劉國買，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)

隧道施工處在一個狹長封閉的空間，地質(zhì)、水文不確定，并且人員、設(shè)備多，流動變化大，事故率高，危險性大。針對隧道工程施工的特點，國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)安全管理信息系統(tǒng)的研究和開發(fā)［1－4］，促進了信息化技術(shù)在隧道施工安全管理的應(yīng)用。但常規(guī)的基于有線網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測系統(tǒng)存在下列問題［5］:①隧道內(nèi)各種管線多，布線復(fù)雜，增加了施工難度，通信線路容易被破壞，恢復(fù)周期一般較長，線路維護成本高;②網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對固定，不適合掘進工作面的動態(tài)變化要求;③監(jiān)測位置固定，而施工人員流動頻繁，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，有線和視頻監(jiān)測手段無法很好地滿足監(jiān)測量的增加以及施工環(huán)境變化的要求，需要采用更先進的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與監(jiān)控定位措施。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在信號測試和長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、生命力較強等特點，近年來，在環(huán)境監(jiān)測、工礦監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［6－7］。上海申通地鐵集團與同濟大學(xué)合作開展了基于圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道形變監(jiān)測系統(tǒng)研究［8］和基于傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道智能監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)等［9］。

筆者綜合運用無線傳感器通信網(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，設(shè)計和實現(xiàn)了隧道施工安全信息管理系統(tǒng)。通過對福建某鐵路隧道施工現(xiàn)場調(diào)研，根據(jù)該隧道工程的具體情況和特點，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將人員、機械設(shè)備、地質(zhì)和現(xiàn)場等實時情況的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集并存入數(shù)據(jù)庫，通過信息處理、比較、分析等手段對隧道施工中各方面的安全信息進行監(jiān)控，達到根據(jù)設(shè)定的閾值進行限值報警，對隧道施工的現(xiàn)場進行可視化，使管理人員及決策者能夠及時、準確地了解實時情況，從而進行科學(xué)的決策和指揮。

1 隧道施工安全監(jiān)控的功能要求

1.1 綜合信息查詢功能

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

(2)查詢一個或多個人員及設(shè)備現(xiàn)在的實際位置、活動軌跡。

(3)查詢地質(zhì)物理量及其變動軌跡。

1.2 信息多點共享

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)運行，使網(wǎng)上所有終端在使用權(quán)限范圍內(nèi)實現(xiàn)信息多點共享，供多個部門及領(lǐng)導(dǎo)同時在不同地點共享監(jiān)測信息，綜合分析信息，查詢數(shù)據(jù)報表。

1.3 報警功能

根據(jù)施工管理的需要通過設(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)備進入警戒區(qū)域，或者監(jiān)控量超過閾值，系統(tǒng)自動報警。

1.4 查詢統(tǒng)計功能

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

1.5 施工人員考勤管理

可按部門及各種指定條件進行人員的出勤情況查詢，可按任意條件自動排序。

1.6 災(zāi)后急救信息查詢

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

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖如圖1所示。通過安裝在隧道口和內(nèi)部的板狀定向天線、無線網(wǎng)橋網(wǎng)絡(luò)、傳感器和網(wǎng)絡(luò)型攝像機等設(shè)備收集監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)存儲器和工控機信息處理中心等;經(jīng)過數(shù)據(jù)的加工處理，最終通過人機對話接口給用戶提供各類信息。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓撲圖

根據(jù)隧道監(jiān)控特點，該系統(tǒng)將先進的視頻壓縮技術(shù)、無線傳輸技術(shù)，以及數(shù)字視頻軟件管理技術(shù)有機集成，無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)物理上由前端、傳輸、監(jiān)控中心3個部分組成。前端負責圖像、報警信號的采集，由安裝在隧道內(nèi)WIFI定向天線、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)過視頻服務(wù)器編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

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

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

3 關(guān)鍵技術(shù)

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

鐵路隧道的長度長，且施工場地會隨著施工推進而不斷變化，因此，該系統(tǒng)采用了監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)技術(shù)以適應(yīng)實際需要。自組織是指各個節(jié)點在部署之后可以自動探測鄰居節(jié)點并形成網(wǎng)狀，最終匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的多跳路由，整個過程不需人為干預(yù)。自愈合是指整個網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)魯棒性，在任何節(jié)點損壞，或加入新節(jié)點時，網(wǎng)絡(luò)都可以自動調(diào)節(jié)路由隨時適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的變化。

首先需要解決的主要問題是無線頻段的選擇、調(diào)制技術(shù)和擴頻技術(shù)。無線通信物理層協(xié)議采用自組織網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議。節(jié)點的成本和能量供應(yīng)方式是無線傳感自組網(wǎng)的兩個主要性能指標。無線傳感自組網(wǎng)媒體訪問控制(MAC)層要求低能耗、低通信延遲和可以動態(tài)擴展。考慮隧道施工背景下無線傳感節(jié)點的移動特性，可設(shè)計相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

其次，節(jié)點硬件選用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、遠距離傳輸雙重優(yōu)勢。

第三，傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理軟件使用nesC語言，其基于TinyOS平臺開發(fā)嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層軟件和協(xié)議。TinyOS是美國的伯克利大學(xué)為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的源碼開放的操作系統(tǒng)，是一款自由和開源的基于組件的操作系統(tǒng)和平臺，它主要針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，集成了利于協(xié)議開發(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)一個需要解決的關(guān)鍵問題。為了彌補傳統(tǒng)RFID定位精度不高的缺點，該系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)和軟件上進行了優(yōu)化，通過設(shè)計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強度指示(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強度，只能檢測標簽的能量等級，在LANDMARC系統(tǒng)中為0～8級，閱讀器每隔30 s檢測一次標簽的信號強度等級(RSSI)［10］。

假設(shè)定位環(huán)境中有U個閱讀器、H個參考標簽和M個待定位標簽，LANDMARC算法求解待定位標簽位置過程如下:

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

式中:φiju為閱讀器ξu上的場強歐式距離分量。EijLR越小表示LTi與RTj在各閱讀器上的收信場強差異越小，進而表示參考標簽與待定位標簽距離越近。

(2)通過計算，可以得到LTi與各個參考標簽的場強歐式距離，并構(gòu)成向量，選取中最小的k個元素并按其大小排序構(gòu)成集合，并認定與對應(yīng)的k個參考標簽為RTj的最近鄰參考標簽。對于?α，β∈(1，k)，若 α ＞β，則有:

(3)依據(jù)EPi1LR的大小賦予各參考標簽在定位過程中不同的權(quán)重，并依據(jù)經(jīng)驗公式推算出RTi的估計坐標為:

式中:wij為第j個近鄰參考標簽的權(quán)重;為LTi的第j個近鄰參考標簽的已知物理位置，由式(4)則有:

即對于與RT位置越接近的參考標簽，其位置信息在定位過程中被賦予越大的權(quán)重。LANDMARC最大無誤差限制在2 m以內(nèi)，均方根誤差為1 m，達到比較理想的定位精度。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道施工安全信息管理系統(tǒng)是在第二代無線射頻(RFID)識別技術(shù)和無線視頻監(jiān)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合先進的無線通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計的綜合安全管理平臺。系統(tǒng)集成了施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控、隧道施工人員考勤、區(qū)域定位、地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測、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)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計圖

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)實時顯示隧道現(xiàn)場施工情景和各類人員、設(shè)備的分布狀況;能夠?qū)κ┕と藛T考勤、統(tǒng)計、分析;對隧道地質(zhì)條件、項目進度等進行管理等功能。當事故發(fā)生時，救援人員也可根據(jù)隧道施工人員設(shè)備安全監(jiān)測管理系統(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)計采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)庫設(shè)計、用戶界面設(shè)計和程序流程設(shè)計，并用UML工具描述與建模。利用可視化開發(fā)工具(Delphi、Visual C++)、企業(yè)級的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(MSSQLSERVER 2005)、可拓展的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來實現(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，無需在隧道內(nèi)進行大面積的現(xiàn)場施工，并保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下24 h連續(xù)正常運轉(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施，系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)預(yù)留擴展接口，根據(jù)隧道施工進度需求，可增添信息接收和傳輸設(shè)備，而不需調(diào)整整個系統(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，運用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)、不同監(jiān)測儀器的信息采集技術(shù)，進行了多元信息的集成與處理，結(jié)合隧道施工的特點，設(shè)計并實現(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)，有利于實時監(jiān)控隧道施工過程，及時發(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化、信息化管理水平。

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