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        基于LoRa技術的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的設計與應用

        2022-04-29 00:44:03陳進李巖李智甘偉良
        計算機應用文摘 2022年13期
        關鍵詞:深基坑

        陳進 李巖 李智 甘偉良

        關鍵詞 深基坑 氣體智能實時監(jiān)測機告警 隨身式

        1工程概況

        國網重慶市電力公司市區(qū)供電分公司負責實施重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程,該工程可以提高重慶市主城區(qū)220kV 變電站供電的穩(wěn)定性,滿足圣泉、熬山、柏樹堡、雙山片區(qū)用電負荷增加的需要。因重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程跨越市區(qū),且隨著城市建筑業(yè)向高層、大跨空間結構發(fā)展和地下空間開發(fā)的逐步深入,增加了施工環(huán)境及地下管線的復雜性,以及深基坑本身地勢較低、通風環(huán)境較差等特點,在其坑道內可能存在一些對人體有害的氣體,如CO,CO2,H2S 和CH4。據調查,在實際建筑深基坑的施工中出現(xiàn)的安全事故,其中因為施工過程中的有毒有害氣體中毒事故占了大多數(shù)[1] 。為保障重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程施工人員安全,提高施工管理效率,項目參與技術人員研究出了技術先進的基于LoRa 技術的隨身式氣體監(jiān)測系統(tǒng)。

        2技術比較

        2.1無線傳輸技術

        由于施工場地的復雜性和臨時性,鋪設傳輸線路并不現(xiàn)實且成本較高,氣體監(jiān)測系統(tǒng)需要依靠無線傳輸技術來實現(xiàn)信息的傳送。目前使用得最多的無線傳輸技術包括藍牙技術、ZigBee 技術、LoRa 技術等。

        2.1.1藍牙技術

        藍牙是一種支持設備短距離通信的相對成熟的無線電技術,其可實現(xiàn)數(shù)據和聲音傳輸同時管理,價格相對便宜、安全性高,由于通過跳頻擴頻技術進行傳播,還具有抗干擾性強的優(yōu)勢。

        一般藍牙的數(shù)據傳輸距離較短,目前,普通藍牙數(shù)據傳輸工作距離為10 米左右。但深基坑等地底作業(yè)障礙物多,在此環(huán)境下藍牙技術的有效信號傳輸距離將進一步縮短,穩(wěn)定性也會降低,且施工場地安裝基站成本較高,藍牙技術并不適用。

        2.1.2ZigBee 技術

        ZigBee 也稱紫蜂,是一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術。目前,其廣泛應用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種傳感器、控制器等設備之間進行數(shù)據傳輸。但對于深基坑監(jiān)測技術,需要在作業(yè)期間不間斷的傳輸監(jiān)測數(shù)據,及時告警并將作業(yè)人員疏散離場才是重中之重,故近距離傳輸?shù)腪igBee 技術并不適用于深基坑氣體隨身式智能實時監(jiān)測及告警系統(tǒng)。

        2.1.3LoRa 技術

        LoRa 技術(Long Rang)是一種能滿足低功耗、超長距離要求的強抗干擾能力通信的無線窄帶擴頻通信技術,LoRa 技術的出現(xiàn)大幅度改善了無線傳輸技術的接收靈敏度[2~3] 。

        綜合對比,LoRa 技術更加適用于環(huán)境復雜、障礙物多的深基坑無線信息傳輸。

        2.2系統(tǒng)架構

        系統(tǒng)構架如圖1 所示。

        2.2.1前端傳感器采集模塊

        前端傳感器采集模塊包括身體特征探測模塊、氧氣傳感器、甲烷傳感器、硫化氫傳感器、一氧化碳傳感器,用于實時監(jiān)測施工人員的血氧心率、舒張壓、收縮壓以及監(jiān)測施工人員作業(yè)區(qū)域環(huán)境參數(shù),并通過LoRa無線傳輸方式將環(huán)境參數(shù)和人員狀態(tài)信息上傳至數(shù)據集中器。每個前端采集模塊中還含有重力加速度傳感器,作業(yè)期間當施工人員停止不動時,將進行告警,非作業(yè)期間模塊停止工作,進入低功耗模式。

        2.2.2數(shù)據集中器

        數(shù)據集中器是前端傳感器采集模塊與主機之間的橋梁,起到參數(shù)信息匯總和遠距離傳輸?shù)淖饔谩?/p>

        2.2.3系統(tǒng)主機

        主機分為數(shù)據顯示單元、數(shù)據分析單元和告警單元。數(shù)據顯示單元實時顯示各前端采集模塊的采集參數(shù),便于管理人員隨時查看。數(shù)據分析單元在接收到環(huán)境及作業(yè)人員身體參數(shù)后進行算法分析,并與設定的閾值進行比較,一旦超出閾值則發(fā)出警報。

        主機的功能較多,具體如下。

        (1)設置功能:可根據實際需要進行深基坑氣體濃度和施工人員身體狀況參數(shù)的閾值設置、前端傳感器采集模塊傳輸間隔設置、各設備報警觸發(fā)時間及間隔設置等。

        (2)查詢功能:可隨時查詢某時間點各項監(jiān)測數(shù)據的歷史記錄,可查詢某段時間內的目標氣體濃度的變化趨勢。

        (3)復位功能:復位后系統(tǒng)將恢復到上一次調整的正常的運行狀態(tài),復位操作將不會更改系統(tǒng)的之前的設置參數(shù)。

        (4)自檢功能:主機可以自動檢測,包括報警器、LoRa 信號傳輸模塊、收集參數(shù)的前端傳感器采集模塊在內的模塊是否損壞或是否存在異常,以及各模塊之間的信號傳輸是否正常,當監(jiān)測到錯誤時將發(fā)出警告

        (5)密碼保護功能:使用多級密碼保護系統(tǒng)的安全運行,設置、自檢、復位、隔離操作前等操作均密碼確認,避免了人員誤操的可能。

        (6)三級報警功能:警報程度分為三級,分別是注意、預警和報警,每個級別的范圍均可以由用戶根據現(xiàn)場實際情況自由設置。

        2.3系統(tǒng)優(yōu)勢

        (1)續(xù)航時間長:所有傳感器及系統(tǒng)主機均可充電,所有傳感器充電一次保證連續(xù)使用2 天以上,現(xiàn)場管理主機保證連續(xù)使用7 天以上。

        (2)參數(shù)可設置:現(xiàn)場管理主機有開關機按鈕,主機界面顯示的監(jiān)測參數(shù)報警閾值均可設置。

        (3)功能全面:施工人員意外情況和施工環(huán)境參數(shù)異常情況均及時報警,雙重保障施工安全。

        (4)報警方式豐富:分三級預警,給予作業(yè)人員和管理人員更多的反應和撤離時間;振動提示、聲音報警等功能齊全,符合作業(yè)現(xiàn)場的實際需求。

        (5)適用性強:前端采集模塊采集精度高、耗電量小,采用便攜式設計,模塊小隨身攜帶且對施工人員無影響。設備既可以獨立運行,也可以支持向上融入基建管控系統(tǒng)。

        3現(xiàn)場情況

        在重慶市圣雙南北220kV 線路增容工程線路施工過程中,基于LoRa 技術的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)得到實際應用。作業(yè)現(xiàn)場的深基坑作業(yè)環(huán)境參數(shù)(如CO,O2,CH4,H2S 等),施工人員身體特征得到實時監(jiān)測,一旦監(jiān)測參數(shù)異常,系統(tǒng)主機便提醒作業(yè)人員立即撤離施工區(qū)域。

        施工作業(yè)人員攜帶前端傳感器采集模塊進入工程現(xiàn)場(圖2),前端傳感器采集模塊將深基坑里面的環(huán)境參數(shù)信息、施工人員身體特征信息通過無線LoRa方式傳到數(shù)據集中器,數(shù)據集中器再通過LoRa 技術將環(huán)境參數(shù)傳至現(xiàn)場管理主機,現(xiàn)場管理主機經過軟件分析后實現(xiàn)對作業(yè)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測,對異常情況立即告警,提醒作業(yè)人員安全撤離。同時,施工管理人員能及時掌握現(xiàn)場作業(yè)情況,便于采取施救、撤離等緊急措施。為現(xiàn)場施工工作人員的綜合管理(尤其是安全生產)提供可靠保障,意外事故分析提供可靠依據。

        在工程現(xiàn)場經過長時間應用, “ 前端采集模塊———數(shù)據集中器”“數(shù)據集中器———管理主機”之間無線LoRa 通信穩(wěn)定、連接良好,整個系統(tǒng)運行順暢。模擬深基坑環(huán)境參數(shù)異常、模擬施工人員身體參數(shù)異常時,管理主機均能及時發(fā)出告警信息,基于LoRa 技術的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)達到了預期設計目標。

        4結論

        本文提出基于LoRa 技術的隨身式深基坑有害氣體監(jiān)測系統(tǒng),利用LoRa 無線通信技術,通過隨身式前端傳感器采集模塊采集數(shù)據,利用主機分析數(shù)據,實時監(jiān)控深基坑等地底作業(yè)人員身體狀況及作業(yè)環(huán)境情況。該系統(tǒng)可有效保障作業(yè)人員安全,減少事故的發(fā)生,且續(xù)航時間長、成本低,還可與智能終端進行連接,管理人員可通過軟件查看各個施工場地的實際情況,發(fā)展前景廣闊,值得推廣。

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