基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)分析

王 穎

（山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006）

1 隧道安全施工監(jiān)控的現(xiàn)狀與需求分析

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種隧道以及城市地鐵的數(shù)量愈來愈多，特別是近幾年來，隨著高速公路、高速鐵路、城市地鐵的大發(fā)展，我國的隧道建設(shè)更是突飛猛進(jìn)，日新月異。伴隨而來的是隧道項(xiàng)目所跨越地區(qū)的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，隧道的長度越來越長，埋深越來越深，洞徑截面越來越大，施工技術(shù)和安全管理難度也越來越高。這種“長、大、深、難”的發(fā)展趨向必然給施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，安全管理的壓力愈來愈大，甚至成為管理者不能承受之重，迫切需要利用先進(jìn)的科技成果，以更加科學(xué)的方式對(duì)隧洞施工中有關(guān)人員安全、設(shè)備安全、環(huán)境安全、建設(shè)進(jìn)程等各種要素進(jìn)行實(shí)時(shí)的、全面的監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)及時(shí)的安全預(yù)警和高效的指揮調(diào)度。

近些年來，隧道安全施工的監(jiān)控從無到有，經(jīng)過不斷探索，一些解決方案被應(yīng)用于實(shí)際工程中，比如人員定位考勤系統(tǒng)、施工環(huán)境安全信息監(jiān)測系統(tǒng)、地質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)和語音通訊報(bào)警系統(tǒng)等。這些解決方案的應(yīng)用，確實(shí)解決了施工安全管理中不少的問題，但是不足之處也是明顯的，突出地表現(xiàn)在：

a）各個(gè)系統(tǒng)都是彼此獨(dú)立的、分散的，信息不能互通，數(shù)據(jù)不能共享，難以綜合各種系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)而做出總體的判斷和預(yù)警，對(duì)于管理者的決策幫助還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，再加上各子系統(tǒng)由不同的廠商提供，有不同的使用模式，使用者必須學(xué)習(xí)不同系統(tǒng)的不同操作方法和維護(hù)方法，這給使用者也帶來了很大的困難，增加了管理的工作量和難度；

b）從投資的角度看，不同系統(tǒng)中的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)以及通訊系統(tǒng)不能共享，需方只能重復(fù)購買，造成了投資的浪費(fèi)；

c）現(xiàn)行的人員定位考勤系統(tǒng)以采用RFID技術(shù)居多，這是歷史原因造成的，但是RFID技術(shù)應(yīng)用在這個(gè)領(lǐng)域，其先天的缺陷難以克服，主要表現(xiàn)在定位精度低、需要布設(shè)大量的基站、基站之間必須采取有線通訊的方式、安裝移動(dòng)不便，最近幾年，采用Zigbee技術(shù)的人員定位系統(tǒng)有后來居上之勢，Zigbee技術(shù)可以有效克服RFID技術(shù)的不足；

d）當(dāng)前施工環(huán)境安全信息監(jiān)測系統(tǒng)、地質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)等主要還是采用有線通訊的方式，造價(jià)高，安裝、移動(dòng)、擴(kuò)展都極為不便。

根據(jù)多年從事隧道安全施工監(jiān)控工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和對(duì)廣大客戶需求的深入了解，筆者認(rèn)為一個(gè)合理、實(shí)用的隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備以下特點(diǎn)：

a）監(jiān)測和通訊終端必須便于安裝和移動(dòng) 隧道安全施工監(jiān)測是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，隨著工程的推進(jìn)，監(jiān)測和通訊終端需要經(jīng)常調(diào)整位置，顯然有線通訊的方式是難以適應(yīng)這樣的要求；

b）擴(kuò)展性好 隨著工程的進(jìn)展，系統(tǒng)中的監(jiān)測和通訊終端必然不斷增加，這就要求系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性和比較大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量；

c）定位精確 人員定位系統(tǒng)是災(zāi)害預(yù)防、事故救助的有力保障，事關(guān)每個(gè)入洞人員的生命安全，定位的精確性就顯得尤為重要；

d）投資低廉 系統(tǒng)的投資成本在工程總投資中的比重越低越好，這樣才能調(diào)動(dòng)業(yè)主和施工單位的使用積極性，消除抵觸情緒，把該系統(tǒng)的使用變成自主的需求，而不是監(jiān)管部門的強(qiáng)制要求；

e）可靠性高 極高的可靠性要求是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，特別是網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性；

f）統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)，兼容性好 隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)共用一個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和管理平臺(tái)，用戶只需要面對(duì)一個(gè)接口。

2 Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)和RFID技術(shù)在2004年就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個(gè)，是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

ZigBee是個(gè)仿生學(xué)名詞，來源于蜂群中蜜蜂相互通訊時(shí)的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免費(fèi)的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療專用頻段（2.4G－ISM），它是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率（20～250KB／s）、低成本、高可靠性、高容量雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。其主要特點(diǎn)可以概括為“三低兩高”：

a）近距離 傳輸范圍一般在10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，也可增加到1～3km，這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離可以更遠(yuǎn)；

b）低功耗 在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長；

c）低成本 通過大幅簡化協(xié)議使成本變得很低（不足藍(lán)牙的1／10），而且ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi)；

d）高容量 ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)（設(shè)備）管理若干子節(jié)點(diǎn)（設(shè)備），最多1個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)；

e）高可靠性 ZigBee技術(shù)中，由于采用網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh網(wǎng)絡(luò)）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻（DSSS）的方式，因而抗干擾性強(qiáng)，能夠很好地適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場的復(fù)雜狀況。

對(duì)照ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)和隧道安全施工監(jiān)控的需求，不難發(fā)現(xiàn)，基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是解決隧道安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信問題的理想途徑。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)主要由五部分組成：項(xiàng)目部監(jiān)控中心系統(tǒng)，上級(jí)管理中心系統(tǒng)，隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器，人員定位系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 項(xiàng)目部監(jiān)控中心系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置于隧洞口附近的項(xiàng)目管理部，包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)、無線傳輸管理系統(tǒng)和大屏幕顯示系統(tǒng)。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)、事故報(bào)警以及人員定位信息都通過無線網(wǎng)絡(luò)匯聚到項(xiàng)目部監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)和分析，供管理人員查看和決策。控制指令可以由中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)送到相應(yīng)的設(shè)備和人員。

3.2 上級(jí)管理中心系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置于上級(jí)管理部門，通過Internet與項(xiàng)目部監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)接，管理人員可以遠(yuǎn)程掌握施工現(xiàn)場的各種信息，如同身在現(xiàn)場一樣。

3.3 無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，不僅擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，同時(shí)傳感數(shù)據(jù)采集和人員定位功能也在這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

隧道內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)構(gòu)建。Zigbee技術(shù)最重要的特點(diǎn)之一就是支持Mesh網(wǎng)絡(luò)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)（無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)）也稱為“多跳（multihop）”網(wǎng)絡(luò)，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN）中，每個(gè)客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，而在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，任何無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)都可以同時(shí)作為AP和路由器，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送和接收信號(hào)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與一個(gè)或者多個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行直接通信。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中自動(dòng)尋找效率最高的傳輸路徑，直至到達(dá)目的地，沒有固定的路由。添加或移動(dòng)設(shè)備時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓⒆詣?dòng)調(diào)整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。Zigbee協(xié)議構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Zigbee協(xié)議構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

在這種無線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和路由都是自動(dòng)的，不用關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w路徑，應(yīng)為它可能是動(dòng)態(tài)改變的，我們只需關(guān)心源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以掛載采集模塊成為終端節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器信息進(jìn)行采集，同時(shí)又是網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建傳遞者。在整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)（紅色六邊形），它的任務(wù)就是負(fù)責(zé)上層控制臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)的連接，協(xié)助上層控制臺(tái)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行一些管理，主控節(jié)點(diǎn)與上層控制臺(tái)之間可以通過以以太網(wǎng)協(xié)議或RS232協(xié)議連接。主控節(jié)點(diǎn)一般設(shè)置在洞口，以有線或者無線的方式與上層控制臺(tái)通信。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備被稱為基站或者綜合傳輸控制臺(tái)，它內(nèi)部的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基站（綜合傳輸控制臺(tái)）

基站（綜合傳輸控制臺(tái)）的設(shè)計(jì)提供了Zigbee、CAN總線和TCP／IP三種協(xié)議的接口，用它作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，不僅可以構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，還能根據(jù)需要構(gòu)建有線網(wǎng)絡(luò)或者無線＋有線的網(wǎng)絡(luò)，使得組網(wǎng)非常的靈活。除了三種網(wǎng)絡(luò)接口外，綜合傳輸控制臺(tái)預(yù)留了一個(gè)串口，并將通用I／O口、IIC和SPI等接口擴(kuò)展出來，可以與多通道數(shù)據(jù)采集卡等其他設(shè)備連接，這些接口的預(yù)留極大地增強(qiáng)了傳輸控制臺(tái)的擴(kuò)展性。控制臺(tái)的主控制器采用ATMEL的AT91SAM7x256，其主頻達(dá)到55MHz，內(nèi)部自帶256K高速FLASH和64K的SRAM，提供了以太網(wǎng)接口、CAN、SPI、UART、USB、IIC、通用IO等豐富的接口控制器，為控制臺(tái)的良好的擴(kuò)展性奠定了基礎(chǔ)。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和傳感器

傳感器測量數(shù)據(jù)的采集有兩種方式，一是配備Zigbee通訊模塊的傳感器可以將測量數(shù)據(jù)直接發(fā)送給基站；二是通過多通道數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器數(shù)據(jù)（如圖4所示），然后經(jīng)由基站傳送到中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這種方式適合小區(qū)域多傳感器的應(yīng)用。在隧道監(jiān)測中，往往每隔一段距離以一個(gè)橫斷面作為基本監(jiān)測單元，每個(gè)橫斷面上分布幾個(gè)至幾十個(gè)傳感器，各傳感器通過線纜連接到多通道數(shù)據(jù)采集卡，采集卡通過扁平電纜線連接到綜合傳輸控制臺(tái)。控制臺(tái)控制采集器定時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)巡檢或主動(dòng)上報(bào)的方式將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠?jì)算機(jī)。

圖4 多通道通用采集卡

實(shí)際使用中可以連接的傳感器種類很多，具體如以下幾類：

a）施工類 應(yīng)力（壓力盒、鋼筋應(yīng)力計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、支柱壓力計(jì)、錨桿軸力）、位移（多點(diǎn)桿式或鋼絲式位移計(jì)、鉆孔位移計(jì)等）；

b）安全類 瓦斯、CO濃度、煙霧濃度、風(fēng)壓、相對(duì)靜壓和粉塵濃度等；

c）環(huán)境類 溫度、濕度、風(fēng)速和照度等。

3.5 人員定位系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)還有一個(gè)特點(diǎn)就是支持地理定位功能。通訊節(jié)點(diǎn)之間可以實(shí)時(shí)測量通訊信號(hào)強(qiáng)弱，信號(hào)的強(qiáng)度與距離成反比。基于這個(gè)原理，給人員或者機(jī)械設(shè)備佩戴基于Zigbee的定位識(shí)別卡，當(dāng)識(shí)別卡的信號(hào)被兩個(gè)以上的基站收到，通過計(jì)算就可以實(shí)現(xiàn)精確的定位。系統(tǒng)可以讀取識(shí)別卡的卡號(hào)信息，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)，將持卡人通過的路段、時(shí)間等資料傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并可查詢識(shí)別卡相對(duì)應(yīng)人員的基本信息，包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種和職務(wù)等。由于ZigBee技術(shù)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力，在定位的同時(shí)，識(shí)別卡和中心計(jì)算機(jī)之間還可以實(shí)現(xiàn)雙向的短信傳輸，在沒有通訊覆蓋的隧道內(nèi)，短信的功能顯得尤為重要。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

a）采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸兩種方式構(gòu)建骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，既解決了工作現(xiàn)場經(jīng)常移動(dòng)帶來的布線不便問題，又能相互補(bǔ)充，解決信號(hào)的穩(wěn)定傳輸問題；

b）幾個(gè)子系統(tǒng)共用一個(gè)骨干傳輸網(wǎng)絡(luò)，最大限度地節(jié)約投資，減少了工程量，避免了各種系統(tǒng)之間的資源沖突；

c）施工周期短，在時(shí)刻變化的復(fù)雜環(huán)境中，不需要做繁瑣的布線工作，系統(tǒng)安裝維護(hù)方便，大大降低了系統(tǒng)的操作難度和后期管理維護(hù)難度；

d）擴(kuò)展能力強(qiáng)，ZigBee擁有65K的網(wǎng)絡(luò)容量，又采用了Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的擴(kuò)展非常容易；

e）可實(shí)現(xiàn)真正意義上的精確定位，定位精度在5m以內(nèi)，大大優(yōu)于RFID的區(qū)域定位，而且可以實(shí)現(xiàn)人員運(yùn)動(dòng)軌跡記錄和回放，實(shí)時(shí)定位跟蹤和測距；

f）具有極高的防沖突性，每個(gè)檢測點(diǎn)可最多同時(shí)識(shí)別500個(gè)施工人員的信息；

g）具有快速的識(shí)別速度，最快可達(dá)到50km／h，滿足對(duì)進(jìn)出隧道車輛的監(jiān)控需求；

h）具有雙向通信報(bào)警功能，施工人員可以通過識(shí)別卡向監(jiān)控中心發(fā)送短信和報(bào)警信息，監(jiān)控中心也可以向識(shí)別卡發(fā)送短信，下達(dá)通知和指令。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用Zigbee無線通訊技術(shù)組網(wǎng)，投資成本低，系統(tǒng)可靠性高，組網(wǎng)的靈活性和擴(kuò)展性好，網(wǎng)絡(luò)易維護(hù)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)洞內(nèi)人員的精確定位和考勤管理，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測隧道內(nèi)各種有關(guān)施工安全和人員安全的參數(shù)，對(duì)于確保安全施工和實(shí)現(xiàn)精確化管理意義重大，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前該系統(tǒng)已在陜西包夾山隧道、北京八達(dá)嶺改路項(xiàng)目之青龍橋隧道、北京地鐵大興線和北京地鐵九號(hào)線1標(biāo)區(qū)間等幾十個(gè)隧道工程項(xiàng)目中成功應(yīng)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].