隧道施工安全管理與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

劉國(guó)買(mǎi)，戴小廷，劉建華，周 理

(1.福建龍巖學(xué)院 資源工程學(xué)院，福建 龍巖364012;2.福建工程學(xué)院 交通系，福建福州350108;3.福建工程學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州350108)

隧道施工處在一個(gè)狹長(zhǎng)封閉的空間，地質(zhì)、水文不確定，并且人員、設(shè)備多，流動(dòng)變化大，事故率高，危險(xiǎn)性大。針對(duì)隧道工程施工的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)安全管理信息系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)［1－4］，促進(jìn)了信息化技術(shù)在隧道施工安全管理的應(yīng)用。但常規(guī)的基于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在下列問(wèn)題［5］:①隧道內(nèi)各種管線(xiàn)多，布線(xiàn)復(fù)雜，增加了施工難度，通信線(xiàn)路容易被破壞，恢復(fù)周期一般較長(zhǎng)，線(xiàn)路維護(hù)成本高;②網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，不適合掘進(jìn)工作面的動(dòng)態(tài)變化要求;③監(jiān)測(cè)位置固定，而施工人員流動(dòng)頻繁，難以有效跟蹤。事故發(fā)生后，監(jiān)控設(shè)備易失效，不能起到安全保障效果。因此，有線(xiàn)和視頻監(jiān)測(cè)手段無(wú)法很好地滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)量的增加以及施工環(huán)境變化的要求，需要采用更先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與監(jiān)控定位措施。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在信號(hào)測(cè)試和長(zhǎng)距離傳輸方面具有不可比擬的優(yōu)越性，具有布局靈活、結(jié)構(gòu)易變、生命力較強(qiáng)等特點(diǎn)，近年來(lái)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、工礦監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［6－7］。上海申通地鐵集團(tuán)與同濟(jì)大學(xué)合作開(kāi)展了基于圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［8］和基于傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等［9］。

筆者綜合運(yùn)用無(wú)線(xiàn)傳感器通信網(wǎng)絡(luò)、RFID定位技術(shù)、多元信息集成與處理等技術(shù)，結(jié)合隧道施工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了隧道施工安全信息管理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)福建某鐵路隧道施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，根據(jù)該隧道工程的具體情況和特點(diǎn)，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將人員、機(jī)械設(shè)備、地質(zhì)和現(xiàn)場(chǎng)等實(shí)時(shí)情況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)信息處理、比較、分析等手段對(duì)隧道施工中各方面的安全信息進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行限值報(bào)警，對(duì)隧道施工的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行可視化，使管理人員及決策者能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地了解實(shí)時(shí)情況，從而進(jìn)行科學(xué)的決策和指揮。

1 隧道施工安全監(jiān)控的功能要求

1.1 綜合信息查詢(xún)功能

(1)任一時(shí)間查詢(xún)并顯示某個(gè)區(qū)域人員及設(shè)備的身份、數(shù)量和分布情況。

(2)查詢(xún)一個(gè)或多個(gè)人員及設(shè)備現(xiàn)在的實(shí)際位置、活動(dòng)軌跡。

(3)查詢(xún)地質(zhì)物理量及其變動(dòng)軌跡。

1.2 信息多點(diǎn)共享

系統(tǒng)中心站及網(wǎng)絡(luò)終端可以局域網(wǎng)方式聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，使網(wǎng)上所有終端在使用權(quán)限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信息多點(diǎn)共享，供多個(gè)部門(mén)及領(lǐng)導(dǎo)同時(shí)在不同地點(diǎn)共享監(jiān)測(cè)信息，綜合分析信息，查詢(xún)數(shù)據(jù)報(bào)表。

1.3 報(bào)警功能

根據(jù)施工管理的需要通過(guò)設(shè)置警戒區(qū)域和監(jiān)控量閾值，如果有非授權(quán)人員及設(shè)備進(jìn)入警戒區(qū)域，或者監(jiān)控量超過(guò)閾值，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

1.4 查詢(xún)統(tǒng)計(jì)功能

(1)施工人員及其所在區(qū)域的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)。(2)施工設(shè)備及其所在區(qū)域的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)。(3)工作量的計(jì)算、統(tǒng)計(jì)。

1.5 施工人員考勤管理

可按部門(mén)及各種指定條件進(jìn)行人員的出勤情況查詢(xún)，可按任意條件自動(dòng)排序。

1.6 災(zāi)后急救信息查詢(xún)

一旦發(fā)生安全事故，控制主機(jī)能立即顯示事故地點(diǎn)的人員數(shù)量、人員信息和人員位置等信息，提高搶險(xiǎn)效率。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。通過(guò)安裝在隧道口和內(nèi)部的板狀定向天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)型攝像機(jī)等設(shè)備收集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器和工控機(jī)信息處理中心等;經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的加工處理，最終通過(guò)人機(jī)對(duì)話(huà)接口給用戶(hù)提供各類(lèi)信息。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

根據(jù)隧道監(jiān)控特點(diǎn)，該系統(tǒng)將先進(jìn)的視頻壓縮技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，以及數(shù)字視頻軟件管理技術(shù)有機(jī)集成，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)物理上由前端、傳輸、監(jiān)控中心3個(gè)部分組成。前端負(fù)責(zé)圖像、報(bào)警信號(hào)的采集，由安裝在隧道內(nèi)WIFI定向天線(xiàn)、掌支面紅外攝像監(jiān)控、RFID人員定位接收設(shè)備等設(shè)備完成，并經(jīng)過(guò)視頻服務(wù)器編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

傳輸部分用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋?qū)?shù)字信號(hào)以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)射、接收、匯集到工控機(jī)信息處理中心。底層無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由各傳感器節(jié)點(diǎn)基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議構(gòu)成。ZigBee技術(shù)作為一種新興的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，具有微功耗、低成本、自組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)布置靈活等特點(diǎn)，適合于多測(cè)點(diǎn)信息采集，完成傳感器節(jié)點(diǎn)的信息交匯、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、指令收發(fā)、節(jié)點(diǎn)定位，以及參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置等功能，由以太網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

監(jiān)控中心采用多級(jí)架構(gòu)技術(shù)，分散監(jiān)控，集中管理。監(jiān)控信息即可通過(guò)電腦實(shí)施查詢(xún)、調(diào)閱，也可通過(guò)隧道口LED發(fā)布信息。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)技術(shù)

鐵路隧道的長(zhǎng)度長(zhǎng)，且施工場(chǎng)地會(huì)隨著施工推進(jìn)而不斷變化，因此，該系統(tǒng)采用了監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)技術(shù)以適應(yīng)實(shí)際需要。自組織是指各個(gè)節(jié)點(diǎn)在部署之后可以自動(dòng)探測(cè)鄰居節(jié)點(diǎn)并形成網(wǎng)狀，最終匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的多跳路由，整個(gè)過(guò)程不需人為干預(yù)。自愈合是指整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)魯棒性，在任何節(jié)點(diǎn)損壞，或加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都可以自動(dòng)調(diào)節(jié)路由隨時(shí)適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的變化。

首先需要解決的主要問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。無(wú)線(xiàn)通信物理層協(xié)議采用自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。節(jié)點(diǎn)的成本和能量供應(yīng)方式是無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)的兩個(gè)主要性能指標(biāo)。無(wú)線(xiàn)傳感自組網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層要求低能耗、低通信延遲和可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展?？紤]隧道施工背景下無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，可設(shè)計(jì)相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

其次，節(jié)點(diǎn)硬件選用IRIS，使用的射頻芯片完全兼容 IEEE802.15.4(ZigBee)，這可使通信距離得到大幅提高，而功耗反而得到一定降低，能夠提供低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸雙重優(yōu)勢(shì)。

第三，傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理軟件使用nesC語(yǔ)言，其基于TinyOS平臺(tái)開(kāi)發(fā)嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層軟件和協(xié)議。TinyOS是美國(guó)的伯克利大學(xué)為嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的源碼開(kāi)放的操作系統(tǒng)，是一款自由和開(kāi)源的基于組件的操作系統(tǒng)和平臺(tái)，它主要針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，集成了利于協(xié)議開(kāi)發(fā)的組件。

3.2 人員設(shè)備精確定位技術(shù)

人員與設(shè)備的精確定位與監(jiān)控是該系統(tǒng)一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)RFID定位精度不高的缺點(diǎn)，該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和軟件上進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)設(shè)計(jì)基于分段定位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了整體定位精度。

LANDMARC定位系統(tǒng)是一種基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的有源RFID定位系統(tǒng)。目前的RFID閱讀器并不能直接提供信號(hào)強(qiáng)度，只能檢測(cè)標(biāo)簽的能量等級(jí)，在LANDMARC系統(tǒng)中為0～8級(jí)，閱讀器每隔30 s檢測(cè)一次標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度等級(jí)(RSSI)［10］。

假設(shè)定位環(huán)境中有U個(gè)閱讀器、H個(gè)參考標(biāo)簽和M個(gè)待定位標(biāo)簽，LANDMARC算法求解待定位標(biāo)簽位置過(guò)程如下:

(1)定義參考標(biāo)簽RTj在各閱讀器上的收信場(chǎng)強(qiáng)向量為，其中為RTj不在閱讀器ξu上的RSSI值，定義待定位標(biāo)簽LTi在各閱讀器上的收信場(chǎng)強(qiáng)向量為，其中表示LTi在閱讀器上的RSSI值。定義RTj與LTi之間的場(chǎng)強(qiáng)歐式距離為:

式中:φiju為閱讀器ξu上的場(chǎng)強(qiáng)歐式距離分量。EijLR越小表示LTi與RTj在各閱讀器上的收信場(chǎng)強(qiáng)差異越小，進(jìn)而表示參考標(biāo)簽與待定位標(biāo)簽距離越近。

(2)通過(guò)計(jì)算，可以得到LTi與各個(gè)參考標(biāo)簽的場(chǎng)強(qiáng)歐式距離，并構(gòu)成向量，選取中最小的k個(gè)元素并按其大小排序構(gòu)成集合，并認(rèn)定與對(duì)應(yīng)的k個(gè)參考標(biāo)簽為RTj的最近鄰參考標(biāo)簽。對(duì)于?α，β∈(1，k)，若 α ＞β，則有:

(3)依據(jù)EPi1LR的大小賦予各參考標(biāo)簽在定位過(guò)程中不同的權(quán)重，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推算出RTi的估計(jì)坐標(biāo)為:

式中:wij為第j個(gè)近鄰參考標(biāo)簽的權(quán)重;為L(zhǎng)Ti的第j個(gè)近鄰參考標(biāo)簽的已知物理位置，由式(4)則有:

即對(duì)于與RT位置越接近的參考標(biāo)簽，其位置信息在定位過(guò)程中被賦予越大的權(quán)重。LANDMARC最大無(wú)誤差限制在2 m以?xún)?nèi)，均方根誤差為1 m，達(dá)到比較理想的定位精度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道施工安全信息管理系統(tǒng)是在第二代無(wú)線(xiàn)射頻(RFID)識(shí)別技術(shù)和無(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的綜合安全管理平臺(tái)。系統(tǒng)集成了施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控、隧道施工人員考勤、區(qū)域定位、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警、災(zāi)后急救和日常管理等功能，其功能架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

根據(jù)隧道施工安全管理的工作需求，便于管理人員隨時(shí)掌握施工信息，合理調(diào)度管理，隧道施工安全信息管理系統(tǒng)要求能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情景和各類(lèi)人員、設(shè)備的分布狀況;能夠?qū)κ┕と藛T考勤、統(tǒng)計(jì)、分析;對(duì)隧道地質(zhì)條件、項(xiàng)目進(jìn)度等進(jìn)行管理等功能。當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，救援人員也可根據(jù)隧道施工人員設(shè)備安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)所提供的信息，迅速了解有關(guān)人員的位置情況，及時(shí)采取相應(yīng)的救援措施，提高應(yīng)急救援工作的效率。

基于上述功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、用戶(hù)界面設(shè)計(jì)和程序流程設(shè)計(jì)，并用UML工具描述與建模。利用可視化開(kāi)發(fā)工具(Delphi、Visual C++)、企業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(MSSQLSERVER 2005)、可拓展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用隧道壁掛式設(shè)計(jì)，無(wú)需在隧道內(nèi)進(jìn)行大面積的現(xiàn)場(chǎng)施工，并保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下24 h連續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)在中鐵二局福建某隧道施工管理中得到了成功實(shí)施，系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展接口，根據(jù)隧道施工進(jìn)度需求，可增添信息接收和傳輸設(shè)備，而不需調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

筆者分析了現(xiàn)有隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀，運(yùn)用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器通信網(wǎng)絡(luò)、不同監(jiān)測(cè)儀器的信息采集技術(shù)，進(jìn)行了多元信息的集成與處理，結(jié)合隧道施工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了隧道施工安全信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于鐵路隧道施工企業(yè)，有利于實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道施工過(guò)程，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，幫助管理者發(fā)現(xiàn)事故隱患，從而快速采取應(yīng)急措施，杜絕或降低事故危害，有效提高隧道施工安全自動(dòng)化、信息化管理水平。

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