基于北斗定位技術的桿塔傾斜實時監測系統的研究與應用

張海斌

（晉能控裝備制造集團有限公司供電分公司 山西 大同 037003）

關鍵字：北斗定位；桿塔沉降；傾斜監測；攝像頭

0 引言

由于煤礦開采，出現很多采空塌陷區，而輸電線路地處野外，受外界環境影響巨大，特別是輸電線路桿塔受采空塌陷影響非常嚴重，國內曾發生過由于地基沉降引起的桿塔傾斜，扭曲變形，主材撕裂等事故，嚴重影響了輸電線路的安全運行。長平礦蘆家峪風井和成莊礦矸井附近沉陷較為嚴重，嚴重影響煤礦供電安全，在傳統的監測方法中，例如使用經緯儀、全站儀、水平管等，組織人員定期測量桿塔情況不失為有效的辦法，但是確實缺乏了實時性。

隨著北斗精確定位技術的發展，基于智能電網的建設以及市場需求，設計基于北斗衛星的輸電桿塔在線監測系統［1］，高精度傾角傳感器對桿塔橫向縱向傾斜度傾斜角進行角度測量，北斗模塊可以實現沉降位移的精密測量，同時聯動高清攝像頭對現場情況進行抓拍圖像，數據通過無線網絡傳輸至服務器，運維人員即可在電腦、手機訪問傾斜數據。為保證電力電路的安全運行，提供了有效的幫助。

1 系統組成及原理

本項目主要涉及圖像壓縮領域、遠距離數據通信傳輸領域、傳感探測和實時數據處理領域、電子供電技術領域等；擬解決的高壓輸電線路圖像監控技術、4G無線公網數據傳輸技術、北斗衛星測量技術、傳感器探測技術、太陽能及蓄電池供電技術、信號處理及診斷技術、報警閥值評價標準、應用系統及業務模塊管理技術、系統在高磁高壓下抗干擾技術等關鍵技術問題。

系統由三大部分組成，分別是：北斗沉降監測系統、桿塔傾斜監測系統、圖像監測系統。前端裝置采集各項地質沉降位移數據、傾角數據、圖像數據等，將數據進行匯總后，通過4G 無線傳輸的方式傳至監控平臺。系統組成圖如圖1所示。

圖1 本系統結構圖

系統由前端系統、傳輸網絡、后臺系統等三級網絡組成，前端系統實現圖像采集、沉降位移采集、傾斜采集等功能，最后將前端各類信息，通過傳輸網絡4G 遠傳至后端系統，實現數據處理、客戶端監控、移動端監控等功能。

本系統沉降傳感器精度可達毫米級，沉降傳感器報警值可設置，測量誤差應小于±5 cm；傾角傳感器精度為1°，傾角報警值為±5°（可設置）。

具體原理為，前端系統通過北斗通信實時采集桿塔沉降位移數據，通過傾角傳感器采集角度數據，當所采集的位移量和傾角量大于報警閥值時，聯動圖像采集，然后把圖像及沉降位移、傾角數據進行數字化壓縮編碼，最后利用4G無線網絡傳輸模塊將圖片及現場數據以IP 包的方式發送到數據存儲服務器。數據存儲服務器和監控客戶端分別是裝有遠程監控服務端軟件和客戶端軟件的PC機，客戶端主動通過服務器中轉來瀏覽監控圖像和設置監控參數。

監控中心通過圖像及數據監控客戶端實時瀏覽觀測各監控點的現場情況，維護監控人員通過從現場發送來的桿塔沉降位移、傾角、圖片等數據進行分析比對，如出現異常的預警信息，即立刻做出相應的應急處理，以確保高壓線路的安全運行。

2 北斗系統設計

利用北斗高精度定位技術對輸電桿塔進行定位。該項技術是基于北斗相對定位原理。北斗相對定位原理：在一條或多條基線的兩端分別安裝兩臺（或多臺）接收機，接收機用于同時觀測同一個北斗衛星，通過北斗衛星確定基線的相對位置。并且在定位時對觀測量求差提高極限精度，以便消除接收機鐘差、衛星鐘差及削弱電離層和對流層折射帶來的影響，抵消整周模糊度參數等，使基線精度提高，如圖2所示［2］。

圖2 北斗定位原理框圖

在需要定位的鐵塔上布置北斗監測天線，結合國家北斗地基增強站的數據，然后通過加密的通信傳輸網絡把解算所需要的載波相位數據、星歷等數據同時發送到數據中心，數據中心獲得每個監測點和基站的在線實時數據，通過北斗系統的數據處理對基站、定位點的距離進行計算，獲取鐵塔實時的三維坐標位置。同時將計算得到的數據傳給主機，最終通過4G網絡發送到后臺系統。

3 傾斜子系統設計

本子系統由監測主機、供電系統、桿塔傾角傳感器組成。工作原理如下，監測主機收集傳感器桿塔傾斜數據，監測主機對傳感器的采集方式為RS485，供電方式可以是鋰電池或者太陽能取電，然后分析處理后，通過RS485傳至監測主機，最后將數據通過4G發送到后端系統［3］。模塊組成如下圖3所示。

圖3 桿塔傾斜監測模塊工作流程圖

對于無人堅守的鐵塔，當發生傾斜、沉落和偏移時，無法第一時間通知管理人員派遣維修人員在最短的時間內恢復。所以獲得輸電鐵塔的實時數據非常重要。但輸電鐵塔大部分都在野外，利用傳統的人工巡線方式費時費力還不能第一時間獲取數據。

4 圖像監測子系統設計

圖像監測系統，具體智能圖像識別功能，主要針對輸電線路的防外破塔基、惡劣的冰災天氣、施工現場塔吊、車輛穿越架空線路等監控而設計的系統?？梢杂行ПO視外力破壞和影響，如塔吊、超高建筑（小于安全距離）等；在嚴酷天氣等特殊情況下，代替人工巡視對輸電線路進行巡檢；可以監視林區高樹成長對高壓輸變電線路的威脅；最終將安全事故扼殺于搖籃中。

具體原理為，采用一體化結構設計，前端系統負責圖像數據采集與異常識別，當觸發告警時，主機聯動圖像拍照，主機然后把圖像及外力破壞數據進行數字化壓縮編碼，最后通過4G網絡的傳輸模塊可以把現場的數據及圖片等信息發送到數據存儲服務器。作為數據存儲服務器、監控客戶端，均裝有遠程監控服務端軟件、客戶端軟件，均處于互聯網絡中，當遠程圖像、數據采集器無固定的IP地址時，客戶端通過服務器中轉去主動瀏覽鐵塔圖像和設置參數［4］。

5 后臺管理平臺

后端平臺子系統的設計：工控機、網絡接入設備、中心處理器等?？刂浦行牡乃性O計開發主要是在Windows 操作系統基礎上集中利用軟件的設計開發［5］。后端平臺子系統組成圖如圖4所示。

圖4 后端平臺子系統組成圖

在本次設計中核心是數據處理技術、建模處理。其中包括數據建模管理平臺、智能管理操作平臺、報警管理操作平臺等。

隨著微信應用的普及，以前在PC 機上實現的功能，基本都要求在微信上實現，對通道可視化監控系統，要求在微信上實現對前端設備的控制，如控制終端進行沉降位移數據、傾角數據管理，圖像抓取等功能。

功能定義如下：

（1）圖文消息推送：將設備定時抓拍和手動抓拍的圖片推送至微信客戶端；

（2）設備管理：狀態查詢、遠程抓拍、綜合數據管理、圖片瀏覽、設備定位、抓拍時間表設置，小視頻錄制時間表設置等功能；

（3）綜合數據展示：沉降位移數據、傾角數據等狀態數據；

（4）報警管理：報警統計、報警等級設置；

（5）權限管理：添加、修改、刪除微信用戶信息，并給微信用戶綁定設備資源（平臺上的功能）；

（6）圖片推送，可以定時或者手動抓拍圖片(間隔時間＜60 s,時間可設置)

6 應用情況及效果分析

（1）應用情況

在供電公司安裝一套北斗基準設備，同時進行了兩套現場設備的試驗，分別安裝于長平礦蘆家峪風井和成莊礦矸井附近沉陷較為嚴重的桿塔上，安裝完成后，經過現場試驗驗證本系統采集到的數據可靠，傳輸準確?？蓪崿F對桿塔塔身傾斜傾角、每個桿塔塔角的沉降情況進行遠程實時監測，同時可對每個桿塔塔角、前后線路等位置進行定時圖片拍攝，在發生傾斜或沉降時會短信通知到巡線人員，實現了“遠程智能巡線”，減少了人工巡檢次數，提高了工作效率。本系統自從2020年4月份安裝以來，到現在運行良好。

（2）應用效果分析

設備在現場安裝之前，在地面做了沉降試驗，事先先把在地面時數據歸零，圖5 為天線在地面測得的數據，實際誤差不超過2.1 mm，圖6為天線在地面上抬高了17.5 cm，實際系統里三次的數據均在2 cm 誤差之內，圖7 為天線在地面提高了14.2 cm，實際系統里采集到的數據均在3 cm之內，可見沉降測量較為準確。

圖5 流動站設備在地面測試和系統對比圖

圖6 流動站設備在地面測試和系統對比圖

圖7 流動站設備在地面測試和系統對比

圖8為本系統在成莊矸井附近的桿塔線路上安裝后的使用效果圖，從圖中我們可以看到，該監測點自從8月5號左右開始有了明顯的沉降，沉降幅度為1.5 cm左右。從數據浮動程度來看，本系統測量誤差為±2 cm，符合本項目對系統指標的要求。

圖8 本系統安裝后使用效果

圖9和圖10為本系統在長平蘆家峪附近的曲蘆線上安裝后的使用效果圖，從圖中我們可以看到，本監測點從5 月份到9 月份基本沒發生沉降。表1 為通過人工測量的蘆家峪曲蘆線138號測量數據。從監測曲線和測量數據發現，兩者幾乎沒有大區別，本系統測量較為準確。

圖9 本系統安裝后使用效果圖

表1 蘆家峪曲蘆線138號測量數據