無線傳感網絡在施工隧道監測系統中的應用

摘 要：提出了一種基于無線傳感器網絡的隧道施工監控系統設計方案，確定關鍵因素判定指標，從節點的硬件和軟件模塊功能、模塊接口以及決策實現等幾方面進行討論，實現施工隧道安全監測，并以火災、突水、有害氣體以及塌方等方面進行模擬測試。

關鍵詞：無線傳感器網絡；隧道施工；節點；監控系統

引言

目前我國正在大力發展城市地鐵建設，全國共有幾十座城市同時在修建地鐵，預計到2020年我國地鐵總里程將達到6100公里[1]。伴隨地鐵建設快速發展，施工安全事故也頻頻發生，尤其是重大事故的不斷發生，給地鐵隧道的安全生產工作敲響了警鐘[2]。地鐵建設工程作為一類復雜的地下隱蔽工程，其施工中的不確定因素有很多，先進的監測裝置是確保地鐵隧道施工順利進行的重要保障。

現階段，在對隧道工程施工的監控工作中，通常都是采用有線的傳輸控制，施工現場的環境十分復雜，并且還伴有大量的機械設備，因此這對數據采集設備的要求也是很高的，同時設備的布置工作也是比較困難的一環。而隨著我國無線傳感器網絡的快速發展，在隧道監控中應用無線通信技術就成為了可能[3]。

無線傳感器網絡是由三部分組成的，分別為觀測者、傳感器節點以及感知對象，功耗很低的許多微小網絡節點構成了無線通信網絡，通過實時感知、監測和采集網絡分布區域內的各種微觀隧道信息，同時還要對所收集的信息進行處理，以提高信息的準確性[4]。本文便是針對當前隧道監測中面臨的成本高、實時性差以及網絡等諸多問題，提出了一種在無線傳感器網絡基礎上的安全監控系統，這個系統能夠實時的收集各種數據，并及時的監控隧道工程施工中有害氣體是否超標以及突水和塌方等事故，如果發現危險，能夠及時提示報警，并且向外界輸出隧道當前的危險狀態，對安全生產具有重要指導意義。

1 主要事故指標評判標準

1.1 隧道火災判斷方法。火災的判斷方法為判斷為分析傳感器所收集到的實時數據，如果發現風速數據異常，那么就應立即則檢測故障點的風機狀態，若風機異常，那么就不是風機的故障；若風機的工作狀態是正常的，一氧化碳、溫度以及煙霧等數據時異常，應采用安全評估服務，考慮各參數見的關聯性，評估報警等級。

1.2 有害氣體超標判斷方法。其判斷方法是需要兩級數據決策，當風速數據異常時，特別是二氧化碳、甲烷或是粉塵濃度上升趨勢較大時，應監測單元的風機狀態，排除風機故障；當監測到的數據在15分鐘仍未下降時，應采用安全評估服務，不考慮各氣體之間的數據關聯性，而是計算各氣體報警的概率。

1.3 隧道突水判斷方法。當排水溝水位多于警戒水位線的90%時，并且仍有上升趨勢時，應立即計算突水報警概率。如果完全超過警戒水位，則立即報警。

1.4 隧道塌方判斷方法。巖層移動報警是要評估兩個參數的，分別為地表沉降和地表運動加速度，采用安全評估服務，考慮兩個參數的數據相關性，其報警的概率隨著在這兩個參數的增大而增大的。

2 施工隧道監控總體設計

2.1 監控系統體系結構。此系統的結構是集移動人員定位、傳感器數據采集、數據分析、數據處理、災情處理設備、3G遠程聯動設備等多功能為一體的系統，實時的檢測隧道內部的各種災害，將數據上報到監控中心，之后再對這些數據分析處理，根據不同的險情等級，調用各個災情處理設備并啟動3G遠程聯動機制，盡可能的降低損失，其硬件結構如圖1所示。

2.2 軟件模塊及接口關系。采用模塊化設計的軟件，分為八大模塊，它們是：數據采集及管理，決策分析，應急處理，數據管理、查詢及打印，參數設置，系統調試，主界面管理，系統服務。它們通過接口相互連接，數據采集及管理模塊能將采收集到的數據存儲到數據庫中，并且獲取監聽端口號以及網關連接等參數；決策分析模塊可以從數據庫中提取特定時間范圍內的數據并對其分析，根據分析的結果可以調用應急處理模塊；主界面管理模塊可以顯示獲取的數據，并且還能獲取地圖元素的顏色和位置等信息。各模塊間接口關系如圖2。

2.3 隧道決策分析設計。在收集完數據后，系統會將數據存儲到數據庫中，之后會對數據進行融合的操作，從而得到隧道的即時狀態。隧道一個標段通常都是很長的，如果分析整個隧道的傳感器數據，那么就很難知道到底哪個位置出現了險情。所以，建議采用基于監控單元的決策分析方式，將每一個標段分成若干個小的監控單元，各個單元內分別收集傳感器數據，同時存儲到數據庫中，之后再對各單元的狀態進行分析，本系統對隧道內的火災、突水、危險氣體超標以及塌方四種險情進行檢測，分別輸出了其所處的等級，當危險等級超標時就會有相應的應急處理措施。

3 方法的實現

首先提取隧道單元數據，通過調整傳感器權重確保相關傳感器數據正常獲取，根據傳感器數值警戒值計算傳感器數值所在等級M，計算前80%時間內傳感器數值所在等級乘以各自權重后的均值，計算后20%時間內傳感器數字所在等級乘以相應權重后的均值，根據上式計算出隧道危險等級進行相應的評級及預警。

4 模擬測試分析

4.1 測試方案。測試方案采用定時調用的方法，即先設定定時器，利用其循環性對各單元進行檢測，每個單元的檢測分成火災、突水、有害氣體超標、塌方，因為提出數據的時間對各單元的檢測時間是有直接影響的，所以建議定時器設為3秒循環一次，而提出數據的時間范圍對分析的準確性和響應速度也是有直接影響的，所以，應提出不同長度時間內的數據進行分析，從而保證結果的準確度和實時性。模擬災害時，在實驗室環境下是不能模擬塌方的，所以應采用測試的方法，不斷給壓力傳感器增壓，并且改變其位移值，從而模擬塌方災害的特點；而火災則只能采用燃燒廢紙的方法，傳感器在廢紙周圍進行檢測；測試有害氣體超標時，所有的超標氣體都是采用同一種方法的，所以只需依據二氧化碳的濃度來檢測有害氣體的超標情況。

4.2 測試結果與分析。在分別對2分鐘以及4分鐘時間內的數據進行模擬分析時，通過上述的公式可知，與靠近當前時間80%時間內的數據權重占80%，所以其災害的時間分別為是24～30s和48～60s，具體的測試結果見表1、表2：

從以上決策分析測試結果可以看出，決策分析算法能夠判斷出隧道災害，并且準確率極高，而它的實時性是要受到歷史數據所選取的時間所影響的，并且檢測需要的時間是與時間長短成正比的，其有很高的準確性，所以在實際工作中，用戶可以根據不同的需求，對所提取的歷史數據的時間范圍可以進行相應的設置。

5 結束語

提出了一種基于無線傳感器網絡的隧道施工監控系統，簡化了隧道施工監控系統的布線，提高了隧道施工安全預警能力。通過對火災、突水、有害氣體以及塌方等四方面因素進行模擬測試，分析傳感器數據，得到隧道安全等級。結果表明，系統能很好的監控隧道施工現場的環境，同時還能制定具有針對性的應急處理方案，消除或者降低隧道災害。該系統隧道安全施工具有重要指導意義。

參考文獻

[1]王日晨.國務院批復22城市地鐵規劃總投資超8800億元.機械工程師.2009，8（9）：21-32.

[2]景興鵬，于偉峰，黑磊.等.無線傳感器網絡存煤礦安全智能監控系統中的心用[J].煤炭技術，2009，28（4）：93-97.

[3]徐春紅，吉林，沈慶宏，等.基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監測系統[J].電子測量技術，2008，31（11）：95-98.

[4]孫旭光，張禾英，龐閩莉.等.基于無線傳感器網絡的公共設施監測系統設計[J].計算機工程與設計，2009，30（23）：5544-5547.