隧洞施工人員安全管理系統(tǒng)研究

王 心

（遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122100）

隧洞施工人員安全管理系統(tǒng)研究

王 心

（遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122100）

本文結(jié)合長大隧洞安全生產(chǎn)管理需求，根據(jù)鉆爆法施工特點(diǎn)，基于無線通信技術(shù)、B P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和R F I D卡智能識別技術(shù)，研發(fā)了智能化的人員遠(yuǎn)距離進(jìn)出洞和施工工位識別模型，構(gòu)建了一套隧洞施工人員安全管理系統(tǒng)，取得了良好的實(shí)際應(yīng)用效果。

B P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；安全生產(chǎn)；R F I D技術(shù)

1 研究背景

安全生產(chǎn)是黨和國家的一貫方針和基本國策，目前國家政府高度重視各級安全生產(chǎn)施工，要求在重大工程建設(shè)管理中采取有效的管理控制手段。本研究針對長大隧洞施工工期長、參建人員多、施工安全隱患大的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用工程管理、通訊、信息自動化等技術(shù)，系統(tǒng)研究能夠全面提高工程施工安全生產(chǎn)管理水平的數(shù)字化輔助管理技術(shù)手段，并在遼寧省某輸水工程中得到成功應(yīng)用，保障了工程建設(shè)管理任務(wù)的順利實(shí)施。

2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研發(fā)

2.1 B P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是模仿人腦認(rèn)識事物規(guī)律的一種方法，應(yīng)該說是一種黑箱模型，該模型由網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)權(quán)重組成，利用輸入和輸出樣本對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，來反復(fù)調(diào)整節(jié)點(diǎn)權(quán)重，控制輸入輸出誤差的收斂趨勢，最終形成適合于輸入輸出樣本對應(yīng)判別關(guān)系的應(yīng)用模型。B P人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是應(yīng)用較為廣泛的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。由于采用了誤差逆?zhèn)鞑サ膶W(xué)習(xí)算法，簡稱之為誤差逆?zhèn)鞑ト斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)或B P網(wǎng)絡(luò)。

B P網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)包括四個部分：

（1）學(xué)習(xí)模式由輸入層經(jīng)分層權(quán)重計算，經(jīng)中間層向輸出層的順序傳播過程；

（2）以計算的輸出結(jié)果和預(yù)期訓(xùn)練樣本的真實(shí)結(jié)果的誤差作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)權(quán)重調(diào)整的反向輸入，采用適當(dāng)?shù)乃惴ㄖ饘有拚虚g節(jié)點(diǎn)權(quán)重的過程；

（3）由“正向傳播”與“逆向權(quán)重調(diào)整”的反復(fù)交替過程，也就是“模式學(xué)習(xí)”過程；

（4）經(jīng)“學(xué)習(xí)”過程的反復(fù)調(diào)整后，模型計算輸出與真實(shí)輸出的全局誤差，逐漸趨近于模型誤差精度要求的過程，即“學(xué)習(xí)收斂過程”。

網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練步驟如圖1。

2.2 模型開發(fā)

本研究基于B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，開發(fā)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)模型算法支持軟件。該模型采用V B開發(fā)，節(jié)點(diǎn)信息存儲到SQ LSE R V E R數(shù)據(jù)庫中。開發(fā)的通用型加速算法B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序模型，可實(shí)現(xiàn)加速算法選擇，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造、學(xué)習(xí)樣本的數(shù)據(jù)庫管理，可用于網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的學(xué)習(xí)支持，開發(fā)成果如圖2。

2.3 樣本制作

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的關(guān)鍵是學(xué)習(xí)樣本的確定和獲取。對人員進(jìn)出隧洞的判斷，不同常規(guī)門禁系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場施工管理的實(shí)際情況，通過該系統(tǒng)需要識別的內(nèi)容包括人員是進(jìn)洞還是出洞和每類人員進(jìn)洞的有效性。為了實(shí)現(xiàn)智能化的人員進(jìn)出洞識別，本研究采用邏輯判斷類樣本和管理工作模式類樣本兩部分組成，樣本形成的原理如下：

（1）邏輯判斷類樣本：本研究在洞口連續(xù)設(shè)置2臺R F I D讀卡器，距離相聚50m，而讀卡器的遠(yuǎn)程讀卡記錄設(shè)置為30m，保證形成三個區(qū)域，即洞口區(qū)、交叉區(qū)和洞內(nèi)區(qū)，通過對人員進(jìn)入到三個區(qū)域的進(jìn)程時間進(jìn)行判讀，建立人員有效進(jìn)洞和各區(qū)域出現(xiàn)信號進(jìn)程時間的對應(yīng)關(guān)系，以此來作為學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)。

圖1 B P網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)框架圖

（2）管理工作模式類樣本：除上述邏輯關(guān)系判讀所需的區(qū)域信號外，在輸入層還加入人員身法變量，根據(jù)各種讀卡器獲取的信號組合與根據(jù)人員身份和職能判斷的進(jìn)洞有效性的對應(yīng)關(guān)系作為學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于上述研究成果，項目組在前期研究成果基礎(chǔ)上，先后經(jīng)歷了前期需求調(diào)研、關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、現(xiàn)場設(shè)備安裝和運(yùn)行調(diào)試、試運(yùn)行技術(shù)反饋升級四個主要階段。通過幾次反饋改造和設(shè)備選型試驗(yàn)，系統(tǒng)的主體功能目標(biāo)均已實(shí)現(xiàn)，取得了如下主要成果。

圖2 開發(fā)成果界面

3.1 隧道建設(shè)人員進(jìn)出自動記錄系統(tǒng)

系統(tǒng)采用R F I D技術(shù)，應(yīng)用有源R F I D卡和高功率讀卡設(shè)備，根據(jù)工程需求定制研發(fā)相關(guān)人員識別、進(jìn)出洞判斷和信息管理軟件系統(tǒng)。

（1）應(yīng)用讀卡器3臺（洞口2臺，掌子面附近1臺）、R F I D卡150張。能夠滿足人員進(jìn)出洞判斷和是否進(jìn)入洞內(nèi)作業(yè)區(qū)的判斷需求，讀卡器和卡均可根據(jù)實(shí)際需求擴(kuò)展。

（2）完成了R F I D卡分發(fā)和對應(yīng)人員信息的錄入和管理。分別對業(yè)主、施工管理、開挖、支護(hù)、襯砌隊伍和監(jiān)理、設(shè)計等類型人員分類進(jìn)行分發(fā)和信息錄入。

（3）通過反復(fù)試驗(yàn)確定3臺讀卡器的位置、信號讀取的衰減強(qiáng)度，并對讀卡器天線進(jìn)行了改造（由全向改為定向），保證了判斷精度。讀卡器的讀卡距離設(shè)置為50m。

（4）對人員進(jìn)出隧洞判斷的邏輯和R F I D卡的掃描的靈敏度進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)際調(diào)試和運(yùn)用，目前可以準(zhǔn)確判斷記錄進(jìn)、出洞人員。最多可同時實(shí)現(xiàn)50人乘車進(jìn)出隧洞的遠(yuǎn)程識別，具有良好的識別準(zhǔn)確性和有效性，目前可保證達(dá)到預(yù)期的使用效果。

3.2 施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)

目前實(shí)現(xiàn)了對工程現(xiàn)場5路視頻監(jiān)控，其中包括洞內(nèi)2路、洞外3路，監(jiān)控采用硬盤錄像機(jī)形式，可連續(xù)存儲45天，同時給管理人員配發(fā)大容量移動硬盤，實(shí)現(xiàn)定期備份。

（1）實(shí)現(xiàn)了洞內(nèi)外視頻設(shè)備的無線通信，采用無線網(wǎng)橋設(shè)備實(shí)現(xiàn)，預(yù)測可保證3km的通信保障，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證目前在洞內(nèi)通信效果良好。

（2）安裝了洞外設(shè)備廠區(qū)、材料廠區(qū)和隧道入口區(qū)的視頻監(jiān)控，洞內(nèi)視頻監(jiān)控2個，重點(diǎn)對工程隱蔽施工部位實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控（經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研確定掌子面前20m范圍為監(jiān)控重點(diǎn)），分別選用了不同特點(diǎn)的高清攝像鏡頭（動態(tài)修正、強(qiáng)光抑制等特殊功能），安裝移設(shè)簡便。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在距掌子面50～100m處能夠滿足防爆要求，視頻清晰度較好。

（3）監(jiān)控系統(tǒng)采用硬盤錄像機(jī)方式，可以支持遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.3 監(jiān)控值班室數(shù)字化集成

目前在洞口布置了監(jiān)控現(xiàn)場值班室，布置了液晶電視1臺、工控機(jī)服務(wù)器1套、硬盤錄像機(jī)1套，防雷保護(hù)設(shè)備1套，開發(fā)信息集成軟件1套。

（1）視頻監(jiān)控信息和人員進(jìn)出洞記錄信息的集成，可結(jié)合洞口視頻實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)出的認(rèn)證和抽查，系統(tǒng)可根據(jù)管理人員錄入顯示當(dāng)前進(jìn)洞、施工工序和工序統(tǒng)計（新增）等功能。

（2）實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測成果的大屏幕顯示，采用液晶電視為顯示屏，應(yīng)用一機(jī)雙屏幕技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)信息的大屏幕發(fā)布，應(yīng)用效果和穩(wěn)定性良好。

圖3 集成后成果

（3）充分考慮了防雷保護(hù)的措施，應(yīng)用了防雷插排、優(yōu)選了接地體，應(yīng)用了B N C信號、R J 45信號和R S232串口信號的信號避雷器。應(yīng)用至今未發(fā)生雷擊事故。集成后成果見圖3。

4 研究結(jié)論

本成果集人員安全管理、安全監(jiān)測遠(yuǎn)程預(yù)警、遠(yuǎn)程視頻旁站監(jiān)視、綜合考評于一體，具有良好實(shí)用性和可推廣性?？娠@著的提高工程管理水平，有效的規(guī)范施工安全生產(chǎn)管理體系，為保證工程建設(shè)目標(biāo)安全、保質(zhì)的順利實(shí)施提供了有效的技術(shù)支持手段，具有良好的管理效益，降低管理成本。另外，建設(shè)生產(chǎn)任務(wù)的順利完成可保證工程經(jīng)濟(jì)社會效益的有效發(fā)揮，由此所帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)效益巨大。

目前，成果已在遼寧省重點(diǎn)輸水工程全線60余個洞口進(jìn)行推廣應(yīng)用，必將為長大隧洞工程施工安全管理保障做出更大貢獻(xiàn)，具有極其廣闊的推廣前景。

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A

1672-2469（2015）06-0060-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.020

王 心（1974年—），女，高級工程師。