1.1通信铁塔运维背景
通信铁塔是现代通信系统中不可或缺的基础设施之一，随着通信技术飞速发展，通信铁塔目前已经遍布城乡，随处可见，它们承载着手机、互联网等通信信号的传输。通信铁塔由于处于户外环境，长期面临着恶劣的气候条件，同时也承担着大风、雷击、震动等自然灾害的风险，随着服役时间的增长，铁塔结构不可避免会出现老化/破坏等安全隐患。因此，为了确保通信网络的高效稳定运行，运维管理者需要定期对铁塔结构进行巡检，但由于通信铁塔数量巨大，传统的巡检工作会耗费大量人力物力。
铁塔的在线健康检测相比于传统的人工巡检，具有实时监测、自动化程度高、经济效益高、数据准确性高和安全性高等优点，可以更好地保障通信网络的稳定运行。星派团队根据通信铁塔的结构特点，从力学角度出发，结合有限元数值分析算法，在充分分析电信塔常见破坏形式的基础上，自主研发更合适的监测硬件，优化在线监测的传感器选型和布设，并对监测数据进行有限元数值分析，采用专业软件展示数据和分析结果，使其能更直观、更充分地监测数据的变化趋势和变化程度，帮助运维人员及时发现问题并进行处理，提高通信铁塔的安全性和可靠性，降低运维成本。
1.2传感器布设方案
星派团队通过分析不同形状铁塔结构特点、主要破坏形式以及其维护管理的需求，在铁塔结构的关键节点位置和结构薄弱位置布设传感器，通过专业的评估技术，可以准确识别铁塔的结构倾斜、变形、覆冰、螺栓松动等结构异常，并可通过选配传感器识别大风、雷击、人员爬塔等异常情况。传感器布设方案示意图如下：
图2 测点总体布置图
在布设传感器时，我们自主研发了可以同步采集结构应力信息和振动信息的采集器，搭配自主研发的多通道采集仪和数据传输模块，组成高效、实时的数据采集和传输系统，本套采集系统具有以下优势：
1. 数据精度高：采集器采用24位高精度低噪声AD芯片、集成可编程增益和片内稳压电路，低通滤波，抗干扰能力强，可以精确感知微小地应力变化，能够更准确地描述通信铁塔的受力情况。
2. 采集频率快：采集器可以以最高80Hz的采集频率长时间工作，能够更加准确地反映出被测对象的变化趋势，包括小幅度变化或突发性变化，可以更及时地将采集到的数据传输到中心处理系统，提高系统预警的实时性。
3. 传感器数量少：采集器能够同时采集应力信息和振动信息，因此在传感器布设时可以减少传感器的种类和数量，从而降低安装和维护的成本，同时也能够减少传感器安装对通信铁塔本身的影响。
4. 实时多通道监测：搭配我们的多通道采集仪，可以同时采集多个通道的应力和振动数据，通过数传模块实时发送给中心处理系统进行数据分析，可以及时发现通信铁塔的异常情况，并发出预警信息，供运维人员采取相应的措施，保证通信铁塔的安全运行。
图3 硬件系统
1.3软件展示系统
软件主要功能包含：监测数据的实时显示、历史数据的显示、间接计算数据（结构基频等）的实时显示以及多种数据的对比与分析。其中，数据分析方法主要有：数据的统计分析（极值、平均值、有效值、均方值、方差、标准差等）、结构参数识别（弯矩识别、结构固有特性识别等）、结构的安全评估（趋势分析、动力指纹、状态诊断、承载力评定等）等功能。后续也可以通过特定的载荷识别算法结合结构有限元分析方法，获得铁塔连接部位的受力情况，进一步分析连接部位的强度、疲劳等性能。本软件也可根据系统分析的结果，自动生成报表，统计并分析较长周期内结构安全监测系统获取的数据，得出结构性能的退化演变过程以及结构状态的发展趋势，为铁塔结构的维护、维修、加固等工作的有效开展提供依据。
图4 软件系统
铁塔结构安全监测系统从铁塔区域营运中获取并处理数据，评估结构安全性能和工作状态，获取铁塔所在区域代表环境、荷载源及结构响应信息的实时监测数据，定量得出能够反映铁塔结构状态的参数指标，作为铁塔安全状态预警评估的参考依据。以下为软件主要页面的展示与功能介绍：
（1）区域铁塔群主界面
- 铁塔结构群监测云平台，实时掌握区域内铁塔安全状况。
- 多级用户权限设置，独立预警接收策略，结构群分层管理。
图5 区域铁塔群主界面
（2）单塔监测主页面
- 单塔监测页面自由配置，多元数据实时显示。
- 监测数据、硬件等各类异常信息实时更新、预警，及时反馈用户。
- BIM模型与监测点位一一对应，支持以交互方式查看曲线信息。
图6 单塔监测主页面
（3）实时数据页面
- 支持高采样频率动态监测数据实时显示。
- 经典EMD分解法实现动态数据动、静态分离。
- 应变、倾角、温度、振动等关键数据全方位展示。
- 实时基频计算，结构损伤信息及时掌握。
图7 实时数据页面
（4）数据分析页面
- 支持相关性分析、统计分析、高斯分布统计、功率谱密度、傅里叶变换等数据分析方法。
- 内置各类分析方法使用说明与理论介绍，方便用户选择合适算法进行分析。
- 支持海量数据点图、曲线绘制。
图8 数据分析页面
（5）实时预警页面
- 支持识别多种数据及设备异常，分类预警。
- 预警信息与BIM模型可互动，及时定位数据异常或设备故障位置，辅助工作人员进行维修、排查。
- 多层次预警筛选策略，及时分类处理。
图9 实时预警界面