CN110763271A - 北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法 - Google Patents

北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法，该装置包括安装于铁塔上的采集单元，采集单元通过监测单元和数据通信网络与安装在近端的铁塔监测服务器、管理终端相连，其中所述的监测单元包括环境监测单元和北斗接收单元，北斗接收单元包括安装在铁塔顶部的塔顶北斗接收天线，安装在铁塔中部的塔中北斗接收天线和安装在铁塔塔基处的塔基北斗接收天线，三个北斗接收天线分别通过北斗差分接收机与监测单元连接。本发明基于北斗卫星精确定位，实现对铁路铁塔进行倾斜监测、塔基沉降监测、铁塔环境监测（风速、风向、温湿度），为铁塔维护和铁路物联网应用提供有效手段。

Description

北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法
技术领域
本发明涉及铁塔检测系统领域，具体是一种北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法。
背景技术
铁塔越来越多的应用于铁路通信。然而，地壳运动、恶劣气候、老化氧化，潜在的人为偷盗破坏等因素，都会给铁塔带来的安全隐患，甚至导致铁塔倾斜，倒塌等。
目前，传统的铁路通信铁塔维护主要定期巡检，人为观测，这些事非常必要的安全防护手段，但上述手段存在一定的主观性，某些参数人工实测困难，并且不容易及时发现问题，无法满足铁塔实时监测的需求。
现有技术中也存在一些自动检测铁塔的设备，通过在铁塔上安装若干传感器来对铁塔周围环境信息进行采集，从而对铁塔存在的安全隐患进行提前排查。但是现有的监测设备功能不够全面，特别是对于铁塔垂直度的监测，存在很大的误差。
为了消除铁塔安全隐患，避免出现倾斜、倒塌等危及行车安全的事情发生，需要采用先进的技术设备对铁塔进行实时的安全监测，为铁塔的集中整治、中修、大修提供基础参考数据。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种北斗卫星铁路铁塔监测装置及方法，基于北斗卫星精确定位，实现对铁路铁塔进行倾斜监测、塔基沉降监测、铁塔环境监测(风速、风向、温湿度)，为铁塔维护和铁路物联网应用提供有效手段。
本发明提供了一种北斗卫星铁路铁塔监测装置，包括安装于铁塔上的采集单元，采集单元通过监测单元和数据通信网络与安装在近端的铁塔监测服务器、管理终端相连，其中所述的监测单元包括环境监测单元和北斗接收单元，北斗接收单元包括安装在铁塔顶部的塔顶北斗接收天线，安装在铁塔中部的塔中北斗接收天线和安装在铁塔塔基处的塔基北斗接收天线，三个北斗接收天线分别通过北斗差分接收机与监测单元连接。
进一步改进，所述的塔顶北斗接收天线和塔中北斗接收天线通过支架安装在铁塔侧方，所述的塔基北斗接收天线通过预埋螺丝固定在塔基上方，所述三个北斗接收天线均安装在东南或西南方向，保持与地面垂直，与铁塔边缘距离大于0.5米。
进一步改进，所述的数据通信网络为以太网或LTE/GPRS网络。
进一步改进，所述的环境采集单元包括风速风向传感器和温湿度传感器。
本发明还提供了一种北斗卫星铁路铁塔监测方法，包括以下监控过程：采集单元采集铁塔的数据发送到监测单元，监测单元将数据通过数据通信网络将数据传送到铁塔监测服务器，工作人员通过管理终端对数据进行监控，所述的采集单元采集过程包括环境监测单元对于环境数据的采集以及北斗接收单元根据北斗信号对于铁塔物理数据监测，其中物理数据监测具体如下：
1)铁塔位移测量，在一个固定的位置，利用北斗差分接收机收集一段时间北斗卫星的定位数据，进行计算，在水平面得到2mm精度的定位数据；
2)铁塔垂直度测量，利用北斗差分接收机收集一段时间铁塔塔顶塔中和塔基三处的水平位移量，通过塔底、塔中、塔顶二段直线的垂直度相对变化来表示铁塔的垂直度；
3)利用北斗差分接收机通过塔基北斗接收天线接收塔基垂直方向的定位数据，测量铁塔地基沉降变化。
所述的环境数据采集包括：
1)利用风速传感器采集风速，风速监测范围0～60m/s；风向监测精度2°，RS485数字化输出；
2)利用铁塔温湿度环境监测铁塔温湿度变化，温度监测范围：-50～+85℃；湿度监测范围0～100％。
本发明有益效果在于：
1、基于北斗卫星精确定位，实现对铁路铁塔进行倾斜监测、塔基沉降监测、铁塔环境监测(风速、风向、温湿度)，为铁塔维护和铁路物联网应用提供有效手段。
2、基于北斗静态差分技术在天线微摇摆状态下，提高铁塔水平位移监测精度算法；北斗卫星可以实现静态差分毫米级定位，但是铁塔属于弹性结构，在有风和震动条件下，铁塔上部会发生摆动，通过RTK动态监测和静态差分算法组合，实现监测点在微动状态下的高精度定位。
3、北斗单基站实现三路天线接入，同时监测铁塔顶部、中部、底部的位移和塔基沉降监测技术；
4、将北斗测向接收机进行优化设计，提高硬件加速能力和计算速度，实现单接收机同时对三个测量点的监测，降低系统成本。
5、铁塔监测管理平台图形化显示和地形管理技术；按照铁路铁塔维护管理需求，以及人员使用界面直接友好要求，将数据和操作直接用图形化界面和模拟化界面进行呈现，同时把地图、图片、视频相结合，界面呈现美观、易用。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为可视化数据显示示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明提供了一种北斗卫星铁路铁塔监测装置，结构如图1所示，包括安装于铁塔上的采集单元，采集单元通过监测单元和数据通信网络与安装在近端的铁塔监测服务器、管理终端相连，其中所述的监测单元包括环境监测单元和北斗接收单元，北斗接收单元包括安装在铁塔顶部的塔顶北斗接收天线，安装在铁塔中部的塔中北斗接收天线和安装在铁塔塔基处的塔基北斗接收天线，三个北斗接收天线分别通过北斗差分接收机与监测单元连接。
进一步改进，所述的塔顶北斗接收天线和塔中北斗接收天线通过支架安装在铁塔侧方，所述的塔基北斗接收天线通过预埋螺丝固定在塔基上方。天线安装注意事项如下：
①设点位周围应视野较开阔，以利于安置接收设备和扩展、联测。
②天线南面15°以上不能有成片遮挡，以免影响卫星的信号接收。
③安装在东南或西南方向，保持与地面垂直，与铁塔边缘距离大于0.5米；
④选择的安装位置及装置外观结构应不影响正常的通讯铁塔检修维护工作。
⑤装置的安装应整齐、牢固，有必要的防护措施和防锈处理。
⑥北斗天线馈线与电力线分开，绑扎。
⑦塔上安装点方便监测单元的固定和整体角度调整。
⑧安装时，采用标准角度测量工具对装置安装角度进行预调整。
进一步改进，所述的数据通信网络为以太网或LTE/GPRS网络。
进一步改进，所述的环境采集单元包括风速风向传感器和温湿度传感器。
本发明还提供了一种北斗卫星铁路铁塔监测方法，包括以下监控过程：采集单元采集铁塔的数据发送到监测单元，监测单元将数据通过数据通信网络将数据传送到铁塔监测服务器，工作人员通过管理终端对数据进行监控，所述的采集单元采集过程包括环境监测单元对于环境数据的采集以及北斗接收单元根据北斗信号对于铁塔物理数据监测，其中物理数据监测具体如下：
1)铁塔位移测量，在一个固定的位置，利用北斗差分接收机收集一段时间北斗卫星的定位数据，进行计算，在水平面得到2mm精度的定位数据。动态差分RTK定位是通过多颗卫星定位数据，快速计算出8mm精度的定位数据。
按照铁总23号文标准当位移超过H/150要告警，位移测量精度要达到H/1500。
具体铁塔偏移率参见下表：
铁塔高度 50m 30m 20m 10m
位移分辨率(mm) 33 20 13.3 6.6
位移告警值(mm) 333 200 133 66
可知动态定位RTK精度可满足高度大于12m铁塔监测要求。
通过在塔顶、塔中和塔底安装三个北斗定位监测点，可以准确理解铁塔的形变和偏移趋势。
2)铁塔垂直度测量，利用北斗差分接收机收集一段时间铁塔塔顶塔中和塔基三处的水平位移量，通过塔底、塔中、塔顶二段直线的垂直度相对变化来表示铁塔的垂直度。
垂直度表示铁塔顶部偏移Δ与高度H的比值Δ/H，按照铁总23号文标准垂直度大于1/1000要给出一般告警，测量精度可按照高精度1/10，粗精度1/3要求，可计算出垂直度要求值，见下表。
铁塔高度 50m 30m 20m 10m
Δ告警值(mm) 50 30 20 10
高测量精度(mm) 5 3 2 1
粗测量精度(mm) 15 9 4 3
可知北斗RTK动态差分定位精度可以满足30米以上垂直度监测要求；静态差分定位精度可以满足10米以上铁塔垂直度测量要求。
3)利用北斗差分接收机通过塔基北斗接收天线接收塔基垂直方向的定位数据，测量铁塔地基沉降变化。在铁塔基础上通过安装北斗静态差分定位，测量精度为5mm，可以准确测量铁塔地基沉降变化。铁总铁塔沉降标准要求如下表，
Figure BDA0002250467250000051
所述的环境数据采集包括：
1)利用风速传感器采集风速，风速监测范围0～60m/s；风向监测精度2°，RS485数字化输出；
2)利用铁塔温湿度环境监测铁塔温湿度变化，温度监测范围：-50～+85℃；湿度监测范围0～100％。
本发明还具有以下功能：
1、管理功能：
配置管理：设备参数、通信参数等数据管理。
权限管理：登录权限、用户注册、优先级等管理；
查询设置：对北斗接收机、传感器等设备进行参数修改和查询，有主动查询和自动定时上报(10min～24h可设)；
告警管理：实现监测参数超过门限，设备故障等数据主动上报，监测中心终端给出告警界面和声音提示，告警分为一般、重要、严重三级告警。
日志管理：记录人员操作和参数修改。
数据存储：对监测数据可设置为30个月到1年的自动存储。
2、可视化数据显示：
铁塔监测点地图显示；铁塔属性显示(包括公里标、所属站段、铁塔高度、铁塔类型等等)；监测数据曲线，根据给出时间段显示各类监测数据，也可以合并显示，如图2所示。
3、数据分析与预警：
根据监测数据进行分析，①提高监测精度；②设置风险区域；③对接近告警区域数据，及时预警显示。
4、地图：
提供线路铁塔站点的精确地理信息，采用离线GIS地图，实现放大缩小，查找搜索等功能，同时可显示铁塔照片和相关铁路信息。
5、台账管理：
可登记、记录、查找、汇总管辖区段内铁塔设施、监测设备和管理等信息，如铁塔属性、设备属性(生产厂家、产品编号、开通日期)、维护信息(维护内容、维护日期、维护人员等)。
6、报表输出：
可输出监控参数报表和曲线、日志报表、台账报表等。
本发明采用的各设备参数如下：
1、北斗差分接收机：
Figure BDA0002250467250000061
Figure BDA0002250467250000071
对外接口：
Figure BDA0002250467250000072
2、北斗卫星天线
频率:BD B1/B2；GPS L1/L2；GLONASS L1/L2；圆极化:右旋圆极；
驻波:≤1.5；
无源增益:≥5dBi；
相位中心:±2mm；
方向:360°全向；
有源增益:40±2dB；
噪声系数:≤1.5dB；
带内波动:±1dB；
电压:3～12V DC，馈线供电；
接头:N-k，阻抗:50Ω；
工作温度:-40℃～+85℃；
防水等级:IP67。
3、微型气象仪监测仪
Figure BDA0002250467250000073
Figure BDA0002250467250000081
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种北斗卫星铁路铁塔监测装置，其特征在于：包括安装于铁塔上的采集单元，采集单元通过监测单元和数据通信网络与安装在近端的铁塔监测服务器、管理终端相连，其中所述的监测单元包括环境监测单元和北斗接收单元，北斗接收单元包括安装在铁塔顶部的塔顶北斗接收天线，安装在铁塔中部的塔中北斗接收天线和安装在铁塔塔基处的塔基北斗接收天线，三个北斗接收天线分别通过北斗差分接收机与监测单元连接。
2.根据权利要求1所述的北斗卫星铁路铁塔监测装置，其特征在于：所述的塔顶北斗接收天线和塔中北斗接收天线通过支架安装在铁塔侧方，所述的塔基北斗接收天线通过预埋螺丝固定在塔基上方，所述三个北斗接收天线均安装在东南或西南方向，保持与地面垂直，与铁塔边缘距离大于0.5米。
3.根据权利要求1所述的北斗卫星铁路铁塔监测装置，其特征在于：所述的数据通信网络为以太网或LTE/GPRS网络。
4.根据权利要求1所述的北斗卫星铁路铁塔监测装置，其特征在于：所述的环境采集单元包括风速风向传感器和温湿度传感器。
5.一种北斗卫星铁路铁塔监测方法，其特征在于包括以下监控过程：采集单元采集铁塔的数据发送到监测单元，监测单元将数据通过数据通信网络将数据传送到铁塔监测服务器，工作人员通过管理终端对数据进行监控，所述的采集单元采集过程包括环境监测单元对于环境数据的采集以及北斗接收单元根据北斗信号对于铁塔物理数据监测，其中物理数据监测具体如下：
1）铁塔位移测量，在一个固定的位置，利用北斗差分接收机收集一段时间北斗卫星的定位数据，进行计算，在水平面得到2mm精度的定位数据；
2）铁塔垂直度测量，利用北斗差分接收机收集一段时间铁塔塔顶塔中和塔基三处的水平位移量，通过塔底、塔中、塔顶二段直线的垂直度相对变化来表示铁塔的垂直度；
3）利用北斗差分接收机通过塔基北斗接收天线接收塔基垂直方向的定位数据，测量铁塔地基沉降变化。
6.根据权利要求5所述的北斗卫星铁路铁塔监测方法，其特征在于：所述的环境数据采集包括：
1）利用风速传感器采集风速，风速监测范围0~60m/s；风向监测精度2°，RS485数字化输出；
2）利用铁塔温湿度环境监测铁塔温湿度变化，温度监测范围：-50~+85℃；湿度监测范围0~100%。
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