羅李

（中國鐵建電氣化局集團第五工程有限公司 四川省成都市 610031）

1 研究背景

地鐵施工主要集中在地下隧道，大量的重型設(shè)備和各種物資都需要使用吊車才能運輸?shù)降叵滤淼?，地鐵吊車施工現(xiàn)場示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在地鐵站點留有幾十平米的下料口，吊車通過該下料口將大量的物資從地面運輸?shù)降氐姿淼郎?。由于下料口兩邊都是隧道，里面隨時都有人員及施工車輛進出，人員和車輛無法看到下料口上方的吊運物資的情況，吊車往下運輸物資，極易與隧道內(nèi)的進出人員和車輛相撞，發(fā)生安全事故?，F(xiàn)有的吊車施工安全監(jiān)測都是依靠人工，這種方式一是需要相互協(xié)調(diào)各個工種的施工任務(wù)順序，二是消耗較多的人工，三是無法對吊車施工現(xiàn)場進行全方位的監(jiān)測和安全提醒指示。由上可知，現(xiàn)有的依靠人工監(jiān)測的吊車施工監(jiān)測方式極易發(fā)生安全事故。

基于此，本文研發(fā)了一種基于微波雷達的地鐵吊車施工安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將對下料口內(nèi)的移動物體進行實時監(jiān)測，并采用聲光電的方式對隧道內(nèi)的施工人員進行安全警示，防止事故發(fā)生。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 功能設(shè)計

本系統(tǒng)從地鐵下料口的實際環(huán)境出發(fā)，功能設(shè)計框圖如圖2所示。

本系統(tǒng)采用多組微波雷達全面覆蓋下料口，雷達數(shù)據(jù)通過zigbee 無線系統(tǒng)傳輸?shù)嚼走_信號處理機中，然后對多組雷達信號進行信號處理和融合得到告警信息，最后將告警信息傳輸?shù)桨踩鞠到y(tǒng)中，警示系統(tǒng)分別通過聲光電等方式對隧道內(nèi)的人員進行警示。具體功能如下：

（1）微波雷達探測功能。系統(tǒng)利用多普勒雷達探測技術(shù)，通過檢測物體反射的微波來識別物體的移動情況，同時識別目標(biāo)并不局限于人體，還有很多非生命類物體。這種探測方式具有無接觸、抗干擾、功率小、速度快等優(yōu)點。

（2）基于自組織網(wǎng)絡(luò)的無線通信功能。系統(tǒng)所處的下料口環(huán)境特殊，一方面不易布線，另一方面現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)地下信號強度有限。故基于zigbee 的自組織無線網(wǎng)絡(luò)進行整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，既可以獨立運行，又避免了拉線布線的麻煩。

（3）系統(tǒng)自檢功能。系統(tǒng)包括傳感器的自檢和信號通道自檢，在傳感器和信道均正常的情況下，系統(tǒng)每隔15s 發(fā)一個脈沖，一旦在大于15s(20s)時間仍接不到脈沖時系統(tǒng)就立即報警，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1：地鐵吊車施工現(xiàn)場

（4）安全警示功能。采用三種警示方式：報警燈警示、語音提醒和LED 顯示屏警示，使系統(tǒng)人機界面更趨友好。報警燈能夠?qū)h處的使用者通過這三種方式即可知道當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)和具體檢測信息。

（5）便攜式功能。內(nèi)置充電電池，直接展開即可部署。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

整個項目采用多組微波雷達全面覆蓋下料口，雷達數(shù)據(jù)通過Zigbee 無線系統(tǒng)傳輸?shù)嚼走_信號處理機中，處理就對多組雷達信號進行信號處理和融合得到告警信息，然后再通過告警信息傳輸?shù)桨踩鞠到y(tǒng)中，警示系統(tǒng)分別通過聲光電等方式對隧道內(nèi)的人員進行警示。

根據(jù)系統(tǒng)功能框圖可以將本系統(tǒng)分為四個子系統(tǒng)進行實現(xiàn)，分別為微波雷達探測子系統(tǒng)、Zigbee 無線通信子系統(tǒng)、雷達信號處理終端子系統(tǒng)以及安全報警子系統(tǒng)，如圖3所示。

下面將對每個子系統(tǒng)的實現(xiàn)原理進行說明：

（1）微波雷達探測子系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用多個微波雷達傳感器，全面、無死角地覆蓋下料口，采用的微波雷達探測范圍為360°+180°的半球形范圍，探測距離2-10m 可調(diào)，探測方向通過下方的萬向節(jié)可調(diào)。多個雷達分別放在下料口兩側(cè)，根據(jù)下料口深度，適當(dāng)調(diào)節(jié)雷達探測距離、相互間的距離探測方向，可以保證對下料口上方空間的覆蓋。同時雷達下方帶有可升降固定支架，不僅便于移動、固定，而且可以防止下方施工人員的干擾。技術(shù)層面上看，假設(shè)雷達發(fā)射信號為：

其中f 為發(fā)射頻率，φ 為初相，A 為振幅。在雷達發(fā)射處接收到目標(biāo)反射的回波信號為：

圖2：微波雷達系統(tǒng)功能框圖

若目標(biāo)固定不動，則回波與發(fā)射信號之間有固定相位差。若目標(biāo)與雷達有相對運動時，則回波與發(fā)射信號之間相位差為反映到頻率上即是微波雷達就是利用運動目標(biāo)反射的電磁波頻率fθ與雷達發(fā)射電磁波頻率f 的差異，來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并確定是否有物體移動。頻率之差f-fθ稱為多普勒頻率，它與運動物體相對于雷達設(shè)備的運動速度成比例。其數(shù)量關(guān)系，由下式?jīng)Q定：

其中fd為多普勒頻率，即接收與發(fā)射信號頻率之差；v 為物體運動速度；為雷達至目標(biāo)的連線與目標(biāo)運動方向之夾角。

（2）Zigbee 無線通信子系統(tǒng)。由于地鐵下料口不易布線，并且微波雷達所測信息需要實時傳輸出來進行處理，因此采用無線傳輸技術(shù)是必要、合理的。結(jié)合地下環(huán)境、實用性和成本，采用了具有自組織性和一主多從的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，不依靠現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)就能完成裝置之間的通信，更具優(yōu)勢。

（3）雷達信號處理終端子系統(tǒng)。采用類似于表決器原理的方法，來對各個微波雷達的檢測信息進行融合、處理。如處理4 部雷達檢測到的信息，在數(shù)字電路中，只有0 和1，假設(shè)微波雷達在檢測到下料口內(nèi)有物體移動時狀態(tài)為1，未檢測有物體移動時狀態(tài)為0，因此根據(jù)0、1 狀態(tài)，可以對下料口上方是否有移動物體做出判決，邏輯函數(shù)表達式為：

（4）安全報警子系統(tǒng)。安全報警子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)檢測結(jié)果的展示，系統(tǒng)有效結(jié)合了報警燈警示、語音提醒和LED 顯示屏警示等三種裝置的優(yōu)點。這是因為施工人員在距離下料口較近時，語音提醒作用較大；在稍遠處時，語音警示作用弱化，此時LED 顯示屏提醒作用較為合適；在遠處時，語音和LED 顯示屏的提示效果不好，而報警燈可以達到較好的效果。三者結(jié)合，可以達到對近處和遠處的施工人員進行有效提醒的效果。

3 結(jié)束語

本文研究的基于微波雷達的地鐵吊車施工安全監(jiān)測系統(tǒng)綜合利用現(xiàn)代微波雷達、Zigbee 無線自組織網(wǎng)絡(luò)以及聲光電報警等技術(shù)，結(jié)合地鐵下料口實際環(huán)境，實現(xiàn)了一套基于微波雷達的地鐵吊車施工安全監(jiān)測系統(tǒng)，具備微波雷達探測、無線通信、系統(tǒng)自檢、安全警示、便攜等功能，能夠為地鐵下料口的施工人員提供安全保障，具有一定的實際應(yīng)用和推廣價值。

圖3：系統(tǒng)組成圖