隧洞施工人員安全管理系統研究

王 心

（遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122100）

隧洞施工人員安全管理系統研究

王 心

（遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122100）

本文結合長大隧洞安全生產管理需求，根據鉆爆法施工特點，基于無線通信技術、B P人工神經網絡技術和R F I D卡智能識別技術，研發了智能化的人員遠距離進出洞和施工工位識別模型，構建了一套隧洞施工人員安全管理系統，取得了良好的實際應用效果。

B P人工神經網絡；安全生產；R F I D技術

1 研究背景

安全生產是黨和國家的一貫方針和基本國策，目前國家政府高度重視各級安全生產施工，要求在重大工程建設管理中采取有效的管理控制手段。本研究針對長大隧洞施工工期長、參建人員多、施工安全隱患大的特點，綜合運用工程管理、通訊、信息自動化等技術，系統研究能夠全面提高工程施工安全生產管理水平的數字化輔助管理技術手段，并在遼寧省某輸水工程中得到成功應用，保障了工程建設管理任務的順利實施。

2 人工神經網絡模型研發

2.1 B P人工神經網絡原理

人工神經網絡技術是模仿人腦認識事物規律的一種方法，應該說是一種黑箱模型，該模型由網絡層次結構、節點權重組成，利用輸入和輸出樣本對網絡進行訓練，來反復調整節點權重，控制輸入輸出誤差的收斂趨勢，最終形成適合于輸入輸出樣本對應判別關系的應用模型。B P人工神經網絡算法是應用較為廣泛的一種神經網絡模型。由于采用了誤差逆傳播的學習算法，簡稱之為誤差逆傳播人工神經網絡或B P網絡。

B P網絡的學習包括四個部分：

（1）學習模式由輸入層經分層權重計算，經中間層向輸出層的順序傳播過程；

（2）以計算的輸出結果和預期訓練樣本的真實結果的誤差作為網絡節點權重調整的反向輸入，采用適當的算法逐層修正中間節點權重的過程；

（3）由“正向傳播”與“逆向權重調整”的反復交替過程，也就是“模式學習”過程；

（4）經“學習”過程的反復調整后，模型計算輸出與真實輸出的全局誤差，逐漸趨近于模型誤差精度要求的過程，即“學習收斂過程”。

網絡學習和訓練步驟如圖1。

2.2 模型開發

本研究基于B P神經網絡原理，開發了神經網絡學習模型算法支持軟件。該模型采用V B開發，節點信息存儲到SQ LSE R V E R數據庫中。開發的通用型加速算法B P神經網絡程序模型，可實現加速算法選擇，神經網絡的構造、學習樣本的數據庫管理，可用于網絡權重的學習支持，開發成果如圖2。

2.3 樣本制作

神經網絡模型構建的關鍵是學習樣本的確定和獲取。對人員進出隧洞的判斷，不同常規門禁系統，根據現場施工管理的實際情況，通過該系統需要識別的內容包括人員是進洞還是出洞和每類人員進洞的有效性。為了實現智能化的人員進出洞識別，本研究采用邏輯判斷類樣本和管理工作模式類樣本兩部分組成，樣本形成的原理如下：

（1）邏輯判斷類樣本：本研究在洞口連續設置2臺R F I D讀卡器，距離相聚50m，而讀卡器的遠程讀卡記錄設置為30m，保證形成三個區域，即洞口區、交叉區和洞內區，通過對人員進入到三個區域的進程時間進行判讀，建立人員有效進洞和各區域出現信號進程時間的對應關系，以此來作為學習樣本數據。

圖1 B P網絡學習框架圖

（2）管理工作模式類樣本：除上述邏輯關系判讀所需的區域信號外，在輸入層還加入人員身法變量，根據各種讀卡器獲取的信號組合與根據人員身份和職能判斷的進洞有效性的對應關系作為學習樣本數據。

3 應用實例

基于上述研究成果，項目組在前期研究成果基礎上，先后經歷了前期需求調研、關鍵技術研發、現場設備安裝和運行調試、試運行技術反饋升級四個主要階段。通過幾次反饋改造和設備選型試驗，系統的主體功能目標均已實現，取得了如下主要成果。

圖2 開發成果界面

3.1 隧道建設人員進出自動記錄系統

系統采用R F I D技術，應用有源R F I D卡和高功率讀卡設備，根據工程需求定制研發相關人員識別、進出洞判斷和信息管理軟件系統。

（1）應用讀卡器3臺（洞口2臺，掌子面附近1臺）、R F I D卡150張。能夠滿足人員進出洞判斷和是否進入洞內作業區的判斷需求，讀卡器和卡均可根據實際需求擴展。

（2）完成了R F I D卡分發和對應人員信息的錄入和管理。分別對業主、施工管理、開挖、支護、襯砌隊伍和監理、設計等類型人員分類進行分發和信息錄入。

（3）通過反復試驗確定3臺讀卡器的位置、信號讀取的衰減強度，并對讀卡器天線進行了改造（由全向改為定向），保證了判斷精度。讀卡器的讀卡距離設置為50m。

（4）對人員進出隧洞判斷的邏輯和R F I D卡的掃描的靈敏度進行驗證。經實際調試和運用，目前可以準確判斷記錄進、出洞人員。最多可同時實現50人乘車進出隧洞的遠程識別，具有良好的識別準確性和有效性，目前可保證達到預期的使用效果。

3.2 施工現場視頻監控系統

目前實現了對工程現場5路視頻監控，其中包括洞內2路、洞外3路，監控采用硬盤錄像機形式，可連續存儲45天，同時給管理人員配發大容量移動硬盤，實現定期備份。

（1）實現了洞內外視頻設備的無線通信，采用無線網橋設備實現，預測可保證3km的通信保障，經實際運行驗證目前在洞內通信效果良好。

（2）安裝了洞外設備廠區、材料廠區和隧道入口區的視頻監控，洞內視頻監控2個，重點對工程隱蔽施工部位實現連續監控（經現場調研確定掌子面前20m范圍為監控重點），分別選用了不同特點的高清攝像鏡頭（動態修正、強光抑制等特殊功能），安裝移設簡便。通過實驗驗證在距掌子面50～100m處能夠滿足防爆要求，視頻清晰度較好。

（3）監控系統采用硬盤錄像機方式，可以支持遠程監控。

3.3 監控值班室數字化集成

目前在洞口布置了監控現場值班室，布置了液晶電視1臺、工控機服務器1套、硬盤錄像機1套，防雷保護設備1套，開發信息集成軟件1套。

（1）視頻監控信息和人員進出洞記錄信息的集成，可結合洞口視頻實現人員進出的認證和抽查，系統可根據管理人員錄入顯示當前進洞、施工工序和工序統計（新增）等功能。

（2）實現了監測成果的大屏幕顯示，采用液晶電視為顯示屏，應用一機雙屏幕技術實現了工控機信息的大屏幕發布，應用效果和穩定性良好。

圖3 集成后成果

（3）充分考慮了防雷保護的措施，應用了防雷插排、優選了接地體，應用了B N C信號、R J 45信號和R S232串口信號的信號避雷器。應用至今未發生雷擊事故。集成后成果見圖3。

4 研究結論

本成果集人員安全管理、安全監測遠程預警、遠程視頻旁站監視、綜合考評于一體，具有良好實用性和可推廣性。可顯著的提高工程管理水平，有效的規范施工安全生產管理體系，為保證工程建設目標安全、保質的順利實施提供了有效的技術支持手段，具有良好的管理效益，降低管理成本。另外，建設生產任務的順利完成可保證工程經濟社會效益的有效發揮，由此所帶來的直接和間接經濟效益巨大。

目前，成果已在遼寧省重點輸水工程全線60余個洞口進行推廣應用，必將為長大隧洞工程施工安全管理保障做出更大貢獻，具有極其廣闊的推廣前景。

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T V 513

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1672-2469（2015）06-0060-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.020

王 心（1974年—），女，高級工程師。