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

隨著社會經(jīng)濟的發(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，我國的隧道建設更是突飛猛進，日新月異。伴隨而來的是隧道項目所跨越地區(qū)的地質(zhì)條件越來越復雜，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險，安全管理的壓力愈來愈大，甚至成為管理者不能承受之重，迫切需要利用先進的科技成果，以更加科學的方式對隧洞施工中有關(guān)人員安全、設備安全、環(huán)境安全、建設進程等各種要素進行實時的、全面的監(jiān)測，以實現(xiàn)及時的安全預警和高效的指揮調(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，一些解決方案被應用于實際工程中，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)測預警系統(tǒng)和語音通訊報警系統(tǒng)等。這些解決方案的應用，確實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）各個系統(tǒng)都是彼此獨立的、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警，對于管理者的決策幫助還遠遠不夠，再加上各子系統(tǒng)由不同的廠商提供，有不同的使用模式，使用者必須學習不同系統(tǒng)的不同操作方法和維護方法，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)中的硬件平臺和軟件平臺以及通訊系統(tǒng)不能共享，需方只能重復購買，造成了投資的浪費；

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)應用在這個領域，其先天的缺陷難以克服，主要表現(xiàn)在定位精度低、需要布設大量的基站、基站之間必須采取有線通訊的方式、安裝移動不便，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）當前施工環(huán)境安全信息監(jiān)測系統(tǒng)、地質(zhì)監(jiān)測預警系統(tǒng)等主要還是采用有線通訊的方式，造價高，安裝、移動、擴展都極為不便。

根據(jù)多年從事隧道安全施工監(jiān)控工作的實際經(jīng)驗和對廣大客戶需求的深入了解，筆者認為一個合理、實用的隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)應當具備以下特點：

a）監(jiān)測和通訊終端必須便于安裝和移動 隧道安全施工監(jiān)測是一個動態(tài)的過程，隨著工程的推進，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這樣的要求；

b）擴展性好 隨著工程的進展，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)具有良好的擴展性和比較大的網(wǎng)絡節(jié)點容量；

c）定位精確 人員定位系統(tǒng)是災害預防、事故救助的有力保障，事關(guān)每個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)管部門的強制要求；

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

f）統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，兼容性好 隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)共用一個基礎網(wǎng)絡和管理平臺，用戶只需要面對一個接口。

2 Zigbee技術(shù)特點

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

ZigBee是個仿生學名詞，來源于蜂群中蜜蜂相互通訊時的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免費的工業(yè)、科學、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)，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。其主要特點可以概括為“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)點間的距離，如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離可以更遠；

b）低功耗 在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長；

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

d）高容量 ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由1個主節(jié)點（設備）管理若干子節(jié)點（設備），最多1個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)；

e）高可靠性 ZigBee技術(shù)中，由于采用網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh網(wǎng)絡）拓撲結(jié)構(gòu)，自動路由，動態(tài)組網(wǎng)，直序擴頻（DSSS）的方式，因而抗干擾性強，能夠很好地適應工業(yè)自動化控制現(xiàn)場的復雜狀況。

對照ZigBee技術(shù)的特點和隧道安全施工監(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)控數(shù)據(jù)通信問題的理想途徑。

3 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)主要由五部分組成：項目部監(jiān)控中心系統(tǒng)，上級管理中心系統(tǒng)，隧道內(nèi)無線網(wǎng)絡系統(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 項目部監(jiān)控中心系統(tǒng)

該系統(tǒng)配置于隧洞口附近的項目管理部，包括計算機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)軟件、遠程網(wǎng)絡訪問系統(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)、事故報警以及人員定位信息都通過無線網(wǎng)絡匯聚到項目部監(jiān)控中心的計算機系統(tǒng)，中心計算機系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計和分析，供管理人員查看和決策?？刂浦噶羁梢杂芍行挠嬎銠C系統(tǒng)發(fā)送到相應的設備和人員。

3.2 上級管理中心系統(tǒng)

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

3.3 無線網(wǎng)絡系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，不僅擔負著數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿眨瑫r傳感數(shù)據(jù)采集和人員定位功能也在這個系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)。

隧道內(nèi)的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)構(gòu)建。Zigbee技術(shù)最重要的特點之一就是支持Mesh網(wǎng)絡。無線Mesh網(wǎng)絡（無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡）也稱為“多跳（multihop）”網(wǎng)絡，它是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡完全不同的新型無線網(wǎng)絡技術(shù)。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng)（WLAN）中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡，而在無線Mesh網(wǎng)絡中，任何無線設備節(jié)點都可以同時作為AP和路由器，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號，每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進行直接通信。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中自動尋找效率最高的傳輸路徑，直至到達目的地，沒有固定的路由。添加或移動設備時，網(wǎng)絡能夠自動發(fā)現(xiàn)拓撲變化，并自動調(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)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Zigbee協(xié)議構(gòu)建的無線網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

在這種無線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的構(gòu)建和路由都是自動的，不用關(guān)心數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w路徑，應為它可能是動態(tài)改變的，我們只需關(guān)心源節(jié)點和目標節(jié)點。每個節(jié)點都可以掛載采集模塊成為終端節(jié)點對傳感器信息進行采集，同時又是網(wǎng)絡的構(gòu)建傳遞者。在整個無線網(wǎng)絡中會有一個主控節(jié)點（紅色六邊形），它的任務就是負責上層控制臺與網(wǎng)絡的連接，協(xié)助上層控制臺對無線網(wǎng)絡進行一些管理，主控節(jié)點與上層控制臺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)點一般設置在洞口，以有線或者無線的方式與上層控制臺通信。

網(wǎng)絡節(jié)點的設備被稱為基站或者綜合傳輸控制臺，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）

基站（綜合傳輸控制臺）的設計提供了Zigbee、CAN總線和TCP／IP三種協(xié)議的接口，用它作為網(wǎng)絡節(jié)點，不僅可以構(gòu)建無線網(wǎng)絡，還能根據(jù)需要構(gòu)建有線網(wǎng)絡或者無線＋有線的網(wǎng)絡，使得組網(wǎng)非常的靈活。除了三種網(wǎng)絡接口外，綜合傳輸控制臺預留了一個串口，并將通用I／O口、IIC和SPI等接口擴展出來，可以與多通道數(shù)據(jù)采集卡等其他設備連接，這些接口的預留極大地增強了傳輸控制臺的擴展性。控制臺的主控制器采用ATMEL的AT91SAM7x256，其主頻達到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，為控制臺的良好的擴展性奠定了基礎。

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算機系統(tǒng)，這種方式適合小區(qū)域多傳感器的應用。在隧道監(jiān)測中，往往每隔一段距離以一個橫斷面作為基本監(jiān)測單元，每個橫斷面上分布幾個至幾十個傳感器，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。控制臺控制采集器定時采集傳感器數(shù)據(jù)，通過計算機巡檢或主動上報的方式將傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行挠嬎銠C。

圖4 多通道通用采集卡

實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 應力（壓力盒、鋼筋應力計、孔隙水壓力計、支柱壓力計、錨桿軸力）、位移（多點桿式或鋼絲式位移計、鉆孔位移計等）；

b）安全類 瓦斯、CO濃度、煙霧濃度、風壓、相對靜壓和粉塵濃度等；

c）環(huán)境類 溫度、濕度、風速和照度等。

3.5 人員定位系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)還有一個特點就是支持地理定位功能。通訊節(jié)點之間可以實時測量通訊信號強弱，信號的強度與距離成反比?；谶@個原理，給人員或者機械設備佩戴基于Zigbee的定位識別卡，當識別卡的信號被兩個以上的基站收到，通過計算就可以實現(xiàn)精確的定位。系統(tǒng)可以讀取識別卡的卡號信息，通過傳輸網(wǎng)絡，將持卡人通過的路段、時間等資料傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)管理，并可查詢識別卡相對應人員的基本信息，包括姓名、年齡、性別、所屬班組、所屬工種和職務等。由于ZigBee技術(shù)強大的數(shù)據(jù)傳輸能力，在定位的同時，識別卡和中心計算機之間還可以實現(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

隧道安全施工監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點：

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

b）幾個子系統(tǒng)共用一個骨干傳輸網(wǎng)絡，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，在時刻變化的復雜環(huán)境中，不需要做繁瑣的布線工作，系統(tǒng)安裝維護方便，大大降低了系統(tǒng)的操作難度和后期管理維護難度；

d）擴展能力強，ZigBee擁有65K的網(wǎng)絡容量，又采用了Mesh網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的擴展非常容易；

e）可實現(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，而且可以實現(xiàn)人員運動軌跡記錄和回放，實時定位跟蹤和測距；

f）具有極高的防沖突性，每個檢測點可最多同時識別500個施工人員的信息；

g）具有快速的識別速度，最快可達到50km／h，滿足對進出隧道車輛的監(jiān)控需求；

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

5 結(jié)語

本文設計和實現(xiàn)了一個基于物聯(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)的靈活性和擴展性好，網(wǎng)絡易維護，既可以實現(xiàn)對洞內(nèi)人員的精確定位和考勤管理，也可以實時監(jiān)測隧道內(nèi)各種有關(guān)施工安全和人員安全的參數(shù)，對于確保安全施工和實現(xiàn)精確化管理意義重大，具有良好的社會經(jīng)濟效益。目前該系統(tǒng)已在陜西包夾山隧道、北京八達嶺改路項目之青龍橋隧道、北京地鐵大興線和北京地鐵九號線1標區(qū)間等幾十個隧道工程項目中成功應用。

[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].