CN114065515B - 基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，包括智能监测终端、无线通信模块和分析管控设备平台，智能监测终端对杆塔内部应力情况、周围环境情况和人员入侵造成的灾害风险进行数据监测和分析，同时通过无线通信模块将生成的信号与数据传输至分析管控设备平台，分析管控设备平台根据不同的信号进行风险管控处理，无需人员定期远途对杆塔进行检查，使风险管控具有数据支撑，更具有说服力，对出现风力影响下的杆塔振动、倾斜以及稳定性进行分析预警，将杆塔可能发生的重大灾害进行及时反馈，避免出现财产和人身安全损失，保证通讯基站的正常工作，降低了人员的劳动强度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及灾害预警领域，具体为基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***。
背景技术
杆塔是支承移动通讯基站天线、微波等无线信号传输设备并使它们之间以及与大地之间保持一定距离的杆形或塔形构筑物，杆塔结构是一种超静定结构，某一杆件的破坏并不能导致整个结构的破坏，只有当破坏的杆件达到一定数目时，杆塔不能再承受载荷，才算杆塔破坏。
地震、滑坡、雷击、恶劣气候、老化氧化、潜在的人为偷盗破坏等因素，都会给杆塔带来安全隐患。杆塔容易发生滑移、倾斜、开裂等现象，这会给通讯基站的日常使用带来巨大的安全隐患，并影响移动信号的有效覆盖。而传统的巡检是靠人工定期巡视，人为观测参数等人工方式，这些手段存在一定的缺陷，人工成本高且难以及时察觉到问题，无法满足实时监测的需求。为此，我们提出基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***。
发明内容
本发明的目的在于提供了基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***。
本发明所解决的技术问题为：
(1)如何通过设置应力监测单元，对稳定工作状态下的杆塔进行分析，从而得出杆塔在非外力作用下的工作状态，真实反映杆塔内部的应力分布情况，并通过埋设检测回路，根据电位压降情况得到主承载钢梁内部的导电率变化情况，进而确定其内部锈蚀情况，解决了现有技术中需要人员定期进行检查和通过敲击分辨声音确定锈蚀情况的问题；
(2)如何通过设置环境监测单元、姿态与振动监测单元，对杆塔周围区域内的地质情况、气候影响情况以及人员侵入情况进行自主识别分析，并对出现风力影响下的杆塔振动、倾斜以及稳定性进行分析预警，解决了现有技术中无法及时有效对杆塔进行维护和对出现的风险情况进行管控的问题。
本发明可以通过以下技术方案实现：基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，包括智能监测终端、无线通信模块和分析管控设备平台，智能监测终端中设置有应力监测单元、环境监测单元和姿态与振动监测单元，对杆塔内部应力情况、周围环境情况和人员入侵造成的灾害风险进行数据监测和分析，同时通过无线通信模块将生成的信号与数据传输至分析管控设备平台，分析管控设备平台根据不同的信号进行风险管控处理。
本发明的进一步技术改进在于：在杆塔处于稳定工作状态环境下时，应力监测单元通过应力传感器获取主承载钢梁连接处的应力分布，当判定主承载钢梁结构异常时，利用预埋的检测回路对主承载钢梁内部的锈蚀情况进行监测。
本发明的进一步技术改进在于：环境监测单元通过定期对杆塔周围设定范围内的温度数据和湿度数据进行采集，同时进行温度数据与湿度数据的稳定性分析，当温度数据与湿度数据处于对应的阈值内且满足时间限定时，判定杆塔馈线和基站天线中出现挂冰，此时分析管控设备平台授权微波管道对其进行加热融冰。
本发明的进一步技术改进在于：环境监测单元将风速和风向在杆塔模型中进行标记，通过力学分析得到杆塔基座的压力分布，当杆塔基座在垂直于风向的投影方向上的压力值超出预设值时，判定杆塔基座有倾斜风险。
本发明的进一步技术改进在于：环境监测单元通过摄像头定期或在特定天气发生后，对杆塔基座区域内进行地形影像采集，并对地形的结构变化以及植被覆盖率变化情况进行分析，根据分析结果评判水土流失风险，当出现水土流失风险时，分析管控设备平台获取当地天气预报并指定人员进行加固处理，同时，当摄像头获取到人物踪迹时，判定是否为陌生人入侵，若是，则进行语音警报或执法人员干预。
本发明的进一步技术改进在于：姿态与振动监测单元根据风速和风向计算得出垂直于对应杆塔固定的天线面板覆盖方向上的风速，并将风速大小划定三个不同的振动等级，根据振动等级不同对应力幅的大小、应力变化次数进行不同的损害系数加权处理，利用疲劳寿命曲线得到疲劳寿命值，根据疲劳寿命值与允许值的比较，采集振动频率与风速后发送至分析管控设备平台调取振动-风速比对表，从而确定对应杆塔的稳定性。
本发明的进一步技术改进在于：姿态与振动监测单元设置有垂直度监测设备，垂直度监测设备测量杆塔的倾斜角度并将其与预设角度范围进行比较，同时对倾斜持续时间进行限制，判断当前杆塔倾斜的风险程度。
本发明的进一步技术改进在于：天线面板在风速和风向的影响下，呈周期性摆动，应力传感器获取的实时数据也呈周期性变化，从而绘制出应力-时间曲线图，根据应力-时间曲线的变化周期确定变化频率和持续时间，进而得出应力幅的大小和应力变化次数。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1、通过设置应力监测单元，对稳定工作状态下的杆塔进行分析，从而得出杆塔在非外力作用下的工作状态，真实反映杆塔内部的应力分布情况，并通过埋设检测回路，根据电位压降情况得到主承载钢梁内部的导电率变化情况，进而确定其内部锈蚀情况，无需人员定期远途对杆塔进行检查，同时通过敲击辨声的方式对运维人员的经验有要求，没有数据支撑，且人员爬高也会存在事故风险。
2、通过设置环境监测单元、姿态与振动监测单元，对杆塔周围区域内的地质情况、气候影响情况以及人员侵入情况进行自主识别分析，当出现异常情况时，通过无线通信模块通知分析管控设备平台进行风险应急处理，同时，对出现风力影响下的杆塔振动、倾斜以及稳定性进行分析预警，杆塔在出现倾斜或位移的情况下，一方面存在安全隐患，另一方面也会影响信号覆盖效果，所以将杆塔可能发生的重大灾害进行及时反馈，避免出现财产和人身伤害，保证的通讯基站的正常工作，降低了人员的劳动强度和成本。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的***框图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
请参阅图1所示，基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，包括智能监测终端、无线通信模块和分析管控设备平台；
智能监测终端包括应力监测单元、环境监测单元和姿态与振动监测单元，应力监测单元包括多个应力传感器和压力传感器，在杆塔基座底部设置的应力传感器均匀布置在四角对称位置，在主承载钢梁的连接处以及天线面板固定处设置应力传感器，同时在主承载钢梁中埋设检测电路点位，多个检测电路点位随机设置在主承载钢梁的各段中，且多个检测电路点位通过导线构成检测回路，在杆塔基座部分设置独立检测电源，该检测回路为常开回路，只有在需要对主承载钢梁内部的锈蚀情况进行监测时才进行电路闭合；
环境监测单元用于对应杆塔的杆塔馈线防护区域内的环境状态进行监测，环境状态包括天气情况、地质情况、障碍物情况和陌生人入侵情况，姿态与振动监测单元内设置有垂直度监测设备以及振动传感器，用来测定当前杆塔的工作姿态以及稳定性；
无线通信模块中设置有收发器并存储有运维人员的个人信息，且智能监测终端通过无线通信模块与分析管控设备平台进行通信连接，每一个杆塔均设置有智能监测终端与无线通信模块，且两者之间为绑定关系，每个杆塔的智能监测终端与无线通信模块均设置有相同的唯一标识码，且在分析管控设备平台进行备案存储，分析管控设备平台用于对各个杆塔的智能监测终端采集到的数据进行分析整理并进行预警操作；
在稳定工作状态下，应力监测单元设置在杆塔基座底部的四个压力传感器实时采集基座压力数据，四个压力传感器标记有不同编号，对应编号对应不同的方位角，压力传感器采集的基座压力数据与方位角进行绑定，对采集到的四个基座压力数据进行方差计算，当方差数据未超出预设值时，判定杆塔当前为稳定状态，不进行任何处理，当方差数据超出预设值时，判定杆塔当前为非稳定状态，根据四个基座压力数据的大小得到压力值偏大的方位角度；
主承载钢梁的连接处以及基站面板固定处的应力传感器均实时采集对应位置的应力情况，在应力监测单元中预设有在稳定工作状态下应力预设阈值，在杆塔处于稳定工作状态环境下时，将应力传感器实时采集的应力数据与应力预设阈值进行比对，当基站面板固定处的应力数据超出对应的应力预设阈值时，判定基站面板上存在悬挂物或塔身位置发生偏移，生成自检信号，当主承载钢梁连接处的应力数据超出对应的应力预设阈值时，判定主承载钢梁结构异常，此时进行锈蚀情况检测，所谓稳定工作状态指的是空气湿度、温度与风速均处于预设范围内，且在一段时间内保持当前状态；
上述的锈蚀情况检测具体为：
步骤S11：接通检测回路的常开触点，电路接通后，通过测量检测电路点位的电位，从而得出每两个检测电路点位间的压降情况以及电流值；
步骤S12：每两个检测电路点位间的距离以及主承载钢梁的标准平均电阻率一定，则根据距离、标准平均电阻率和电流值计算得到两个检测电路点位间的理论压降值；
步骤S13：将两个检测电路点位间的真实压降数据与对应各段的理论压降值进行差值运算得到压降差值，将压降差值与理论压降值进行比值运算，得到压降偏移系数，将压降偏移系数与预设偏移限值进行比较，当压降偏移系数大于等于预设偏移限值时，判定主承载钢梁内部锈蚀情况严重，生成锈蚀警报信号。
环境监测单元对杆塔防护区域内的环境状态进行监测，具体为：
步骤S21：每间隔十分钟采集杆塔周围一定范围内的温度数据、湿度数据以及风速和风向，记录当前温度数据与湿度数据，且在温度数据与湿度数据的变化率低于百分之五时，认定当前温度数据与湿度数据稳定，环境监测单元中预设有杆塔挂冰温度阈值与杆塔挂冰湿度阈值，当且仅当温度数据与湿度数据处于杆塔挂冰温度阈值与杆塔挂冰湿度阈值内时，启动计时器，当计时时长超出两小时后，判定基站天线和杆塔馈线中出现挂冰现象，生成挂冰警报信号；
步骤S22：环境监测单元中对杆塔进行三维建模得到杆塔模型，通过风速与风向的标记得出杆塔的迎风角度和迎风面积，通过物理学力学公式计算得到杆塔的迎风压力，根据迎风压力和迎风角度对杆塔长度进行连续积分得到综合力矩值，将迎风方向在杆塔基座平面内进行投影，对杆塔在投影方向上的力矩进行计算，根据力矩平衡，得到杆塔基座一侧在垂直于投影方向上的压力值，当压力值大于预设压力值时，判定杆塔基座有倾斜风险，生成基座倾斜风险信号；
步骤S23：环境监测单元内设置有隐蔽式高清摄像头，隐蔽式高清摄像头每天定时进行影像采集，同时在杆塔周围一定范围内经历恶劣气候后进行影像采集，环境监测单元中预存有基座区域地形影像，将采集到的影像与基座区域地形影像进行重叠校验，并自动标记出地形迁移变化区域，当该地形迁移变化区域存在时，将地形迁移变化区域处的影像截取出来发送至分析管控设备平台，同时根据像素色值计算出实时采集影像中植被的植被覆盖率，当植被覆盖率小于覆盖率预设限值时，判定存在水土流失风险，生成水土流失风险信号；
步骤S24：隐蔽式高清摄像头还对杆塔范围内的人物踪迹进行识别，当识别到人物踪迹时，唤醒收发器，收发器发出验证信号至运维人员的手机终端，当一定时间内收发器未收到运维人员手机终端回复的应答信号时，判定为陌生人入侵，启动扩音器进行语音警报，当语音警报开启后两分钟内目标还未撤出杆塔范围，则捕捉人物面部影像并发送至分析管控平台；
姿态与振动监测单元与环境监测单元为联动关系，环境监测单元获取到风速与风向后将对应数据发送至姿态与振动监测单元，根据风速和风向计算得出垂直于对应杆塔固定的天线面板覆盖方向上的风速，根据风速大小划定三个不同的振动等级，分别为微风振动、中风舞动、大风摆动，通过应力监测单元中天线面板固定处的应力传感器获取实时数据，由于天线面板的摆动呈周期性，则应力传感器采集的实时数据也呈周期性；
对于不同的振动等级，建立三个应力-时间曲线图，以时间点为横坐标、实时数据为纵坐标在应力-时间曲线图中进行坐标点标记，并用平滑曲线进行连接，由于应力传感器采集的实时数据也呈周期性，故应力-时间曲线也呈周期性，根据曲线周期确定变化频率和持续时间，每个月统计三个不同振动等级对应的平均变化频率以及持续时间，三种不同振动等级对应设置不同的损害系数，分别标记为a、b、c，根据平均变化频率与持续时间得出应力变化次数，将应力幅的大小、应力变化次数通过损害系数进行加权处理，通过疲劳寿命曲线对主承载钢梁进行疲劳寿命分析，得到对应的疲劳寿命值，当疲劳寿命值小于允许使用寿命值时，通过振动传感器获取对应振动频率，并将其与垂直于天线面板覆盖方向上的风速一起传输至分析管控设备平台。当前文中所述的迎风角度与压力值偏大的方位角度一致时，立即对天线面板进行断电，垂直度监测设备测量杆塔的倾斜角度，当倾斜角度≠0时，启动计时器，倾斜角度在预设角度范围内且倾斜持续时间小于设定时间时，判定为正常倾斜；倾斜角度在预设角度范围内且倾斜持续时间超出设定时间时，生成杆塔倾斜提示信号，倾斜角度超出预设角度范围时，生成杆塔倾斜警报信号；
智能监测终端将产生的信号通过无线通信模块传输至分析管控设备平台，分析管控设备平台接收到锈蚀警报信号，启动主承载钢梁的更换预案，设置禁入区，同时进行断电处理；当分析管控设备平台接收到自检信号，分配对应的运维人员进行专项检查；当接收到挂冰警报信号，分析管控设备平台授权微波管道对其进行加热融冰；当接收到水土流失风险信号，分析管控设备平台获取当地未来若干天的天气情况，指定任务对基座周围区域进行加固处理；当接收到基座倾斜风险信号或杆塔倾斜警报信号，分析管控设备平台立即进行断电操作，并根据运维人员的职能组成抢修小组进行抢修；当接收到杆塔倾斜提示信号，分析管控设备平台对该杆塔进行标记，列为重点关注点并进行定期检查，分析管控设备平台将获取的陌生人人物面部影像导入执法***，进行人员干预；分析管控设备平台接收到振动频率与风速后调取振动-风速比对表，从而确定对应杆塔的稳定性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，其特征在于：包括智能监测终端、无线通信模块和分析管控设备平台，智能监测终端中设置有应力监测单元、环境监测单元和姿态与振动监测单元，对杆塔内部应力情况、周围环境情况和人员入侵造成的灾害风险进行数据监测和分析，同时通过无线通信模块将生成的信号与数据传输至分析管控设备平台，分析管控设备平台根据不同的信号进行风险管控处理；
在杆塔处于稳定工作状态环境下时，应力监测单元通过应力传感器获取主承载钢梁连接处的应力分布，当判定主承载钢梁结构异常时，利用预埋的检测回路对主承载钢梁内部的锈蚀情况进行监测，锈蚀情况检测具体为：
步骤S11：接通检测回路的常开触点，电路接通后，通过测量检测电路点位的电位，从而得出每两个检测电路点位间的压降情况以及电流值；
步骤S12：每两个检测电路点位间的距离以及主承载钢梁的标准平均电阻率一定，则根据距离、标准平均电阻率和电流值计算得到两个检测电路点位间的理论压降值；
步骤S13：将两个检测电路点位间的真实压降数据与对应各段的理论压降值进行差值运算得到压降差值，将压降差值与理论压降值进行比值运算，得到压降偏移系数，将压降偏移系数与预设偏移限值进行比较，当压降偏移系数大于等于预设偏移限值时，判定主承载钢梁内部锈蚀情况严重，生成锈蚀警报信号；
环境监测单元通过定期对杆塔周围设定范围内的温度数据和湿度数据进行采集，同时进行温度数据与湿度数据的稳定性分析，当温度数据与湿度数据处于对应的阈值内且满足时间限定时，判定杆塔馈线中出现挂冰，此时分析管控设备平台授微波管道对其进行加热融冰；
环境监测单元对杆塔防护区域内的环境状态进行监测，具体为：
步骤S21：每间隔十分钟采集杆塔周围一定范围内的温度数据、湿度数据以及风速和风向，记录当前温度数据与湿度数据，且在温度数据与湿度数据的变化率低于百分之五时，认定当前温度数据与湿度数据稳定，环境监测单元中预设有杆塔挂冰温度阈值与杆塔挂冰湿度阈值，当且仅当温度数据与湿度数据处于杆塔挂冰温度阈值与杆塔挂冰湿度阈值内时，启动计时器，当计时时长超出两小时后，判定基站天线和杆塔馈线中出现挂冰现象，生成挂冰警报信号；
步骤S22：环境监测单元中对杆塔进行三维建模得到杆塔模型，通过风速与风向的标记得出杆塔的迎风角度和迎风面积，通过物理学力学公式计算得到杆塔的迎风压力，根据迎风压力和迎风角度对杆塔长度进行连续积分得到综合力矩值，将迎风方向在杆塔基座平面内进行投影，对杆塔在投影方向上的力矩进行计算，根据力矩平衡，得到杆塔基座一侧在垂直于投影方向上的压力值，当压力值大于预设压力值时，判定杆塔基座有倾斜风险，生成基座倾斜风险信号；
步骤S23：环境监测单元内设置有隐蔽式高清摄像头，隐蔽式高清摄像头每天定时进行影像采集，同时在杆塔周围一定范围内经历恶劣气候后进行影像采集，环境监测单元中预存有基座区域地形影像，将采集到的影像与基座区域地形影像进行重叠校验，并自动标记出地形迁移变化区域，当该地形迁移变化区域存在时，将地形迁移变化区域处的影像截取出来发送至分析管控设备平台，同时根据像素色值计算出实时采集影像中植被的植被覆盖率，当植被覆盖率小于覆盖率预设限值时，判定存在水土流失风险，生成水土流失风险信号；
步骤S24：隐蔽式高清摄像头还对杆塔范围内的人物踪迹进行识别，当识别到人物踪迹时，唤醒收发器，收发器发出验证信号至运维人员的手机终端，当一定时间内收发器未收到运维人员手机终端回复的应答信号时，判定为陌生人入侵，启动扩音器进行语音警报，当语音警报开启后两分钟内目标还未撤出杆塔范围，则捕捉人物面部影像并发送至分析管控平台。
2.根据权利要求1所述的基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，其特征在于，环境监测单元通过摄像头定期或在特定天气发生后，对杆塔基座区域内进行地形影像采集，并对地形的结构变化以及植被覆盖率变化情况进行分析，根据分析结果评判水土流失风险，当出现水土流失风险时，分析管控设备平台获取当地天气预报并指定人员进行加固处理，同时，当摄像头获取到人物踪迹时，判定是否为陌生人入侵，若是，则进行语音警报或执法人员干预。
3.根据权利要求1所述的基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，其特征在于，姿态与振动监测单元根据风速和风向计算得出垂直于对应杆塔固定的天线面板覆盖方向上的风速，并将风速大小划定三个不同的振动等级，根据振动等级不同对应力幅的大小、应力变化次数进行不同的损害系数加权处理，利用疲劳寿命曲线得到疲劳寿命值，根据疲劳寿命值与允许值的比较，采集振动频率与风速后发送至分析管控设备平台调取振动-风速比对表，从而确定对应杆塔的稳定性。
4.根据权利要求3所述的基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，其特征在于，姿态与振动监测单元设置有垂直度监测设备，垂直度监测设备测量杆塔的倾斜角度并将其与预设角度范围进行比较，同时对倾斜持续时间进行限制，判断当前杆塔倾斜的风险程度。
5.根据权利要求3所述的基于无线通信的杆塔灾害态势感知及预警***，其特征在于，天线面板在风速和风向的影响下，呈周期性摆动，应力传感器获取的实时数据也呈周期性变化，从而绘制出应力-时间曲线图，根据应力-时间曲线的变化周期确定变化频率和持续时间，进而得出应力幅的大小和应力变化次数。
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