廣播電視發射塔實時健康監測系統方案

張興武

（湖北省隨州市電視調頻發射臺，湖北 隨州 441300）

0 引 言

隨州市電視調頻發射臺發射塔高142 m，建于20世紀80年代。為了確保塔體結構的安全性、完整性、適用性與耐久性，臺站建設了發射塔實時健康監測系統。日常運行階段，通過實時監測關鍵結構的構件內力、結構整體變形等參量，結合定期檢測數據及結構荷載監測數據，評估結構的安全水平并進行提前預警，為日常運維管理提供科學依據。

1 發射塔實時健康監測建設必要性

從20世紀70年代到現在，全國范圍內已經建造了數以千計的發射塔和桅桿。這些發射塔對保障廣播電視信號的傳播和覆蓋起到了很好的作用[1]。工程建設和使用中，國家在該項目的建設和運用上花費了巨資，建設者、維護人員更是付出了極大的努力和艱辛，為鐵塔和塔桅的安全提供保障。當前，國內已開始在橋梁、隧道、大壩、大跨度或高聳建筑物、超高輸電塔等鋼結構上研究、應用主要結構長期安全監測技術，并且成效顯著。作為用于放置廣播電視天線的載體，廣播電視發射塔影響著廣播電視信號的安全播出。受到雨雪、雷電、強風、冰凍、潮濕等自然環境的影響，發射塔極其容易出現結構變形、基礎沉陷甚至倒塌的不良情況。因此，發射臺必須對廣播電視發射塔的日常維護與監測工作給予高度重視[2]。然而，大部分發射塔的日常巡檢維護依賴純人工模式長時間觀測和上塔高空作業巡檢，該工作實施過程中存在無準確數據、無系統分析等實際情況，直接造成不能提前發現安全隱患，更不能做到提前排除安全隱患。因此，通過現有成熟先進的監測技術和設備減輕巡檢工作人員的勞動強度和工作壓力，同時為發射塔整體結構的日常維護提供科學的數據，建立準確、實時、高效日常維護體系非常有必要。

隨州市電視調頻發射臺142 m廣播電視發射塔實時健康監測系統通過有限元分析確定鐵塔結構的控制部位和損傷敏感部位，實現結構工作應力、變形、振動及基礎位移、沉降等結構健康狀態信息在線實時監測。

2 發射塔實時健康監測系統組成

隨州市電視調頻發射臺發射塔健康監測系統進行系統設計時，主要考慮了監測數據的全面性、實時性和智能性。系統不僅對塔體本身進行全面監測，也對影響塔體健康的環境參數進行監測，比如風速、基礎沉降等。經過現場勘察并結合臺區實際情況，設計人員主要從以下幾個方面進行設計，形成發射塔實時健康監測方案。

（1）發射塔傾斜監測。在桅桿頂部和第一平臺處分別安裝雙軸傾角傳感器。由于發射塔在風的作用下并非靜止狀態，因此，傳感器的監測數據實際上是塔頂位移，軟件系統再通過統計計算得出傾斜值。

（2）發射塔振動周期監測。為保證塔體結構安全，需監測塔體振動周期參數。當塔體結構或質量發生變化，振動周期將發生改變。本系統在桅桿頂部和第一平臺分別安裝加速度傳感器，通過檢測加速度變化，計算振動周期。

（3）發射塔應力應變監測。經過計算，發射塔桅桿底部為受力薄弱段，因此需要監測塔柱應力情況，以保證塔樓安全。在桅桿底部每根主材角鋼安裝應變計，對桿件受力、突變情況進行實時分析監測。

（4）發射塔氣象環境監測。在發射塔平臺安裝相關傳感器，如風速、風向傳感器，對風速及方向進行監測，根據監測結果，實時計算出塔體安全指數，為塔體結構安全提供保障。在相同位置安裝溫濕度傳感器，對發射塔的環境變化進行監測，監測塔體工況環境的變化。

（5）發射塔周界安全監測。在發射塔適當位置安裝云臺攝像頭，實時監測塔體情況。當監測系統發生安全警報時，可記錄當時影像資料，作為安全排查依據。

（6）發射塔實時健康監測平臺。監測平臺及時監控與評估發射塔結構的實時狀態，當遇到特殊天氣或者結構出現異常狀況時觸發預警信號，目的是為結構的維修、保養和管理決策提供依據和指導。

3 發射塔實時健康監測系統方案

為進一步完善日常鐵塔監測工作中的不足，及時對發射塔結構狀態進行日常監測和安全評估，達到鐵塔主體結構在特殊天氣或日常運行異常時觸發預警信號，為鐵塔的結構維護維修與管理決策提供依據的目的，需要在上述布設的監測儀器基礎上，建立相應的發射塔實時健康監測系統，及時、迅速掌握發射塔的動態工況，及時發現并分析潛在的安全隱患。該發射塔實時健康監測系統方案設計主要遵循如下原則。

（1）系統具有可靠性，功能具有實用性，組網具有合理性，且便于維護保養。

（2）具有可擴展性。裝置可以通過模塊的添加方便地增加遠程和本地端口的數量，為后續系統規模的擴大以及新的分中心的接入提供網絡接口。

（3）使用分布式數據收集系統減少故障發生，并在防雷和抗干擾技術措施方面進行充分考慮，將損壞的可能性降到最低。

根據國家廣播電視總局《廣播電視鋼塔桅運行維護技術規范》（GY/T 328—2020）相關要求，廣播電視鋼塔桅的運行維護包括日常巡檢維護、專業維護、加固改造等[3]，其重中之重是加強日常的鐵塔監測，達到及時發現隱患、及時解決隱患的目的。而發射塔日常巡檢維護依舊采用傳統巡檢模式，依賴于純人工模式進行觀測記錄和上塔開展高空作業巡檢等工作，致使日常巡檢成本高、隱患排查不準確等實際情況，使得廣播電視發射塔安全管理成為一種挑戰[4]。隨州市電視調頻發射臺發射塔健康監測系統設計充分考慮上述不利因素，通過在塔上安裝各類傳感器，對鐵塔自身傾斜、擺幅、溫度、頻率、風力風速、接地電阻等狀態進行實時監測，結合網絡通信技術鏈接到系統軟件平臺，實現了區域統一監測、鐵塔實時動態檢測、鐵塔健康狀況提前預警，有效降低日常巡檢維護成本，為排除安全隱患提供了科學依據。該實時健康監測系統方案由傳感器系統、數據采集系統、光纖傳輸網絡、信息處理與分析軟件系統有效整合而成。

3.1 傳感器系統

鑒于隨州市廣播電視發射塔的實際運行環境，經多次現場勘探測量和研究探討，設計人員決定在本次項目中采用振弦傳感器作為應力應變計，其余均采用數字型傳感器。這些傳感器包括傾角傳感器、應力和應變傳感器、振動傳感器、風速和風向傳感器等等。

3.2 數據分析系統

數據分析系統的功能是通過放置在監控機房的光纖路由終端將光纖信號轉換為網絡信號，與核心服務器進行通信。服務器發送采集指令，傳感器返回測量值在終端顯示、存儲和分析，以核心服務器的具體要求作為依據上傳數據、上報信息或者觸發預警。

3.3 光纖傳輸網絡

光纖傳輸網絡主要由主干傳輸光纜構成，用于連接監測系統現場布設的傳感器網絡與監測機房內的數據分析系統。

3.4 監測顯示系統

監測顯示系統主要是對各種監控儀表所采集到的數據、信息進行實時展示，從而為塔架結構的安全、維修和管理工作提供科學的依據。

4 針對強干擾環境、防雷電的方案

發射臺的電磁環境相對復雜，尤其是發射塔體和周邊電磁干擾情況更加嚴重?？垢蓴_和防雷電一旦解決不好，勢必會對整個系統數據的有效性、連續性造成安全隱患。本系統方案設計和工程實施采取以下相關措施。

（1）空間耦合抗干擾。本項目所使用的各類傳感器都是以金屬材質為外殼，并在每個傳感器接口處設計了接地端子，利用屏蔽原理來阻止空間電磁干擾的耦合現象。

（2）信號線接入抗干擾。針對本次項目所使用的設備的選擇以及軟件處理上與廠家進行探討并采取了一些相應的方法。首先是設備線路板的設計，要求重要的設備（如傳感器）能夠采用多層板設計技術，分離模擬信號和數字信號、數據總線與供電系統，以屏蔽印制板。其次，在輸入信號層面采取濾波方式，將高頻干擾濾掉，以確保各傳感器的采集數據準確無誤。

（3）電源系統接入抗干擾。傳感器等重要設備加裝電源濾波裝置，有效遏制50 Hz以外的信號。

（4）防雷措施。廣播電視發射塔一般都位于當地區域內建筑的最高點，鐵塔本身既可成為防雷的避雷塔，也可能變成“引雷器”或產生感應雷的導體。因此，它也是廣播電視發射臺防雷的第一關[5]。本系統采用抑制浪涌電壓和浪涌電流的方式，采用瞬變二極管將通信總線對地放電的方式進行保護，在通信線間串接自恢復保險絲，抑制通信線上的浪涌電流，達到保護后續設備的目的。

5 結 語

該系統建成一年來，經過極端天氣的有效運行，至今運行良好，準確地記錄了發射塔傾斜、震動周期、沉降、周邊氣象環境等數據。鐵塔實時監測健康平臺界面簡潔明了，操作簡單，值班人員極易掌握。該系統有效地解決了鐵塔日常維護工作的難點，為鐵塔提高安全的生命周期奠定了堅實基礎，還為鐵塔針對性維護提供了準確科學依據。

隨著智慧廣電和大數據在廣電安全播出系統的應用，未來該鐵塔實時健康監測系統擬與全臺重要的技術系統和廣播電視設施安全系統進行有效的融合，實現廣播電視設備與設施全生命周期智能管理，為廣播電視安全播出提供可靠的技術支撐。