基于RFID/GIS技術的隧道安全施工監測系統設計★

劉亞立 陳艷紅 高彥麗

(河北地質大學,河北 石家莊 050000)

1 概述

2018年5月26日～27日，在浙江杭州召開了主題為“改革開放創新引領”的第二十屆中國科協年會，國內外知名隧道及地下工程專家作了專題報告，重點研討了特長隧道、深埋山嶺隧道施工關鍵技術與面臨的挑戰。2018年6月，中國訪談就隧道工程相關問題訪問了領域內專家，專家表示：我國隧道技術的總體水平已經走在世界前列，同時，專家也談到隧道工程未來的發展，其中之一就是隧道防災。隧道工程可穿山可入海，長度從幾千米到幾十千米不等，地質地形變化萬千，難以掌控，稍有不慎，施工人員的生命及財產就會受到極大的威脅。例如：2011年成渝鐵路大安隧道燃燒事故；2012年湖南炎汝高速公路在建八面山隧道爆炸事故；2014年，安徽省池洲市東至縣龍頭嶺隧道坍塌事故；2015年重慶黔江縣舟白隧道坍塌事故；2016年廣西河百高速平坎隧道透水事故[1]；2017年貴州省成貴鐵路七扇巖隧道爆炸事故；2018年佛山地鐵施工隧道坍塌事故，等等，這些事故都造成了一定的人員傷亡及財產損失。因此，在隧道建設期，需要采取一些高效率、高精度的監測與管理方法，獲取相關的實時資料信息，預防事故的發生[2]或使事故救援更高效。

2016年，文獻[3]中提到，如果將BIM(建筑信息模型)技術與GIS技術融合，以GIS為基礎，對BIM模型進行分析，將會大大簡化建模與分析[3]。故，本文提出一種基于RFID，GIS技術的隧道安全施工監測系統設計方案，論述相關的技術方法與功能實現，通過此系統的建設旨在實時監測隧道施工情況，提高隧道安全信息化施工與可靠運行。

2 系統的關鍵技術

2.1 三維GIS

地理信息系統(Geographical Information System，簡稱GIS)是一門融合信息科學、空間科學及地球科學的交叉學科，它利用計算機相關技術對地學空間數據進行處理，結合計算機圖形學及其他算法對現實世界進行模擬，實現空間數據的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復雜的規劃和管理問題[4]。GIS不僅可以實現對空間數據的快速采集與更新，而且還可以對空間數據進行可視化分析及三維仿真模擬。

本設計將GIS作為數據統一展示和分析平臺。首先統一展示地質數據、水文數據、氣象數據、通風井位置、作業面位置、視頻監控點位、DEM數據、數字正射影像數據，同時關聯顯示相關的設計文檔、安全作業規程、施工進度計劃等，另一方面借助強大的數據分析模型實現匯水面分析、多剖面分析、粉塵擴散分析、地質災害風險評估等。

2.2 高清視頻監控

高清監控攝像機在完成高清視頻采集之后，接下來需要進行的是高清編碼和高清碼流的傳輸，實現對高清數字信號進行交換控制，以及高清碼流的存取和高清顯示[5]。

高清監控首先必須基于視頻壓縮處理并通過IP網絡進行傳輸，只有這樣才能有效控制高清視頻的傳輸成本[6]，從而讓高清監控具有真正的實用意義。

本設計中全面采用高清視頻監控實現隧道內安全管理，包括視頻實時查看、歷史視頻查看、歷史視頻下載、視頻輪巡、多屏播放等功能，并嘗試脫離單一的視頻平臺，在GIS系統中也能夠看到高清視頻，從而實現多系統的融合。

2.3 RFID識別

射頻識別,即RFID(Radio Frequency IDentification)技術，又稱無線射頻識別，是一種無線自動識別技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸[7]。

采用此種技術可以減少人工點名造成的不準確和無法考據問題。因為無需接觸讀取設備，所以不影響正常工作，大大提高適用性。為減少施工人員負擔，采用與安全帽一體化的小型卡片設計，只要戴安全帽就等同于攜帶了安全卡片。

3 系統設計

3.1 系統功能

基于系統實用性、可擴展性、可維護性、高效率與效益等原則設計隧道安全施工監測可視化系統，此系統可以在施工前期以三維可視化形式模擬施工環境，對施工做可行性分析。施工中可以實時監控施工環境，詳細查看并記錄施工情況，降低施工過程中的事故發生率；可以實時監測并記錄人員位置及行動軌跡，通過網絡將數據傳送到監控中心，從而實現施工內外的有效連接，一旦發生事故，可以準確開展救援；可以根據施工過程中的監測數據做實時分析預防工程事故的發生。此系統的運行，可使隧道工程從設計到施工整個過程都以信息化模型展示，可使隧道建設過程更加合理化、安全化、高效化。

3.2 系統架構

本設計以GIS為平臺，結合RFID技術，以實現隧道施工的科學、有效、信息化管理為目的。本監測管理平臺按照各層的特性分為硬件設備層、軟件平臺層、服務應用層，各層的關系及包含的內容如圖1所示。

1)硬件設備層。硬件是系統正常運行的外部基礎，硬件的選擇會影響整個系統處理效率、數據采集精度、數據采集穩定性，也關系到系統運行的可持續性。為了保證整個系統正常運行，選用的硬件設備有：視頻顯示屏，計算機，服務器，高清球機，網絡設備，RFID閱讀器等。在隧道關鍵位置布設多個高清球機，可對施工現場進行實時監控；RFID結合物聯網技術，可以讓系統快速獲取人員與設備信息，以達到安全管理的目的；通過網絡設備把前端信號和數據實時集中到服務器進行處理，再通過客戶端顯示給管理人員。

2)軟件平臺層。軟件平臺層是一個軟件集成平臺，主要目的是實現數據的存儲與管理，數據的顯示與編輯，實時影像的展示，通過平臺層，數據多種形式展示給用戶。主要包括人員基本信息、施工進度信息、隧道三維立體圖、隧道地質圖、施工平面圖等。

3)服務應用層。服務應用層是系統各模塊的集成，主要包括：三維模擬系統、人員監控平臺、設備監控平臺、施工現場展示、監測預警等服務。

服務層面對的是最終用戶，這里有良好的人機交互界面，用戶可以根據需要進入不同的服務模塊，通過數據分析做出最終決策。

3.3 系統模塊

系統的功能模塊如圖2所示。

1)三維模擬平臺。三維模擬平臺設計的目標是構建一個實時的可視化的三維仿真隧道。工作人員可以漫游于隧道中，可以快速查詢與定位隧道的某一位置，可以在隧道模型中演示工作流程，如果發生事故，可以模擬事故的救援預案。

2)人員監控平臺。施工人員的安全帽上裝有RFID，人員每到一處都要經RFID閱讀器識別其信息，每一次的識別信息都要通過網絡回傳給控制中心的主系統，并逐次記錄，控制室以三維隧道模型為基礎，將人員的實時位置顯示于隧道模型中，從而實現對隧道內人員的行為軌跡跟蹤顯示。

3)施工現場展示平臺。現場采用逐級匯聚的方式實現高清視頻的傳輸，通過視頻綜合平臺實現視頻編碼、存儲、轉發服務，數據庫服務器用于存儲地質、水文、CAD圖紙、DEM模型等數據。利用高清視頻采集與傳輸技術，控制中心可以通過電子監控觀察施工現場的各個角落。

4)監測預警平臺。所有監測項目的監測數據通過網絡傳輸到控制中心，經過GIS軟件做分析處理，生成觀測值變化速率、時間、變化量曲線圖，變形和應力、內力與時間關系曲線，并按預警值進行預警和預報[8]。

4 結語

本研究將三維GIS、高清視頻監控及射頻識別(RFID)技術相結合，應用于隧道安全施工監測系統。其中，三維GIS主要用于環境模擬、數據演示與分析，視頻監控主要用于實時監測隧道內情況，射頻識別主要用于人員記錄與追蹤，三者結合，既可以實現隧道的信息化施工，也可以保障隧道的安全管理與運營。“安全生產”一直是工程建設單位堅持的一項基本原則，是一個永恒的話題，相信隧道安全施工監測系統的推廣會大大提高工程建設單位的生產效率與管理水平。目前此系統正處于完善期，還需要不斷優化算法，完善功能，隨著系統的不斷提升與完善，相信它會給工程建設帶來一定的便捷。