基于物联网技术的隧道安全施工监控系统分析

王 颖

（山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006）

1 隧道安全施工监控的现状与需求分析

随着社会经济的发展，各种隧道以及城市地铁的数量愈来愈多，特别是近几年来，随着高速公路、高速铁路、城市地铁的大发展，我国的隧道建设更是突飞猛进，日新月异。伴随而来的是隧道项目所跨越地区的地质条件越来越复杂，隧道的长度越来越长，埋深越来越深，洞径截面越来越大，施工技术和安全管理难度也越来越高。这种“长、大、深、难”的发展趋向必然给施工带来极大的风险，安全管理的压力愈来愈大，甚至成为管理者不能承受之重，迫切需要利用先进的科技成果，以更加科学的方式对隧洞施工中有关人员安全、设备安全、环境安全、建设进程等各种要素进行实时的、全面的监测，以实现及时的安全预警和高效的指挥调度。

近些年来，隧道安全施工的监控从无到有，经过不断探索，一些解决方案被应用于实际工程中，比如人员定位考勤系统、施工环境安全信息监测系统、地质监测预警系统和语音通讯报警系统等。这些解决方案的应用，确实解决了施工安全管理中不少的问题，但是不足之处也是明显的，突出地表现在：

a）各个系统都是彼此独立的、分散的，信息不能互通，数据不能共享，难以综合各种系统的信息和数据而做出总体的判断和预警，对于管理者的决策帮助还远远不够，再加上各子系统由不同的厂商提供，有不同的使用模式，使用者必须学习不同系统的不同操作方法和维护方法，这给使用者也带来了很大的困难，增加了管理的工作量和难度；

b）从投资的角度看，不同系统中的硬件平台和软件平台以及通讯系统不能共享，需方只能重复购买，造成了投资的浪费；

c）现行的人员定位考勤系统以采用RFID技术居多，这是历史原因造成的，但是RFID技术应用在这个领域，其先天的缺陷难以克服，主要表现在定位精度低、需要布设大量的基站、基站之间必须采取有线通讯的方式、安装移动不便，最近几年，采用Zigbee技术的人员定位系统有后来居上之势，Zigbee技术可以有效克服RFID技术的不足；

d）当前施工环境安全信息监测系统、地质监测预警系统等主要还是采用有线通讯的方式，造价高，安装、移动、扩展都极为不便。

根据多年从事隧道安全施工监控工作的实际经验和对广大客户需求的深入了解，笔者认为一个合理、实用的隧道安全施工监控系统应当具备以下特点：

a）监测和通讯终端必须便于安装和移动 隧道安全施工监测是一个动态的过程，随着工程的推进，监测和通讯终端需要经常调整位置，显然有线通讯的方式是难以适应这样的要求；

b）扩展性好 随着工程的进展，系统中的监测和通讯终端必然不断增加，这就要求系统具有良好的扩展性和比较大的网络节点容量；

c）定位精确 人员定位系统是灾害预防、事故救助的有力保障，事关每个入洞人员的生命安全，定位的精确性就显得尤为重要；

d）投资低廉 系统的投资成本在工程总投资中的比重越低越好，这样才能调动业主和施工单位的使用积极性，消除抵触情绪，把该系统的使用变成自主的需求，而不是监管部门的强制要求；

e）可靠性高 极高的可靠性要求是对系统的基本要求，特别是网络通讯的可靠性；

f）统一的系统平台，兼容性好 隧道安全施工监控系统的各个子系统共用一个基础网络和管理平台，用户只需要面对一个接口。

2 Zigbee技术特点

ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术中的两个，是物联网应用最关键的技术之一。

ZigBee是个仿生学名词，来源于蜂群中蜜蜂相互通讯时的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免费的工业、科学、医疗专用频段（2.4G－ISM），它是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低功耗、低数据速率（20～250KB／s）、低成本、高可靠性、高容量双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其主要特点可以概括为“三低两高”：

a）近距离 传输范围一般在10～100m之间，在增加RF发射功率后，也可增加到1～3km，这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离可以更远；

b）低功耗 在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长；

c）低成本 通过大幅简化协议使成本变得很低（不足蓝牙的1／10），而且ZigBee的协议专利免费；

d）高容量 ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由1个主节点（设备）管理若干子节点（设备），最多1个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网；

e）高可靠性 ZigBee技术中，由于采用网状网（mesh网络）拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频（DSSS）的方式，因而抗干扰性强，能够很好地适应工业自动化控制现场的复杂状况。

对照ZigBee技术的特点和隧道安全施工监控的需求，不难发现，基于ZigBee的物联网技术是解决隧道安全监控数据通信问题的理想途径。

3 系统设计与实现

隧道安全施工监控系统主要由五部分组成：项目部监控中心系统，上级管理中心系统，隧道内无线网络系统，数据采集系统和传感器，人员定位系统。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意图

3.1 项目部监控中心系统

该系统配置于隧洞口附近的项目管理部，包括计算机系统、数据库系统、监控系统软件、远程网络访问系统、无线传输管理系统和大屏幕显示系统。所有的监测数据、事故报警以及人员定位信息都通过无线网络汇聚到项目部监控中心的计算机系统，中心计算机系统对数据进行记录、统计和分析，供管理人员查看和决策。控制指令可以由中心计算机系统发送到相应的设备和人员。

3.2 上级管理中心系统

该系统配置于上级管理部门，通过Internet与项目部监控中心的计算机系统联接，管理人员可以远程掌握施工现场的各种信息，如同身在现场一样。

3.3 无线网络系统

该系统是整个系统中最为关键的环节，不仅担负着数据传输的任务，同时传感数据采集和人员定位功能也在这个系统内实现。

隧道内的无线网络系统采用Zigbee技术构建。Zigbee技术最重要的特点之一就是支持Mesh网络。无线Mesh网络（无线网状网络）也称为“多跳（multihop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网（WLAN）中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。数据在网络中自动寻找效率最高的传输路径，直至到达目的地，没有固定的路由。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。Zigbee协议构建的无线网络拓扑结构如图2所示。

图2 Zigbee协议构建的无线网络拓扑结构示意图

在这种无线网络中，网络的构建和路由都是自动的，不用关心数据传输的具体路径，应为它可能是动态改变的，我们只需关心源节点和目标节点。每个节点都可以挂载采集模块成为终端节点对传感器信息进行采集，同时又是网络的构建传递者。在整个无线网络中会有一个主控节点（红色六边形），它的任务就是负责上层控制台与网络的连接，协助上层控制台对无线网络进行一些管理，主控节点与上层控制台之间可以通过以以太网协议或RS232协议连接。主控节点一般设置在洞口，以有线或者无线的方式与上层控制台通信。

网络节点的设备被称为基站或者综合传输控制台，它内部的功能结构如图3所示。

图3 基站（综合传输控制台）

基站（综合传输控制台）的设计提供了Zigbee、CAN总线和TCP／IP三种协议的接口，用它作为网络节点，不仅可以构建无线网络，还能根据需要构建有线网络或者无线＋有线的网络，使得组网非常的灵活。除了三种网络接口外，综合传输控制台预留了一个串口，并将通用I／O口、IIC和SPI等接口扩展出来，可以与多通道数据采集卡等其他设备连接，这些接口的预留极大地增强了传输控制台的扩展性。控制台的主控制器采用ATMEL的AT91SAM7x256，其主频达到55MHz，内部自带256K高速FLASH和64K的SRAM，提供了以太网接口、CAN、SPI、UART、USB、IIC、通用IO等丰富的接口控制器，为控制台的良好的扩展性奠定了基础。

3.4 数据采集系统和传感器

传感器测量数据的采集有两种方式，一是配备Zigbee通讯模块的传感器可以将测量数据直接发送给基站；二是通过多通道数据采集卡采集传感器数据（如图4所示），然后经由基站传送到中心计算机系统，这种方式适合小区域多传感器的应用。在隧道监测中，往往每隔一段距离以一个横断面作为基本监测单元，每个横断面上分布几个至几十个传感器，各传感器通过线缆连接到多通道数据采集卡，采集卡通过扁平电缆线连接到综合传输控制台。控制台控制采集器定时采集传感器数据，通过计算机巡检或主动上报的方式将传感器数据传输到中心计算机。

图4 多通道通用采集卡

实际使用中可以连接的传感器种类很多，具体如以下几类：

a）施工类 应力（压力盒、钢筋应力计、孔隙水压力计、支柱压力计、锚杆轴力）、位移（多点杆式或钢丝式位移计、钻孔位移计等）；

b）安全类 瓦斯、CO浓度、烟雾浓度、风压、相对静压和粉尘浓度等；

c）环境类 温度、湿度、风速和照度等。

3.5 人员定位系统

ZigBee技术还有一个特点就是支持地理定位功能。通讯节点之间可以实时测量通讯信号强弱，信号的强度与距离成反比。基于这个原理，给人员或者机械设备佩戴基于Zigbee的定位识别卡，当识别卡的信号被两个以上的基站收到，通过计算就可以实现精确的定位。系统可以读取识别卡的卡号信息，通过传输网络，将持卡人通过的路段、时间等资料传输到监控中心进行数据管理，并可查询识别卡相对应人员的基本信息，包括姓名、年龄、性别、所属班组、所属工种和职务等。由于ZigBee技术强大的数据传输能力，在定位的同时，识别卡和中心计算机之间还可以实现双向的短信传输，在没有通讯覆盖的隧道内，短信的功能显得尤为重要。

4 系统特点

隧道安全施工监控系统具有以下特点：

a）采用有线网络传输与ZigBee无线网络传输两种方式构建骨干传输网络，既解决了工作现场经常移动带来的布线不便问题，又能相互补充，解决信号的稳定传输问题；

b）几个子系统共用一个骨干传输网络，最大限度地节约投资，减少了工程量，避免了各种系统之间的资源冲突；

c）施工周期短，在时刻变化的复杂环境中，不需要做繁琐的布线工作，系统安装维护方便，大大降低了系统的操作难度和后期管理维护难度；

d）扩展能力强，ZigBee拥有65K的网络容量，又采用了Mesh网络的拓扑结构，使得系统的扩展非常容易；

e）可实现真正意义上的精确定位，定位精度在5m以内，大大优于RFID的区域定位，而且可以实现人员运动轨迹记录和回放，实时定位跟踪和测距；

f）具有极高的防冲突性，每个检测点可最多同时识别500个施工人员的信息；

g）具有快速的识别速度，最快可达到50km／h，满足对进出隧道车辆的监控需求；

h）具有双向通信报警功能，施工人员可以通过识别卡向监控中心发送短信和报警信息，监控中心也可以向识别卡发送短信，下达通知和指令。

5 结语

本文设计和实现了一个基于物联网技术的隧道安全施工监控系统，该系统采用Zigbee无线通讯技术组网，投资成本低，系统可靠性高，组网的灵活性和扩展性好，网络易维护，既可以实现对洞内人员的精确定位和考勤管理，也可以实时监测隧道内各种有关施工安全和人员安全的参数，对于确保安全施工和实现精确化管理意义重大，具有良好的社会经济效益。目前该系统已在陕西包夹山隧道、北京八达岭改路项目之青龙桥隧道、北京地铁大兴线和北京地铁九号线1标区间等几十个隧道工程项目中成功应用。

[1]IEEE Std 802.15.4d-2009,Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs)[S].