隧道施工安全管理与定位系统的设计和实现

刘国买，戴小廷，刘建华，周 理

(1.福建龙岩学院 资源工程学院，福建 龙岩364012;2.福建工程学院 交通系，福建福州350108;3.福建工程学院信息科学与工程学院，福建福州350108)

隧道施工处在一个狭长封闭的空间，地质、水文不确定，并且人员、设备多，流动变化大，事故率高，危险性大。针对隧道工程施工的特点，国内外学者进行了相关安全管理信息系统的研究和开发［1－4］，促进了信息化技术在隧道施工安全管理的应用。但常规的基于有线网络的安全监测系统存在下列问题［5］:①隧道内各种管线多，布线复杂，增加了施工难度，通信线路容易被破坏，恢复周期一般较长，线路维护成本高;②网络结构相对固定，不适合掘进工作面的动态变化要求;③监测位置固定，而施工人员流动频繁，难以有效跟踪。事故发生后，监控设备易失效，不能起到安全保障效果。因此，有线和视频监测手段无法很好地满足监测量的增加以及施工环境变化的要求，需要采用更先进的网络技术与监控定位措施。

无线传感器网络技术在信号测试和长距离传输方面具有不可比拟的优越性，具有布局灵活、结构易变、生命力较强等特点，近年来，在环境监测、工矿监控等领域得到了广泛的应用［6－7］。上海申通地铁集团与同济大学合作开展了基于图像传感器网络的隧道形变监测系统研究［8］和基于传感网络的隧道智能监控系统开发等［9］。

笔者综合运用无线传感器通信网络、RFID定位技术、多元信息集成与处理等技术，结合隧道施工的特点，设计和实现了隧道施工安全信息管理系统。通过对福建某铁路隧道施工现场调研，根据该隧道工程的具体情况和特点，采用传感器网络技术将人员、机械设备、地质和现场等实时情况的监测数据采集并存入数据库，通过信息处理、比较、分析等手段对隧道施工中各方面的安全信息进行监控，达到根据设定的阈值进行限值报警，对隧道施工的现场进行可视化，使管理人员及决策者能够及时、准确地了解实时情况，从而进行科学的决策和指挥。

1 隧道施工安全监控的功能要求

1.1 综合信息查询功能

(1)任一时间查询并显示某个区域人员及设备的身份、数量和分布情况。

(2)查询一个或多个人员及设备现在的实际位置、活动轨迹。

(3)查询地质物理量及其变动轨迹。

1.2 信息多点共享

系统中心站及网络终端可以局域网方式联网运行，使网上所有终端在使用权限范围内实现信息多点共享，供多个部门及领导同时在不同地点共享监测信息，综合分析信息，查询数据报表。

1.3 报警功能

根据施工管理的需要通过设置警戒区域和监控量阈值，如果有非授权人员及设备进入警戒区域，或者监控量超过阈值，系统自动报警。

1.4 查询统计功能

(1)施工人员及其所在区域的查询、统计。(2)施工设备及其所在区域的查询、统计。(3)工作量的计算、统计。

1.5 施工人员考勤管理

可按部门及各种指定条件进行人员的出勤情况查询，可按任意条件自动排序。

1.6 灾后急救信息查询

一旦发生安全事故，控制主机能立即显示事故地点的人员数量、人员信息和人员位置等信息，提高抢险效率。

2 系统总体结构设计

该系统采用C/S架构，其网络结构拓扑图如图1所示。通过安装在隧道口和内部的板状定向天线、无线网桥网络、传感器和网络型摄像机等设备收集监控数据，通过无线网络将数据传送到网络服务器、网络存储器和工控机信息处理中心等;经过数据的加工处理，最终通过人机对话接口给用户提供各类信息。

图1 系统网络结构拓扑图

根据隧道监控特点，该系统将先进的视频压缩技术、无线传输技术，以及数字视频软件管理技术有机集成，无线网络监控系统物理上由前端、传输、监控中心3个部分组成。前端负责图像、报警信号的采集，由安装在隧道内WIFI定向天线、掌支面红外摄像监控、RFID人员定位接收设备等设备完成，并经过视频服务器编码转换为数字信号。

传输部分用无线网桥将数字信号以无线的方式发射、接收、汇集到工控机信息处理中心。底层无线传感器网络由各传感器节点基于ZigBee无线通信协议构成。ZigBee技术作为一种新兴的无线通信技术，具有微功耗、低成本、自组网和节点布置灵活等特点，适合于多测点信息采集，完成传感器节点的信息交汇、数据存储、指令收发、节点定位，以及参数远程设置等功能，由以太网传输到监控中心。

监控中心采用多级架构技术，分散监控，集中管理。监控信息即可通过电脑实施查询、调阅，也可通过隧道口LED发布信息。

3 关键技术

3.1 监测传感器网络的自组网技术

铁路隧道的长度长，且施工场地会随着施工推进而不断变化，因此，该系统采用了监测传感器网络的自组网技术以适应实际需要。自组织是指各个节点在部署之后可以自动探测邻居节点并形成网状，最终汇聚到网关节点的多跳路由，整个过程不需人为干预。自愈合是指整个网络具有动态鲁棒性，在任何节点损坏，或加入新节点时，网络都可以自动调节路由随时适应物理网络的变化。

首先需要解决的主要问题是无线频段的选择、调制技术和扩频技术。无线通信物理层协议采用自组织网络的MAC协议。节点的成本和能量供应方式是无线传感自组网的两个主要性能指标。无线传感自组网媒体访问控制(MAC)层要求低能耗、低通信延迟和可以动态扩展。考虑隧道施工背景下无线传感节点的移动特性，可设计相适应的网络拓扑结构。

其次，节点硬件选用IRIS，使用的射频芯片完全兼容 IEEE802.15.4(ZigBee)，这可使通信距离得到大幅提高，而功耗反而得到一定降低，能够提供低功耗、远距离传输双重优势。

第三，传感器网络的管理软件使用nesC语言，其基于TinyOS平台开发嵌入式无线传感器网络应用层软件和协议。TinyOS是美国的伯克利大学为嵌入式无线传感器网络而设计的源码开放的操作系统，是一款自由和开源的基于组件的操作系统和平台，它主要针对无线传感器网络，集成了利于协议开发的组件。

3.2 人员设备精确定位技术

人员与设备的精确定位与监控是该系统一个需要解决的关键问题。为了弥补传统RFID定位精度不高的缺点，该系统从结构和软件上进行了优化，通过设计基于分段定位的系统结构，提高了整体定位精度。

LANDMARC定位系统是一种基于接收信号强度指示(RSSI)的有源RFID定位系统。目前的RFID阅读器并不能直接提供信号强度，只能检测标签的能量等级，在LANDMARC系统中为0～8级，阅读器每隔30 s检测一次标签的信号强度等级(RSSI)［10］。

假设定位环境中有U个阅读器、H个参考标签和M个待定位标签，LANDMARC算法求解待定位标签位置过程如下:

(1)定义参考标签RTj在各阅读器上的收信场强向量为，其中为RTj不在阅读器ξu上的RSSI值，定义待定位标签LTi在各阅读器上的收信场强向量为，其中表示LTi在阅读器上的RSSI值。定义RTj与LTi之间的场强欧式距离为:

式中:φiju为阅读器ξu上的场强欧式距离分量。EijLR越小表示LTi与RTj在各阅读器上的收信场强差异越小，进而表示参考标签与待定位标签距离越近。

(2)通过计算，可以得到LTi与各个参考标签的场强欧式距离，并构成向量，选取中最小的k个元素并按其大小排序构成集合，并认定与对应的k个参考标签为RTj的最近邻参考标签。对于∀α，β∈(1，k)，若 α ＞β，则有:

(3)依据EPi1LR的大小赋予各参考标签在定位过程中不同的权重，并依据经验公式推算出RTi的估计坐标为:

式中:wij为第j个近邻参考标签的权重;为LTi的第j个近邻参考标签的已知物理位置，由式(4)则有:

即对于与RT位置越接近的参考标签，其位置信息在定位过程中被赋予越大的权重。LANDMARC最大无误差限制在2 m以内，均方根误差为1 m，达到比较理想的定位精度。

4 系统软件设计

基于传感器网络的隧道施工安全信息管理系统是在第二代无线射频(RFID)识别技术和无线视频监控技术的基础上，结合先进的无线通信技术、计算机及网络技术设计的综合安全管理平台。系统集成了施工现场视频监控、隧道施工人员考勤、区域定位、地质环境监测、安全预警、灾后急救和日常管理等功能，其功能架构设计如图2所示。

图2 系统功能架构设计图

根据隧道施工安全管理的工作需求，便于管理人员随时掌握施工信息，合理调度管理，隧道施工安全信息管理系统要求能够实现实时显示隧道现场施工情景和各类人员、设备的分布状况;能够对施工人员考勤、统计、分析;对隧道地质条件、项目进度等进行管理等功能。当事故发生时，救援人员也可根据隧道施工人员设备安全监测管理系统所提供的信息，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

基于上述功能，系统设计采用面向对象的方法进行总体结构设计、数据库设计、用户界面设计和程序流程设计，并用UML工具描述与建模。利用可视化开发工具(Delphi、Visual C++)、企业级的数据库管理系统(MSSQLSERVER 2005)、可拓展的网络架构来实现该系统。系统数据采集设备采用隧道壁挂式设计，无需在隧道内进行大面积的现场施工，并保证系统在恶劣环境下24 h连续正常运转。该系统在中铁二局福建某隧道施工管理中得到了成功实施，系统安全、稳定、可靠。系统预留扩展接口，根据隧道施工进度需求，可增添信息接收和传输设备，而不需调整整个系统。

5 结论

笔者分析了现有隧道安全监控系统的现状，运用基于ZigBee技术的无线传感器通信网络、不同监测仪器的信息采集技术，进行了多元信息的集成与处理，结合隧道施工的特点，设计并实现了隧道施工安全信息管理系统。该系统已成功应用于铁路隧道施工企业，有利于实时监控隧道施工过程，及时发出预警信息，帮助管理者发现事故隐患，从而快速采取应急措施，杜绝或降低事故危害，有效提高隧道施工安全自动化、信息化管理水平。

［1］叶英，穆千祥，张成平.隧道施工多元信息预警与安全管理系统研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(5):900 －907.

［2］周又波，胡氓.盾构隧道信息化施工智能管理系统设计及应用［J］.岩石力学与工程学报，2004，23(2):217－220.

［3］JEON Y W，CHOI B S.IT－based tunnelling risk management system(IT－TURISK)－development and implementation［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21(2):190 －202.

［4］SAIC，KEVIN KW，HENRY CH S.CSHM:Webbased safety and healthmonitoring system for construction management［J］.Journal of Safety Research，2004(35):159－170.

［5］周纯杰，黄雄峰，秦元庆，等.无线传感器网络隧道施工监控系统设计与实现［J］.计算机工程与设计，2011，32(7):2501 －2505.

［6］程添，严钱军.基于ZigBee无线网络的隧道LED灯控制系统［J］.机电工程，2013，30(6):843 －846.

［7］郭晓程，贺智宏.无线传感网络在施工隧道监测系统中的应用［J］.科技创新与应用，2013，19(1):66 －70.

［8］周奇才，高嵩，熊肖磊，等.基于图像传感器网络的隧道形变监测系统研究［J］.计算机测量与控制，2009(9):21－23.

［9］金湖庭.基于传感网络的隧道智能监控系统开发［J］.中国公共安全:综合版，2010(10):34 －36.

［10］史伟光.基于射频识别技术的室内定位算法研究［D］.天津:天津大学图书馆，2011.