CN109579909A - 基于多源信息的铁塔在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于多源信息的铁塔在线监测系统，所述系统包括供电模块，数据采集模块，数据运算中心，信号传输模块，铁塔数据终端。监测方法为：供电模块对整个监测系统进行供电，数据采集模块包括倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块、温度传感器、GPS传感器，分别获取铁塔的多源信息：倾角(θ_x,θ_y)、加速度(a_x,a_y,a_z)、相对位置信息(x，y，z)、温度T、位置信息同时数据采集模块与数据运算中心相连，数据运算中心对传感器获得的数据进行运算滤波、综合之后得到铁塔状况数据，由信号传输模块将铁塔状况数据通过互联网传送至铁塔数据终端。本发明可以对铁塔实时监测，能够确保铁塔长期健康有效的运行。

Description

基于多源信息的铁塔在线监测系统

技术领域

本发明属于监测技术领域，尤其涉及铁塔在线监测技术。

背景技术

随着国际社会的不断发展，许多行业对于铁塔的应用要求不断提高，同时铁塔的数量也不断上升，例如移动通信中的通信铁塔，国家电网的电力铁塔等数量急剧增涨。与此同时，铁塔作为众多行业的基础设施，其健康状况直接关系到铁塔是否能够正常有效的工作。例如铁塔的倾斜状况，以及所在地基的水平方向和竖直方向的位移情况，直接影响着铁塔能否健康稳定的工作。同时，铁塔能否安全、有效的运行甚至是威胁到了国家信息安全，以及国家经济发展，乃至铁塔周围人们的生命安全。

长期以来，铁塔大多都工作在野外环境，面临着日晒、风吹、雨淋以及地质滑坡等恶劣环境的影响，同时铁塔自身的螺丝松动，材质老化等都对铁塔的健康造成了严重的破坏。对于此，人们提出了大量的铁塔的监测方法。各种方式方法有所不同，同时传统的对于铁塔的检测方法手段较为落后，以及较高的人工维护成本。传统的采用人工对铁塔的检测维护手段较为落后，受人们主观意识的影响，且易受恶劣环境的限制，在时间上具有较重的滞后性。对于那些需要对铁塔健康信息给出预警时，更是难上加难。

基于此，一种能够对铁塔的健康状况，如铁塔倾斜程度、地质位移情况等数据实时监测，以及能够提前给出铁塔的预警信息的铁塔在线监测系统的设计，显得极为重要。这样的监测系统的被设计可以极大的节省铁塔的日常维护成本，以及突破恶劣环境下不能对铁塔实施检测的限制，从而保障铁塔健康有效的运行，实现国家信息安全，具有重要意义和实用价值。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种能够对各种铁塔进行实时的监测，做到对铁塔的全天候无间断监控，进而实现异常的实时报警，最终实现降低安全隐患以及提高铁塔工作效率的基于多源信息的铁塔在线监测系统。本发明的技术方案如下：

一种基于多源信息的铁塔在线监测系统，其包括：供电模块、数据采集模块、数据运算中心、信号传输模块及铁塔数据终端，所述供电模块由太阳能蓄电池构成，供电模块分别和数据采集模块、数据运算中心、信号传输模块相连接并提供电源，数据采集模块设置于铁塔上，所述数据采集模块包括倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块、温度传感器及GPS传感器，分别用于获取倾角(θ_x,θ_y)、加速度(a_x,a_y,a_z)、相对位置信息(x，y，z)、温度T及位置信息其中θ_x表示x轴倾角，θ_y表示y轴倾角，表示经度，表示纬度，所述数据采集模块与数据运算中心相连，所述数据运算中心实时对数据采集模块的传感器获得的数据采用自主算法进行处理、辨识，综合之后得到铁塔状况数据，由信号传输模块将铁塔状况数据通过互联网传送至铁塔数据终端。

进一步的，所述倾角传感器为正交的双轴倾角传感器，用以获取铁塔的倾斜角(θ_x,θ_y)。

进一步的，所述加速度传感器为三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器三轴互相正交，以水平地面上一点为原点，分别建立x、y、z轴，铁塔的坐标为(x，y，z)，用以获取铁塔所在空间的加速度变化情况分别为(a_x,a_y,a_z)，

其中，在采样时间间隔t内，求得(a_x,a_y,a_z)的变化量(Δa_x,Δa_y,Δa_z)，并进行积分，得到采样时间过程铁塔在空间内的位移情况为s_x表示x轴位移、s_y表示y轴位移、s_z表示z轴位移。

进一步的，所述UWB测距定位模块包含4个UWB定位基站和1个UWB定位标签，其中，UWB定位基站通过接收UWB标签中发出的信号，采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离，然后由三边测量法用以获取铁塔所在空间的相对位置分别为(x，y，z)，将测到的(x，y，z)发送给数据运算中心。

进一步的，所述采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离，然后由三边测量法用以获取铁塔所在空间的相对位置分别为(x，y，z)，具体包括：

采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离d，然后由三边测量法用以获取标签K时刻位置分别为D(x，y，z):

ΔD_k＝D_k-D_k-1，d_a、d_b、d_c、d_d分别表示到四个UWB定位基站的距离，D_k表示K时刻位置，ΔD_k表示K时刻和K-1时刻的位置距离差。

利用间接估计方式，将UWB测距定位模块位置和加速度二次积分位移参数各自的差值的作差Δ＝ΔD_k-S_k输入到滤波器中，从而经过卡尔曼滤波后的数据则是最优估计误差值，将这个数据反馈到UWB测距定位模块中去对标签K时刻位置分别为D(x，y，z)进行修正处理，得到最接近相对位置真实值。

进一步的，所述双轴倾角传感器的安装平面与三轴加速度传感器的x轴与y轴分别平行，3个UWB定位基站与铁塔底座在同一水平面，1个UWB定位基站在铁塔顶端。

进一步的，所述数据运算中心采用stm32单片机对铁塔监测数据进行分析辨识，得到铁塔健康状况数据，所述stm32单片机通过对数据采集模块的加速度数据的分析处理方法为，对加速度值的处理方法为：

考虑到铁塔在空间内发生位移时，空间内的加速度也必然改变，统计加速度(a_x,a_y,a_z)数据共500组，统计500组数据中出现加速度值的概率；

假设500组数据中出现了n种加速度数值，对这100组数据中各种加速度值出现的概率进行计算，若有各种加速度值出现的概率分别为P_2i(i＝1,2,…,n)，其中n≤500，利用加权分析法对各种加速度值设定权重，进而计算出在500次采样的倾角均值，最后得到高精度的加速度感器输出值

进一步的，所述stm32单片机通过对数据采集模块的倾角数据的分析处理方法为，将倾角传感器测得的倾斜角(θ_x,θ_y)采用如下方法进行滤波处理：

考虑到铁塔发生倾斜时，出现倾角不存在大范围数值，进行连续保存倾斜角(θ_x,θ_y)数据共100组，统计100组数据中x,y轴分别出现倾角数值的概率；

先对θ_x进行分析，假设100组数据中出现了n种倾角数值，对这100组数据中各种倾角值出现的概率进行计算，若有各种倾角值出现的概率分别为P_1i(i＝1,2,…,n)，其中n≤100。同时对θ_y分析方法与对θ_x分析放相同，利用加权分析法对各种倾角值设定权重，进而计算出在100次采样的倾角均值，最后得到高精度的倾角传感器倾角输出值

结合温度传感器得到的铁塔工作环境温度T,采用下式对倾角数据进行温度补偿：

进一步的，所述信号传输模块为GPRS模块，通过GPRS模块将铁塔状况数据通过数据终端上传至互联网。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提出了一种基于多源信息的铁塔在线监测系统，其系统由供电模块、数据采集模块、数据运算中心、信号传输模块及铁塔数据终端，所述供电模块由太阳能蓄电池构成，供电模块分别和数据采集模块、数据运算中心、信号传输模块相连接并提供电源，数据采集模块分别设置于铁塔上，所述数据采集模块包括倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块、温度传感器及GPS传感器，分别用于获取倾角(θ_x,θ_y)、加速度(a_x,a_y,a_z)、相对位置信息(x，y，z)、温度T及位置信息所述数据采集模块与数据运算中心相连，所述数据运算中心实时对数据采集模块的传感器获得的数据采用自主算法进行处理、辨识，综合之后得到铁塔状况数据，由信号传输模块将铁塔状况数据通过互联网传送至铁塔数据终端。

目前铁塔监测方法大多采用传统的单一传感器，其检测维护手段较为落后且需要较高的人工维护成本，易受恶劣环境的限制，在时间上具有较重的滞后性。难以对铁塔健康信息及时预警。本创新在于由多传感器组成数据采集模块，提出局域范围覆盖多源无线定位技术，增强自主导航位置信息精度，实现多传感器多源信息下连续可靠铁塔在线实时监测，通过快速、准确的数据对铁塔健康状况进行反应，实现了铁塔健康状况的在线监测，针对问题及时反馈、处理，能够确保铁塔长期健康有效的运行。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例的铁路安全监测几何示意图；

图2为本发明所述的铁塔在线监测系统框图；

图3为本法数据处理算法及信息流程框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提供了基于多源信息的铁塔在线监测系统。所述系统包括：供电模块，数据采集模块，数据运算中心，信号传输模块，铁塔数据终端。供电模块由太阳能蓄电池构成，数据采集模块由倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块、温度传感器、GPS传感器，分别用以获取铁塔倾斜状态、铁塔地面下沉与水平移动数据，铁塔环境温度，铁塔经纬度信息等数据，数据采集模块与数据运算中心相连，数据运算中心由stm32单片机组成，数据运算中心实时对传感器获得的数据进行分析处理，得到铁塔状况数据，由通信模块将铁塔状况数据通过互联网传送至铁塔数据终端。

进一步地，所述供电模块为太阳能蓄电池。

进一步地，所述数据采集模块中与数据运算中心相连的倾角传感器，所述数据采集模块中与数据运算中心相连的加速度传感器，所述数据采集模块中与数据运算中心相连的温度传感器，所述数据采集模块中与数据运算中心相连的GPS传感器，所述数据运算中心所采用stm32单片机，所述stm32单片机通过对数据采集模块的数据进行分析处理得到易于辨识的铁塔状况数据。

进一步地，所述stm32单片机通过对数据采集模块的倾角数据的分析处理方法为，将倾角传感器测得的倾斜角(θ_x,θ_y)采用如下方法进行滤波处理：

考虑到铁塔发生倾斜时，出现倾角不存在大范围数值，进行连续保存倾斜角(θ_x,θ_y)数据共100组，统计100组数据中x,y轴分别出现倾角数值的概率；

先对θ_x进行分析，假设100组数据中出现了n种倾角数值，对这100组数据中各种倾角值出现的概率进行计算，若有各种倾角值出现的概率分别为P_1i(i＝1,2,…,n)，其中n≤100。同时对θ_y分析方法与对θ_x分析放相同。利用加权分析法对各种倾角值设定权重，进而计算出在100次采样的倾角均值，最后得到高精度的倾角传感器倾角输出值

结合温度传感器得到的铁塔工作环境温度T,采用下式对倾角数据进行温度补偿：

进一步地，所述stm32单片机通过对数据采集模块的加速度数据的分析处理方法为，对加速度值的处理方法为：

考虑到铁塔在空间内发生位移时，空间内的加速度也必然改变。统计加速度(a_x,a_y,a_z)数据共500组，统计500组数据中出现加速度值的概率；

假设500组数据中出现了n种加速度数值，对这100组数据中各种加速度值出现的概率进行计算，若有各种加速度值出现的概率分别为P_2i(i＝1,2,…,n)，其中n≤500。利用加权分析法对各种加速度值设定权重，进而计算出在500次采样的倾角均值，最后得到高精度的加速度感器输出值

进而得到相连两次采样的加速度变化情况分别为(Δa_x,Δa_y,Δa_z)，在采样时间间隔t内分别对加速度进行二次积分，可以得到铁塔在空间内的位移S_k(s_x,s_y,s_z)情况

UWB测距定位模块：UWB定位基站ABCD通过接收UWB标签中发出的信号，采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离d，然后由三边测量法用以获取标签K时刻位置分别为D(x，y，z):

ΔD_k＝D_k-D_k-1

利用间接估计方式，将UWB测距定位模块位置和加速度二次积分位移参数各自的差值的作差Δ＝ΔD_k-S_k输入到滤波器中，从而经过卡尔曼滤波后的数据则是最优估计误差值。将这个数据反馈到UWB测距定位模块中去对标签K时刻位置分别为D(x，y，z)进行修正处理，得到最接近相对位置真实值。

进一步地，GPS传感器为铁塔提供地理位置信息

进一步的，将空间内测得的铁塔倾斜数据、加速度数据、UWB相对位置和GPS地理位置来对铁塔的健康状况进行辨识，根据不同安全阈值要求设定报警条件，进而给出报警信息。

进一步地，所述信号传输模块为GPRS模块，并将报警信息传输至互联网。

进一步地，所述铁塔数据终端接入互联网，获取GPRS模块传来的报警信息。

如图1所示，本发明优选实施例的基于多源信息的铁塔在线监测系统，所述系统包括：供电模块，数据采集模块，数据运算中心，信号传输模块，铁塔数据终端。其中，供电模块为太阳能蓄电池，数据采集模块、数据运算中、信号传输模块采用统一系统集成与供电模块相连同时安装在铁塔上面。所述数据采集模块包括倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块、温度传感器、GPS传感器，数据运算中心由内嵌核心算法的stm32单片机构成，所述信号传输模块为GPRS模块。

倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块将实时的对铁塔的倾斜数据、抖动数据以及所在地理位置的位移情况进行监测，同时上传给数据运算中心。所述的温度传感器、GPS传感器将对铁塔所处的环境温度数据以及地理位置进行实时监测，同时上传给数据运算中心。

数据运算中心对各传感器监测得到的数据进行实时分析运算，并将计算结果上传至数据终端。

信号传输模块通过GPRS模块将数据运算中心处理的计算结果上传至数据终端。

数据终端采用C#进行开发，并通过互联网接收信号传输模块传来的铁塔状态数据并进行显示和预警。当数据终端收到报警信息是由上位机给出声光提示报警，以便工作人员及时对铁塔采取维护措施，杜绝安全隐患的存在。

本发明提供的一种铁塔在线监测系统，能够对铁塔状况数据进行全天候，连续的在线监测，同时兼顾了实时性和稳定性。能够对铁塔健康状况进行客观、准确、快速的监测，做到有问题及时预警、及时采取措施，极大保障了铁塔健康有效的运行，同时避免了人工监测时高空作业带来的安全隐患以及突破恶劣环境不能监测的限制，具有重要意义和实用价值。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，包括：供电模块、数据采集模块、数据运算中心、信号传输模块及铁塔数据终端，所述供电模块由太阳能蓄电池构成，供电模块分别和数据采集模块、数据运算中心、信号传输模块相连接并提供电源，数据采集模块分别设置于铁塔上，所述数据采集模块包括倾角传感器、加速度传感器、UWB测距定位模块、温度传感器及GPS传感器，分别用于获取倾角(θ_x,θ_y)、加速度(a_x,a_y,a_z)、相对位置信息(x，y，z)、温度T及位置信息其中θ_x表示x轴倾角，θ_y表示y轴倾角，表示经度，表示纬度，所述数据采集模块与数据运算中心相连，所述数据运算中心实时对数据采集模块的传感器获得的数据采用自主算法进行处理、辨识，综合之后得到铁塔状况数据，由信号传输模块将铁塔状况数据通过互联网传送至铁塔数据终端。

2.根据权利要求1所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述倾角传感器为正交的双轴倾角传感器，用以获取铁塔的倾斜角(θ_x,θ_y)。

3.根据权利要求1所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述加速度传感器为三轴加速度传感器，所述三轴加速度传感器三轴互相正交，以水平地面上一点为原点，分别建立x、y、z轴，铁塔的坐标为(x，y，z)，用以获取铁塔所在空间的加速度变化情况分别为(a_x,a_y,a_z)，

其中，在采样时间间隔t内，求得(a_x,a_y,a_z)的变化量(Δa_x,Δa_y,Δa_z)，并进行积分，得到采样时间过程铁塔在空间内的位移情况为s_x表示x轴位移、s_y表示y轴位移、s_z表示z轴位移。

4.根据权利要求1所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述UWB测距定位模块包含4个UWB定位基站和1个UWB定位标签，其中，UWB定位基站通过接收UWB标签中发出的信号，采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离，然后由三边测量法用以获取铁塔所在空间的相对位置分别为(x，y，z)，将测到的(x，y，z)发送给数据运算中心。

5.根据权利要求4所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离，然后由三边测量法用以获取铁塔所在空间的相对位置分别为(x，y，z)，具体包括：

采用双向飞行时间法TW-TOF测量距离d，然后由三边测量法用以获取标签K时刻位置分别为D(x，y，z):

ΔD_k＝D_k-D_k-1，d_a、d_b、d_c、d_d分别表示到四个UWB定位基站的距离，D_k表示K时刻位置，ΔD_k表示K时刻和K-1时刻的位置距离差；

利用间接估计方式，将UWB测距定位模块位置和加速度二次积分位移参数各自的差值的作差Δ＝ΔD_k-S_k输入到滤波器中，从而经过卡尔曼滤波后的数据则是最优估计误差值，将这个数据反馈到UWB测距定位模块中去对标签K时刻位置分别为D(x，y，z)进行修正处理，得到最接近相对位置真实值。

6.根据权利要求5所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述双轴倾角传感器的安装平面与三轴加速度传感器的x轴与y轴分别平行，3个UWB定位基站与铁塔底座在同一水平面，1个UWB定位基站在铁塔顶端。

7.根据权利要求1-6之一所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述数据运算中心采用stm32单片机对铁塔监测数据进行分析辨识，得到铁塔健康状况数据，所述stm32单片机通过对数据采集模块的加速度数据的分析处理方法为，对加速度值的处理方法为：

考虑到铁塔在空间内发生位移时，空间内的加速度也必然改变，统计加速度(a_x,a_y,a_z)数据共500组，统计500组数据中出现加速度值的概率；

假设500组数据中出现了n种加速度数值，对这100组数据中各种加速度值出现的概率进行计算，若有各种加速度值出现的概率分别为P_2i(i＝1,2,…,n)，其中n≤500，利用加权分析法对各种加速度值设定权重，进而计算出在500次采样的倾角均值，最后得到高精度的加速度感器输出值

8.根据权利要求1-6之一所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述stm32单片机通过对数据采集模块的倾角数据的分析处理方法为，将倾角传感器测得的倾斜角(θ_x,θ_y)采用如下方法进行滤波处理：

考虑到铁塔发生倾斜时，出现倾角不存在大范围数值，进行连续保存倾斜角(θ_x,θ_y)数据共100组，统计100组数据中x,y轴分别出现倾角数值的概率；

先对θ_x进行分析，假设100组数据中出现了n种倾角数值，对这100组数据中各种倾角值出现的概率进行计算，若有各种倾角值出现的概率分别为P_1i(i＝1,2,…,n)，其中n≤100。同时对θ_y分析方法与对θ_x分析放相同，利用加权分析法对各种倾角值设定权重，进而计算出在100次采样的倾角均值，最后得到高精度的倾角传感器倾角输出值

结合温度传感器得到的铁塔工作环境温度T,采用下式对倾角数据进行温度补偿：

9.根据权利要求1-6之一所述的基于多源信息的铁塔在线监测系统，其特征在于，所述信号传输模块为GPRS模块，通过GPRS模块将铁塔状况数据通过数据终端上传至互联网。