分布广泛，且有很多安装在偏远地区，容易受到自然、人力的影响和破环。因此需要使用辅助的方法实时监控通信塔的安全状态，对于可能出现的问题实现提前预警，起到保护铁塔的作用。
基于铁塔监测场景定制的轻量化GNSS接收机，同步接入气象仪和北斗短报文终端，支持一机多天线，以满足塔顶、塔基、塔身不同部位对监测频次和精度的需求，以应对气象灾害、地质灾害等引发的塔基变形、杆塔倾斜等隐患。
近年来，因自然灾害和人为破坏等因素导致输电线路杆塔斜倒塌引起的电力事故呈上升趋势。针对铁塔监控的特点推出GNSS安全监测，用来监测铁塔倾斜状态，保障电能的稳定安全。由前端传感器将杆塔实际情况等数据收集后通过无线网络实时的传送到中心监控分析。监控中心可以对地基滑动、沉降变形以及天气原因导致铁塔倾斜、折断甚至整体倒塌的情况进行在线监测和预警，如出现异常会及时通知负责人现场处理，保障电力铁塔安全运行。
2.监测目的
围绕铁塔的变形破坏特征及影响因素开展智能化监测预警，提升监测预警能力，降低因灾伤亡和经济损失，最大限度保护人民群众生命财产安全：
（1）根据地质的变形破坏特征，基于监测预警设备，实现监测数据的自动采集，提升传统群测群防落后的数据采集方式。
（2）依托5G/NBIoT等通信技术实现监测数据的自动传输，提升监测数据传输的时效性、实时性。
（3）依托云计算、大数据和人工智能等新技术，构建地质灾害智能化监测预警模型，建立铁塔地质智能化监测预警信息系统，实现监测数据的智能分析，提升监测数据的分析能力。
（4）构建统一数据库，基于云储存方式实现智能化监测预警各类数据的存储、管理、应用。通过对监测数据的长期分析，实现对铁塔灾害体的稳定性评价及趋势预测，为电力铁塔灾害防灾减灾决策提供技术支持。
3.监测价值
解决了铁塔人工巡检工作量大，实效性、连续性、准确性差和检测数据分析滞后等问题。通过利用物联网感、传、知、用技术，对铁塔进行监测，避免铁塔出现倾斜、变形、倒塌等危及铁塔或周边环境及人员财产安全的事件发生，以便供电力部门迅速制定解决方案，能够避免或者减轻杆塔破坏所带来的损失。实现铁塔的实时动态监测，强化铁塔安全监管工作，使铁塔处于实时可控的安全状态，为铁塔的后期维护提供大数据支撑，辅助管理者进行科学决策。
4.系统组成
电力铁塔形变监测系统通过前端数据采集设备倾角传感器和摄像机、北斗模块相互配合，实现24小时全天候无人值守监测，实时监测电力塔形变点的空间位移、监测线路沉降、倾斜状态，并通过传输模块传至监控站，电力人可通过系统后台随时查看杆塔倾斜形变区的变形状况、几何线形以及位置情况。当出现警情时会发出预警信息，提醒相关指挥人员做好抢险救灾工作准备。
GNSS监测站兼具前端解算功能，通过下载基准站推送到服务器的原始数据，采用内置的静态解算引擎，由监测站自行解算得到监测体变形数据后发送回数据中心，以此减轻后台服务器的负载。具备自适应功能，可以根据监测体变形情况，自动调整监测模式，常规状态下按一定间隔采集输出静态高精度坐标。
监测传感器采集终端：主要有北斗GNSS接收机、表面应变计、固定式测斜仪等设备。
数据传输终端：北斗天线到北斗接收机之间由同轴电缆通讯；监测点北斗接收机及其它传感器与数据中心通讯采用加密的3G/4G通讯方式；基站数据与数据中心的通讯采用专线，以保障信息安全。
数据处理中心：部署基于混合云的北斗高精度形变监测专有服务系统。
安全预警平台：监测云平台，通过大屏、PC端、移动端对图形化后的数据进行展示与处理，同时将数据存入数据库中，对数据进行永久化存储。
5、地表变形监测
5.1、设备选型
地表变形监测采用高精度GNSS一体机进行在线监测。
依托精密监测传感器和业界领先的高精定位差分算法，提供毫米级位置计算公共服务，实现高精度结构监测。具有以下优点：
- 高密度、高稳定性、高承载能力的地基增强站，形成一张全国地基增强网。
- 区域多基站误差统一建模专利技术，削弱大气误差影响，服务范围大大提升，网内基线解算精度可以维持稳定的毫米级精度。
- 提供静态毫米级解算云计算服务，监测点数据接入快速、简单，无需搭建解算平台，可满足铁塔地质灾害隐患点、结构物的高精度监测需求。
- 年运行可靠率99%以上，系统可满足7×24小时长时间可靠运行。
- 采用分布式云计算技术，支持大规模用户访问请求，可快速响应；通过弹性扩容，能够处理短时间超大流量的访问请求，实现海量用户的并发处理。
采用高精度GNSS一体机，该产品可接收北斗、GPS、格洛纳斯、伽利略等的全星座全频点，它具有强大的卫星跟踪能力、抗干扰算法和多路径抑制技术，更好适应恶劣的监测环境。
5.2、点位布设
选点原则如下：
（1）基准站距离测区 3 公里以内为宜，尽量靠近数据传输网络；
（2）基准站基础应相对稳固，最好建在稳定的基岩上或冻土层以下 2 米；
（3）站点应选易于安置接收设备且视野开阔的位置，视场周围高度在 10 度以上不宜有障碍物，以免信号被吸收或遮挡；
（4）站点应该远离大功率无线电发射源（如电视台、微波站等），其距离最好不小于200m；远离高压输电线，其距离不得小于 50m，以避免电磁场对 GNSS 信号的干扰；
（5）站点附近不应有大面积水域或强烈干扰卫星信号接收的物体，以减弱多路径效应的影响；
（6）远离震动源（如铁路、公路等）50 米以上；
（7）无人看守时，保证设备安全，防止有人故意破坏。
GNSS监测点的点位布置根据项目实际情况而定。
- 表面变形监测
6.1、设备选型
采用表面应变计监测塔架变形情况；
振弦式表面应变计适用于长期布设在水工结构物或其它结构物的表面，测量结构物表面的应变量，并可同步测量布设点的温度。
振弦式表面应变计弹性模量小，与被测结构物的随动性好，测量中不会干扰原应力场，包含式设计,全不锈钢结构，安装简单使用可靠，并可回收重复使用。
6.1、组成及原理
振弦式表面应变计由应变计、安装夹具、观测电缆等组成。
工作原理：
当被测结构物发生变形，将带动表面应变计变形，变形通过前、后端座传递给振弦转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可测出结构物的应变量。同步测量埋设点的温度值。
6.3、安装步骤
第一步：在被测构件安装位置打毛表面，将装好试棒的夹具底面涂速干胶(如AB胶)粘贴在安装位置，用手按紧待胶干后松手；
第二步:松开两夹具M6螺栓，取下试棒；然后将表面应变计穿在固定好的夹具上，当表面应变计的圆端面与夹具外端面平齐后拧紧夹具M6螺栓；如需要调整表面应变计初始读数时，请安装拉手，调整初始读数，完成后锁紧螺栓；
第三步：取下拉手，合理敷设和保护观测电缆，读取读数记录在案。
