無線傳感網(wǎng)絡(luò)在施工隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，確定關(guān)鍵因素判定指標(biāo)，從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件模塊功能、模塊接口以及決策實(shí)現(xiàn)等幾方面進(jìn)行討論，實(shí)現(xiàn)施工隧道安全監(jiān)測(cè)，并以火災(zāi)、突水、有害氣體以及塌方等方面進(jìn)行模擬測(cè)試。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；隧道施工；節(jié)點(diǎn)；監(jiān)控系統(tǒng)

引言

目前我國(guó)正在大力發(fā)展城市地鐵建設(shè)，全國(guó)共有幾十座城市同時(shí)在修建地鐵，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)地鐵總里程將達(dá)到6100公里[1]。伴隨地鐵建設(shè)快速發(fā)展，施工安全事故也頻頻發(fā)生，尤其是重大事故的不斷發(fā)生，給地鐵隧道的安全生產(chǎn)工作敲響了警鐘[2]。地鐵建設(shè)工程作為一類復(fù)雜的地下隱蔽工程，其施工中的不確定因素有很多，先進(jìn)的監(jiān)測(cè)裝置是確保地鐵隧道施工順利進(jìn)行的重要保障。

現(xiàn)階段，在對(duì)隧道工程施工的監(jiān)控工作中，通常都是采用有線的傳輸控制，施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境十分復(fù)雜，并且還伴有大量的機(jī)械設(shè)備，因此這對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的要求也是很高的，同時(shí)設(shè)備的布置工作也是比較困難的一環(huán)。而隨著我國(guó)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，在隧道監(jiān)控中應(yīng)用無線通信技術(shù)就成為了可能[3]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由三部分組成的，分別為觀測(cè)者、傳感器節(jié)點(diǎn)以及感知對(duì)象，功耗很低的許多微小網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過實(shí)時(shí)感知、監(jiān)測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種微觀隧道信息，同時(shí)還要對(duì)所收集的信息進(jìn)行處理，以提高信息的準(zhǔn)確性[4]。本文便是針對(duì)當(dāng)前隧道監(jiān)測(cè)中面臨的成本高、實(shí)時(shí)性差以及網(wǎng)絡(luò)等諸多問題，提出了一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的安全監(jiān)控系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的收集各種數(shù)據(jù)，并及時(shí)的監(jiān)控隧道工程施工中有害氣體是否超標(biāo)以及突水和塌方等事故，如果發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)，能夠及時(shí)提示報(bào)警，并且向外界輸出隧道當(dāng)前的危險(xiǎn)狀態(tài)，對(duì)安全生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。

1 主要事故指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.1 隧道火災(zāi)判斷方法。火災(zāi)的判斷方法為判斷為分析傳感器所收集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)風(fēng)速數(shù)據(jù)異常，那么就應(yīng)立即則檢測(cè)故障點(diǎn)的風(fēng)機(jī)狀態(tài)，若風(fēng)機(jī)異常，那么就不是風(fēng)機(jī)的故障；若風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)是正常的，一氧化碳、溫度以及煙霧等數(shù)據(jù)時(shí)異常，應(yīng)采用安全評(píng)估服務(wù)，考慮各參數(shù)見的關(guān)聯(lián)性，評(píng)估報(bào)警等級(jí)。

1.2 有害氣體超標(biāo)判斷方法。其判斷方法是需要兩級(jí)數(shù)據(jù)決策，當(dāng)風(fēng)速數(shù)據(jù)異常時(shí)，特別是二氧化碳、甲烷或是粉塵濃度上升趨勢(shì)較大時(shí)，應(yīng)監(jiān)測(cè)單元的風(fēng)機(jī)狀態(tài)，排除風(fēng)機(jī)故障；當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)在15分鐘仍未下降時(shí)，應(yīng)采用安全評(píng)估服務(wù)，不考慮各氣體之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性，而是計(jì)算各氣體報(bào)警的概率。

1.3 隧道突水判斷方法。當(dāng)排水溝水位多于警戒水位線的90%時(shí)，并且仍有上升趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)立即計(jì)算突水報(bào)警概率。如果完全超過警戒水位，則立即報(bào)警。

1.4 隧道塌方判斷方法。巖層移動(dòng)報(bào)警是要評(píng)估兩個(gè)參數(shù)的，分別為地表沉降和地表運(yùn)動(dòng)加速度，采用安全評(píng)估服務(wù)，考慮兩個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)相關(guān)性，其報(bào)警的概率隨著在這兩個(gè)參數(shù)的增大而增大的。

2 施工隧道監(jiān)控總體設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是集移動(dòng)人員定位、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)處理、災(zāi)情處理設(shè)備、3G遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)設(shè)備等多功能為一體的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)的檢測(cè)隧道內(nèi)部的各種災(zāi)害，將數(shù)據(jù)上報(bào)到監(jiān)控中心，之后再對(duì)這些數(shù)據(jù)分析處理，根據(jù)不同的險(xiǎn)情等級(jí)，調(diào)用各個(gè)災(zāi)情處理設(shè)備并啟動(dòng)3G遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)機(jī)制，盡可能的降低損失，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 軟件模塊及接口關(guān)系。采用模塊化設(shè)計(jì)的軟件，分為八大模塊，它們是：數(shù)據(jù)采集及管理，決策分析，應(yīng)急處理，數(shù)據(jù)管理、查詢及打印，參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)調(diào)試，主界面管理，系統(tǒng)服務(wù)。它們通過接口相互連接，數(shù)據(jù)采集及管理模塊能將采收集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且獲取監(jiān)聽端口號(hào)以及網(wǎng)關(guān)連接等參數(shù)；決策分析模塊可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取特定時(shí)間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)并對(duì)其分析，根據(jù)分析的結(jié)果可以調(diào)用應(yīng)急處理模塊；主界面管理模塊可以顯示獲取的數(shù)據(jù)，并且還能獲取地圖元素的顏色和位置等信息。各模塊間接口關(guān)系如圖2。

2.3 隧道決策分析設(shè)計(jì)。在收集完數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，之后會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合的操作，從而得到隧道的即時(shí)狀態(tài)。隧道一個(gè)標(biāo)段通常都是很長(zhǎng)的，如果分析整個(gè)隧道的傳感器數(shù)據(jù)，那么就很難知道到底哪個(gè)位置出現(xiàn)了險(xiǎn)情。所以，建議采用基于監(jiān)控單元的決策分析方式，將每一個(gè)標(biāo)段分成若干個(gè)小的監(jiān)控單元，各個(gè)單元內(nèi)分別收集傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，之后再對(duì)各單元的狀態(tài)進(jìn)行分析，本系統(tǒng)對(duì)隧道內(nèi)的火災(zāi)、突水、危險(xiǎn)氣體超標(biāo)以及塌方四種險(xiǎn)情進(jìn)行檢測(cè)，分別輸出了其所處的等級(jí)，當(dāng)危險(xiǎn)等級(jí)超標(biāo)時(shí)就會(huì)有相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

3 方法的實(shí)現(xiàn)

首先提取隧道單元數(shù)據(jù)，通過調(diào)整傳感器權(quán)重確保相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)正常獲取，根據(jù)傳感器數(shù)值警戒值計(jì)算傳感器數(shù)值所在等級(jí)M，計(jì)算前80%時(shí)間內(nèi)傳感器數(shù)值所在等級(jí)乘以各自權(quán)重后的均值，計(jì)算后20%時(shí)間內(nèi)傳感器數(shù)字所在等級(jí)乘以相應(yīng)權(quán)重后的均值，根據(jù)上式計(jì)算出隧道危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)級(jí)及預(yù)警。

4 模擬測(cè)試分析

4.1 測(cè)試方案。測(cè)試方案采用定時(shí)調(diào)用的方法，即先設(shè)定定時(shí)器，利用其循環(huán)性對(duì)各單元進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)單元的檢測(cè)分成火災(zāi)、突水、有害氣體超標(biāo)、塌方，因?yàn)樘岢鰯?shù)據(jù)的時(shí)間對(duì)各單元的檢測(cè)時(shí)間是有直接影響的，所以建議定時(shí)器設(shè)為3秒循環(huán)一次，而提出數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍對(duì)分析的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度也是有直接影響的，所以，應(yīng)提出不同長(zhǎng)度時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確度和實(shí)時(shí)性。模擬災(zāi)害時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下是不能模擬塌方的，所以應(yīng)采用測(cè)試的方法，不斷給壓力傳感器增壓，并且改變其位移值，從而模擬塌方災(zāi)害的特點(diǎn)；而火災(zāi)則只能采用燃燒廢紙的方法，傳感器在廢紙周圍進(jìn)行檢測(cè)；測(cè)試有害氣體超標(biāo)時(shí)，所有的超標(biāo)氣體都是采用同一種方法的，所以只需依據(jù)二氧化碳的濃度來檢測(cè)有害氣體的超標(biāo)情況。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析。在分別對(duì)2分鐘以及4分鐘時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬分析時(shí)，通過上述的公式可知，與靠近當(dāng)前時(shí)間80%時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)權(quán)重占80%，所以其災(zāi)害的時(shí)間分別為是24～30s和48～60s，具體的測(cè)試結(jié)果見表1、表2：

從以上決策分析測(cè)試結(jié)果可以看出，決策分析算法能夠判斷出隧道災(zāi)害，并且準(zhǔn)確率極高，而它的實(shí)時(shí)性是要受到歷史數(shù)據(jù)所選取的時(shí)間所影響的，并且檢測(cè)需要的時(shí)間是與時(shí)間長(zhǎng)短成正比的，其有很高的準(zhǔn)確性，所以在實(shí)際工作中，用戶可以根據(jù)不同的需求，對(duì)所提取的歷史數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍可以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)的布線，提高了隧道施工安全預(yù)警能力。通過對(duì)火災(zāi)、突水、有害氣體以及塌方等四方面因素進(jìn)行模擬測(cè)試，分析傳感器數(shù)據(jù)，得到隧道安全等級(jí)。結(jié)果表明，系統(tǒng)能很好的監(jiān)控隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境，同時(shí)還能制定具有針對(duì)性的應(yīng)急處理方案，消除或者降低隧道災(zāi)害。該系統(tǒng)隧道安全施工具有重要指導(dǎo)意義。

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