1.1通信鐵塔運維背景
通信鐵塔是現代通信系統中不可或缺的基礎設施之一，随着通信技術飛速發展，通信鐵塔目前已經遍布城鄉，随處可見，它們承載着手機、網際網路等通信信号的傳輸。通信鐵塔由于處于戶外環境，長期面臨着惡劣的氣候條件，同時也承擔着大風、雷擊、震動等自然災害的風險，随着服役時間的增長，鐵塔結構不可避免會出現老化/破壞等安全隐患。是以，為了確定通信網絡的高效穩定運作，運維管理者需要定期對鐵塔結構進行巡檢，但由于通信鐵塔數量巨大，傳統的巡檢工作會耗費大量人力物力。
鐵塔的線上健康檢測相比于傳統的人工巡檢，具有實時監測、自動化程度高、經濟效益高、資料準确性高和安全性高等優點，可以更好地保障通信網絡的穩定運作。星派團隊根據通信鐵塔的結構特點，從力學角度出發，結合有限元數值分析算法，在充分分析電信塔常見破壞形式的基礎上，自主研發更合适的監測硬體，優化線上監測的傳感器選型和布設，并對監測資料進行有限元數值分析，采用專業軟體展示資料和分析結果，使其能更直覺、更充分地監測資料的變化趨勢和變化程度，幫助運維人員及時發現問題并進行處理，提高通信鐵塔的安全性和可靠性，降低運維成本。
1.2傳感器布設方案
星派團隊通過分析不同形狀鐵塔結構特點、主要破壞形式以及其維護管理的需求，在鐵塔結構的關鍵節點位置和結構薄弱位置布設傳感器，通過專業的評估技術，可以準确識别鐵塔的結構傾斜、變形、覆冰、螺栓松動等結構異常，并可通過選配傳感器識别大風、雷擊、人員爬塔等異常情況。傳感器布設方案示意圖如下：
圖2 測點總體布置圖
在布設傳感器時，我們自主研發了可以同步采集結構應力資訊和振動資訊的采集器，搭配自主研發的多通道采集儀和資料傳輸子產品，組成高效、實時的資料采集和傳輸系統，本套采集系統具有以下優勢：
1. 資料精度高：采集器采用24位高精度低噪聲AD晶片、內建可程式設計增益和片内穩壓電路，低通濾波，抗幹擾能力強，可以精确感覺微小地應力變化，能夠更準确地描述通信鐵塔的受力情況。
2. 采集頻率快：采集器可以以最高80Hz的采集頻率長時間工作，能夠更加準确地反映出被測對象的變化趨勢，包括小幅度變化或突發性變化，可以更及時地将采集到的資料傳輸到中心處理系統，提高系統預警的實時性。
3. 傳感器數量少：采集器能夠同時采集應力資訊和振動資訊，是以在傳感器布設時可以減少傳感器的種類和數量，進而降低安裝和維護的成本，同時也能夠減少傳感器安裝對通信鐵塔本身的影響。
4. 實時多通道監測：搭配我們的多通道采集儀，可以同時采集多個通道的應力和振動資料，通過數傳子產品實時發送給中心處理系統進行資料分析，可以及時發現通信鐵塔的異常情況，并發出預警資訊，供運維人員采取相應的措施，保證通信鐵塔的安全運作。
圖3 硬體系統
1.3軟體展示系統
軟體主要功能包含：監測資料的實時顯示、曆史資料的顯示、間接計算資料（結構基頻等）的實時顯示以及多種資料的對比與分析。其中，資料分析方法主要有：資料的統計分析（極值、平均值、有效值、均方值、方差、标準差等）、結構參數識别（彎矩識别、結構固有特性識别等）、結構的安全評估（趨勢分析、動力指紋、狀态診斷、承載力評定等）等功能。後續也可以通過特定的載荷識别算法結合結構有限元分析方法，獲得鐵塔連接配接部位的受力情況，進一步分析連接配接部位的強度、疲勞等性能。本軟體也可根據系統分析的結果，自動生成報表，統計并分析較長周期内結構安全監測系統擷取的資料，得出結構性能的退化演變過程以及結構狀态的發展趨勢，為鐵塔結構的維護、維修、加強等工作的有效開展提供依據。
圖4 軟體系統
鐵塔結構安全監測系統從鐵塔區域營運中擷取并處理資料，評估結構安全性能和工作狀态，擷取鐵塔所在區域代表環境、荷載源及結構響應資訊的實時監測資料，定量得出能夠反映鐵塔結構狀态的參數名額，作為鐵塔安全狀态預警評估的參考依據。以下為軟體主要頁面的展示與功能介紹：
（1）區域鐵塔群主界面
- 鐵塔結構群監測雲平台，實時掌握區域内鐵塔安全狀況。
- 多級使用者權限設定，獨立預警接收政策，結構群分層管理。
圖5 區域鐵塔群主界面
（2）單塔監測首頁面
- 單塔監測頁面自由配置，多中繼資料實時顯示。
- 監測資料、硬體等各類異常資訊實時更新、預警，及時回報使用者。
- BIM模型與監測點位一一對應，支援以互動方式檢視曲線資訊。
圖6 單塔監測首頁面
（3）實時資料頁面
- 支援高采樣頻率動态監測資料實時顯示。
- 經典EMD分解法實作動态資料動、靜态分離。
- 應變、傾角、溫度、振動等關鍵資料全方位展示。
- 實時基頻計算，結構損傷資訊及時掌握。
圖7 實時資料頁面
（4）資料分析頁面
- 支援相關性分析、統計分析、高斯分布統計、功率譜密度、傅裡葉變換等資料分析方法。
- 内置各類分析方法使用說明與理論介紹，友善使用者選擇合适算法進行分析。
- 支援海量資料點圖、曲線繪制。
圖8 資料分析頁面
（5）實時預警頁面
- 支援識别多種資料及裝置異常，分類預警。
- 預警資訊與BIM模型可互動，及時定位資料異常或裝置故障位置，輔助從業人員進行維修、排查。
- 多層次預警篩選政策，及時分類處理。
圖9 實時預警界面