劉亞立 陳艷紅 高彥麗

(河北地質(zhì)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(chuàng)新引領(lǐng)”的第二十屆中國科協(xié)年會，國內(nèi)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(guān)鍵技術(shù)與面臨的挑戰(zhàn)。2018年6月，中國訪談就隧道工程相關(guān)問題訪問了領(lǐng)域內(nèi)專家，專家表示：我國隧道技術(shù)的總體水平已經(jīng)走在世界前列，同時，專家也談到隧道工程未來的發(fā)展，其中之一就是隧道防災(zāi)。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(zhì)地形變化萬千，難以掌控，稍有不慎，施工人員的生命及財產(chǎn)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(chǎn)損失。因此，在隧道建設(shè)期，需要采取一些高效率、高精度的監(jiān)測與管理方法，獲取相關(guān)的實時資料信息，預(yù)防事故的發(fā)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(shù)與GIS技術(shù)融合，以GIS為基礎(chǔ)，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(shù)的隧道安全施工監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，論述相關(guān)的技術(shù)方法與功能實現(xiàn)，通過此系統(tǒng)的建設(shè)旨在實時監(jiān)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(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維GIS

地理信息系統(tǒng)(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(guān)技術(shù)對地學空間數(shù)據(jù)進行處理，結(jié)合計算機圖形學及其他算法對現(xiàn)實世界進行模擬，實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示，以便解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題[4]。GIS不僅可以實現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的快速采集與更新，而且還可以對空間數(shù)據(jù)進行可視化分析及三維仿真模擬。

本設(shè)計將GIS作為數(shù)據(jù)統(tǒng)一展示和分析平臺。首先統(tǒng)一展示地質(zhì)數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、通風井位置、作業(yè)面位置、視頻監(jiān)控點位、DEM數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)，同時關(guān)聯(lián)顯示相關(guān)的設(shè)計文檔、安全作業(yè)規(guī)程、施工進度計劃等，另一方面借助強大的數(shù)據(jù)分析模型實現(xiàn)匯水面分析、多剖面分析、粉塵擴散分析、地質(zhì)災(zāi)害風險評估等。

2.2 高清視頻監(jiān)控

高清監(jiān)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(xiàn)對高清數(shù)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(jiān)控首先必須基于視頻壓縮處理并通過IP網(wǎng)絡(luò)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(jiān)控具有真正的實用意義。

本設(shè)計中全面采用高清視頻監(jiān)控實現(xiàn)隧道內(nèi)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(tǒng)中也能夠看到高清視頻，從而實現(xiàn)多系統(tǒng)的融合。

2.3 RFID識別

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

采用此種技術(shù)可以減少人工點名造成的不準確和無法考據(jù)問題。因為無需接觸讀取設(shè)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(shè)計，只要戴安全帽就等同于攜帶了安全卡片。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能

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

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

本設(shè)計以GIS為平臺，結(jié)合RFID技術(shù)，以實現(xiàn)隧道施工的科學、有效、信息化管理為目的。本監(jiān)測管理平臺按照各層的特性分為硬件設(shè)備層、軟件平臺層、服務(wù)應(yīng)用層，各層的關(guān)系及包含的內(nèi)容如圖1所示。

1)硬件設(shè)備層。硬件是系統(tǒng)正常運行的外部基礎(chǔ)，硬件的選擇會影響整個系統(tǒng)處理效率、數(shù)據(jù)采集精度、數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性，也關(guān)系到系統(tǒng)運行的可持續(xù)性。為了保證整個系統(tǒng)正常運行，選用的硬件設(shè)備有：視頻顯示屏，計算機，服務(wù)器，高清球機，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，RFID閱讀器等。在隧道關(guān)鍵位置布設(shè)多個高清球機，可對施工現(xiàn)場進行實時監(jiān)控；RFID結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以讓系統(tǒng)快速獲取人員與設(shè)備信息，以達到安全管理的目的；通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備把前端信號和數(shù)據(jù)實時集中到服務(wù)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(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與管理，數(shù)據(jù)的顯示與編輯，實時影像的展示，通過平臺層，數(shù)據(jù)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(zhì)圖、施工平面圖等。

3)服務(wù)應(yīng)用層。服務(wù)應(yīng)用層是系統(tǒng)各模塊的集成，主要包括：三維模擬系統(tǒng)、人員監(jiān)控平臺、設(shè)備監(jiān)控平臺、施工現(xiàn)場展示、監(jiān)測預(yù)警等服務(wù)。

服務(wù)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(jù)需要進入不同的服務(wù)模塊，通過數(shù)據(jù)分析做出最終決策。

3.3 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示。

1)三維模擬平臺。三維模擬平臺設(shè)計的目標是構(gòu)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(fā)生事故，可以模擬事故的救援預(yù)案。

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

3)施工現(xiàn)場展示平臺?，F(xiàn)場采用逐級匯聚的方式實現(xiàn)高清視頻的傳輸，通過視頻綜合平臺實現(xiàn)視頻編碼、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于存儲地質(zhì)、水文、CAD圖紙、DEM模型等數(shù)據(jù)。利用高清視頻采集與傳輸技術(shù)，控制中心可以通過電子監(jiān)控觀察施工現(xiàn)場的各個角落。

4)監(jiān)測預(yù)警平臺。所有監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行?，?jīng)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(yīng)力、內(nèi)力與時間關(guān)系曲線，并按預(yù)警值進行預(yù)警和預(yù)報[8]。

4 結(jié)語

本研究將三維GIS、高清視頻監(jiān)控及射頻識別(RFID)技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于隧道安全施工監(jiān)測系統(tǒng)。其中，三維GIS主要用于環(huán)境模擬、數(shù)據(jù)演示與分析，視頻監(jiān)控主要用于實時監(jiān)測隧道內(nèi)情況，射頻識別主要用于人員記錄與追蹤，三者結(jié)合，既可以實現(xiàn)隧道的信息化施工，也可以保障隧道的安全管理與運營?！鞍踩a(chǎn)”一直是工程建設(shè)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(jiān)測系統(tǒng)的推廣會大大提高工程建設(shè)單位的生產(chǎn)效率與管理水平。目前此系統(tǒng)正處于完善期，還需要不斷優(yōu)化算法，完善功能，隨著系統(tǒng)的不斷提升與完善，相信它會給工程建設(shè)帶來一定的便捷。