基于RFID/GIS技术的隧道安全施工监测系统设计★

刘亚立 陈艳红 高彦丽

(河北地质大学,河北 石家庄 050000)

1 概述

2018年5月26日～27日，在浙江杭州召开了主题为“改革开放创新引领”的第二十届中国科协年会，国内外知名隧道及地下工程专家作了专题报告，重点研讨了特长隧道、深埋山岭隧道施工关键技术与面临的挑战。2018年6月，中国访谈就隧道工程相关问题访问了领域内专家，专家表示：我国隧道技术的总体水平已经走在世界前列，同时，专家也谈到隧道工程未来的发展，其中之一就是隧道防灾。隧道工程可穿山可入海，长度从几千米到几十千米不等，地质地形变化万千，难以掌控，稍有不慎，施工人员的生命及财产就会受到极大的威胁。例如：2011年成渝铁路大安隧道燃烧事故；2012年湖南炎汝高速公路在建八面山隧道爆炸事故；2014年，安徽省池洲市东至县龙头岭隧道坍塌事故；2015年重庆黔江县舟白隧道坍塌事故；2016年广西河百高速平坎隧道透水事故[1]；2017年贵州省成贵铁路七扇岩隧道爆炸事故；2018年佛山地铁施工隧道坍塌事故，等等，这些事故都造成了一定的人员伤亡及财产损失。因此，在隧道建设期，需要采取一些高效率、高精度的监测与管理方法，获取相关的实时资料信息，预防事故的发生[2]或使事故救援更高效。

2016年，文献[3]中提到，如果将BIM(建筑信息模型)技术与GIS技术融合，以GIS为基础，对BIM模型进行分析，将会大大简化建模与分析[3]。故，本文提出一种基于RFID，GIS技术的隧道安全施工监测系统设计方案，论述相关的技术方法与功能实现，通过此系统的建设旨在实时监测隧道施工情况，提高隧道安全信息化施工与可靠运行。

2 系统的关键技术

2.1 三维GIS

地理信息系统(Geographical Information System，简称GIS)是一门融合信息科学、空间科学及地球科学的交叉学科，它利用计算机相关技术对地学空间数据进行处理，结合计算机图形学及其他算法对现实世界进行模拟，实现空间数据的采集、管理、处理、分析、建模和显示，以便解决复杂的规划和管理问题[4]。GIS不仅可以实现对空间数据的快速采集与更新，而且还可以对空间数据进行可视化分析及三维仿真模拟。

本设计将GIS作为数据统一展示和分析平台。首先统一展示地质数据、水文数据、气象数据、通风井位置、作业面位置、视频监控点位、DEM数据、数字正射影像数据，同时关联显示相关的设计文档、安全作业规程、施工进度计划等，另一方面借助强大的数据分析模型实现汇水面分析、多剖面分析、粉尘扩散分析、地质灾害风险评估等。

2.2 高清视频监控

高清监控摄像机在完成高清视频采集之后，接下来需要进行的是高清编码和高清码流的传输，实现对高清数字信号进行交换控制，以及高清码流的存取和高清显示[5]。

高清监控首先必须基于视频压缩处理并通过IP网络进行传输，只有这样才能有效控制高清视频的传输成本[6]，从而让高清监控具有真正的实用意义。

本设计中全面采用高清视频监控实现隧道内安全管理，包括视频实时查看、历史视频查看、历史视频下载、视频轮巡、多屏播放等功能，并尝试脱离单一的视频平台，在GIS系统中也能够看到高清视频，从而实现多系统的融合。

2.3 RFID识别

射频识别,即RFID(Radio Frequency IDentification)技术，又称无线射频识别，是一种无线自动识别技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触[7]。

采用此种技术可以减少人工点名造成的不准确和无法考据问题。因为无需接触读取设备，所以不影响正常工作，大大提高适用性。为减少施工人员负担，采用与安全帽一体化的小型卡片设计，只要戴安全帽就等同于携带了安全卡片。

3 系统设计

3.1 系统功能

基于系统实用性、可扩展性、可维护性、高效率与效益等原则设计隧道安全施工监测可视化系统，此系统可以在施工前期以三维可视化形式模拟施工环境，对施工做可行性分析。施工中可以实时监控施工环境，详细查看并记录施工情况，降低施工过程中的事故发生率；可以实时监测并记录人员位置及行动轨迹，通过网络将数据传送到监控中心，从而实现施工内外的有效连接，一旦发生事故，可以准确开展救援；可以根据施工过程中的监测数据做实时分析预防工程事故的发生。此系统的运行，可使隧道工程从设计到施工整个过程都以信息化模型展示，可使隧道建设过程更加合理化、安全化、高效化。

3.2 系统架构

本设计以GIS为平台，结合RFID技术，以实现隧道施工的科学、有效、信息化管理为目的。本监测管理平台按照各层的特性分为硬件设备层、软件平台层、服务应用层，各层的关系及包含的内容如图1所示。

1)硬件设备层。硬件是系统正常运行的外部基础，硬件的选择会影响整个系统处理效率、数据采集精度、数据采集稳定性，也关系到系统运行的可持续性。为了保证整个系统正常运行，选用的硬件设备有：视频显示屏，计算机，服务器，高清球机，网络设备，RFID阅读器等。在隧道关键位置布设多个高清球机，可对施工现场进行实时监控；RFID结合物联网技术，可以让系统快速获取人员与设备信息，以达到安全管理的目的；通过网络设备把前端信号和数据实时集中到服务器进行处理，再通过客户端显示给管理人员。

2)软件平台层。软件平台层是一个软件集成平台，主要目的是实现数据的存储与管理，数据的显示与编辑，实时影像的展示，通过平台层，数据多种形式展示给用户。主要包括人员基本信息、施工进度信息、隧道三维立体图、隧道地质图、施工平面图等。

3)服务应用层。服务应用层是系统各模块的集成，主要包括：三维模拟系统、人员监控平台、设备监控平台、施工现场展示、监测预警等服务。

服务层面对的是最终用户，这里有良好的人机交互界面，用户可以根据需要进入不同的服务模块，通过数据分析做出最终决策。

3.3 系统模块

系统的功能模块如图2所示。

1)三维模拟平台。三维模拟平台设计的目标是构建一个实时的可视化的三维仿真隧道。工作人员可以漫游于隧道中，可以快速查询与定位隧道的某一位置，可以在隧道模型中演示工作流程，如果发生事故，可以模拟事故的救援预案。

2)人员监控平台。施工人员的安全帽上装有RFID，人员每到一处都要经RFID阅读器识别其信息，每一次的识别信息都要通过网络回传给控制中心的主系统，并逐次记录，控制室以三维隧道模型为基础，将人员的实时位置显示于隧道模型中，从而实现对隧道内人员的行为轨迹跟踪显示。

3)施工现场展示平台。现场采用逐级汇聚的方式实现高清视频的传输，通过视频综合平台实现视频编码、存储、转发服务，数据库服务器用于存储地质、水文、CAD图纸、DEM模型等数据。利用高清视频采集与传输技术，控制中心可以通过电子监控观察施工现场的各个角落。

4)监测预警平台。所有监测项目的监测数据通过网络传输到控制中心，经过GIS软件做分析处理，生成观测值变化速率、时间、变化量曲线图，变形和应力、内力与时间关系曲线，并按预警值进行预警和预报[8]。

4 结语

本研究将三维GIS、高清视频监控及射频识别(RFID)技术相结合，应用于隧道安全施工监测系统。其中，三维GIS主要用于环境模拟、数据演示与分析，视频监控主要用于实时监测隧道内情况，射频识别主要用于人员记录与追踪，三者结合，既可以实现隧道的信息化施工，也可以保障隧道的安全管理与运营。“安全生产”一直是工程建设单位坚持的一项基本原则，是一个永恒的话题，相信隧道安全施工监测系统的推广会大大提高工程建设单位的生产效率与管理水平。目前此系统正处于完善期，还需要不断优化算法，完善功能，随着系统的不断提升与完善，相信它会给工程建设带来一定的便捷。