對KJ110型公路隧道施工安全預警系統的應用研究

馬寶君

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州730050）

近幾年，隨著我國經濟的快速發展和人民生活水平的提高，國家進一步加大了基礎設施的投資范圍和建設力度，交通運輸類基礎設施的建設表現的更為明顯，并且隨著前期建設項目的積累，交通運輸類建設項目的主力戰場更多的向山區等復雜地質地形區域邁進，這其中隧道工程及橋梁工程等結構物占線路的比重隨之越來越大，長、大型隧道及隧道群越來越多。在隧道的施工中主要的安全隱患表現在施工冒頂、崩塌、涌水涌泥、瓦斯爆炸等安全事故，而且隧道的空間相對密閉狹小，里面的空氣質量直接關系到施工人員的健康和施工的安全，隧道的施工過程不可避免的會產生一些有害氣體和粉塵污染，各種施工機械也排放有害氣體，有害氣體超標會引起中毒、窒息、燃燒甚至爆炸等危險，這些事故給國家和施工企業帶來巨大的損失，也給職工和家屬帶來嚴重的災難。本文旨在研究適用于隧道有害氣體、二襯與掌子面安全步距及隧道圍巖變形的自動化監測并預警技術，通過研究建立可視化界面與動態監測系統，提高對隧道施工人員、設備和工程的安成套全預警保護。

1 研究目的及意義

公路隧道施工環境較為復雜，尤其掌子面施工人員、機械交叉作業，難以確定固定位置安裝監測設備，必將導致監測設備與掌子面存在一定距離。為確保施工人員、現場設備和工程的安全，監測隧道施工環境及圍巖變形等安全指標有很重要的現實意義。

2 安全預警系統整體設計

2.1 系統組成及設計拓撲圖

KJ110型公路隧道施工安全預警系統，采用了目前先進的激光測距、傳感器數據采集、無線通信及傳輸技術完成對在建隧道施工現場的環境監測和預警，并利用電信或者移動4G網絡將各個施工現場的監測數據及時傳輸至相關的機房和管理中心，能實現數據的集中監測和存儲，整個系統的構建基于移動互聯網，具有大數據處理能力的大型監測預警系統的基本功能。

2.1.1 系統的組成

KJ110型公路隧道施工安全預警系統通過傳感自動感知技術，結合網絡通訊技術、信號處理與分析、數據挖掘、預測預警技術和決策理論等多個領域的知識，實現公路隧道施工安全預警系統的架構設計，由數據采集、數據傳輸、數據處理、數據分析和數據瀏覽模塊組成，具體組成圖如圖1所示。

圖1 系統組成圖

2.1.2 系統設計拓撲圖

公路隧道施工安全預警系統分別采集所轄范圍內的傳感器數據，然后通過通信系統集中上傳至監控中心，最終實現有效數據信息的發布和共享，如圖2所示。

圖2 公路隧道施工安全預警系統網絡拓撲結構

2.2 系統功能

公路隧道施工安全預警系統主要為完成對隧道內的環境（CO、甲烷、粉塵、安全步距等）數據監測，并在所有互聯網接入點進行數據分析和監測，其功能可詳細表述如下。

1）錄入并記錄掘進距離，并實時顯示；

2）對環境參數（甲烷、CO、粉塵等）及掘進掌子面與二襯工作平臺之間的距離等實時情況進行監測；

3）對于環境參數、安全距離等設置預警值，完成實時預警；

4）查詢指定時間，掘進距離的環境參數（甲烷、CO、粉塵、安全步距等）的歷史曲線；

5）生成環境參數日報表、報警報表、設備故障報表、統計值報表；

6）通過可以連接到互聯網的任意一臺電腦完成實時監測、預警、數據查詢和曲線查詢及報表打印。

2.3 系統參數及特點

1）系統采用國際標準數據庫，通用網絡接口，實現標準化連接；

2）系統能夠實時傳輸、處理、存儲和顯示監控數據；

4）系統安裝維護簡潔方便，界面友好，功能豐富；

5）系統網絡中可隨時隨地查看隧道環境監測數據。

2.4 系統供電、數據通訊技術及原理

2.4.1 系統供電

公路隧道施工安全預警系統中涉及的傳感器全部使用開關供電，集成在“公路隧道施工安全預警系統采集終端”設備中，輸入為220V交流電源。

2.4.2 數據通訊技術介紹

公路隧道施工安全預警系統數據通訊主要采用兩種通訊技術，即無線通訊技術和有線通訊方式。有線通訊技術，為保證長距離數據傳輸，采用光纖通訊；無線通訊方式1，采用ZigBee無線通訊技術，ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，用于本論文公路隧道施工安全預警系統數據傳輸接口與公路隧道施工安全預警系統采集終端的數據傳輸應用；無線通訊方式2.4G網絡通訊下行速率分別達966Mbps和939Mbps，用于將隧道監控室的前端采集數據上傳到監測或者監控中心。

2.5 數據存儲及處理系統

公路隧道施工安全預警系統數據存儲和處理系統主要分為兩個部分：

1）公路隧道監測室，監控用計算機所安裝的公路隧道施工預警安全監測系統負責處理和將數據存儲到本地計算機，并將數據發送到遠程監測中心；

廣西財經學院的學風問題不是個案，而是新建本科院校的普遍現象。許多學者研究了這個問題?！敖┠?新建本科院校在教學實踐中不斷積極探索學風建設的途徑，在學風建設方面作了許多努力……但學風建設的效果并不十分明顯”[3],安桂玲、魏彥紅調查衡水學院發現，2010年上學期在圖書館借書0本的學生有43.7%，參加學術活動0次的學生有33.7%，并結合其他調查結果得出結論“新建本科院校學風不良”[4]。

2）公路隧道監測中心，監控中心用服務器安裝公路隧道施工預警系統服務平臺負責將各個隧道的數據處理并存儲到監測中心的服務器。

3 綜合監控系統及后期應用監測

3.1 系統設計目標

根據我國及甘肅省公路基礎設施建設的現狀，結合公路隧道現場施工的特性，設計了基于B/S結構的公路隧道施工安全預警系統監測數據處理軟件,通過對多傳感器實時監測數據進行集中管理，實現對施工隧道環境五位一體（甲烷、CO、粉塵等）及掘進掌子面與二襯工作平臺之間的距離監測數據進行處理，最后對得到的處理結果進行統計分析，并做合理的展示，以實現在建隧道施工人員及設備的安全性，提高工程項目煩人建設質量和管理水平。

3.2 系統核心功能模塊及框架設計

公路隧道施工安全預警系統服務器選用Windows 2000 Server，公路隧道施工安全預警監測系統中心端（服務端）分為以下部分：

1）公路隧道施工安全預警監測系統數據監控中心：主要完成各個隧道監測數據的接收和分發到各個預警監測系統子模塊，并將服務端指令發送到每個隧道；

2）公路隧道施工安全預警監測系統數據同步服務中心：主要完成將各個隧道監測中心的基礎參數定義數據和斷線歷史數據同步到服務器；

3）公路隧道施工安全預警監測系統子模塊：主要完成在服務器端預警監測隧道的實時數據、查詢歷史曲線、數據和報表。

公路隧道施工安全預警系統分為四大模塊，分別是監測數據存儲與管理模塊，監測數據處理模塊，監測數據顯示與發布模塊，監測結果統計及歷史數據查詢模塊組成。公路隧道施工安全預警系統軟件框架如圖3所示。

圖3 公路隧道施工安全預警系統軟件框架圖

3.3 系統綜合監測效果

3.3.1 實時數據監測

公路施工安全預警系統主要功能，是完成對隧道中的CO、甲烷、粉塵、安全步距等數據的實時監測和預警，系統監測界面如圖4所示，系統主界面主界面組成主要包括：主菜單、數據處理方法分類菜單、圖形顯示窗口、數據顯示窗口、信息查詢窗口及特征統計窗口，相應的數據處理程序在后臺已經加載好，只要用鼠標點擊即可運行。

圖4 公路隧道施工安全預警系統軟件框架圖

3.3.2 五位一體曲線查詢

公路隧道施工安全預警系統，主要完成對施工隧道環境中的環境（CO、甲烷、粉塵）數據和安全步距進行曲線查詢，系統界面示意圖如圖5所示。

圖5 公路隧道施工安全預警系統軟件五位一體監測界面

該系統界面能實施查詢監測點的歷史數據曲線和每隔5min的監測數據，為管理及施工人員提供最及時的現場數據信息，并實現超過一定安全閾值的預警，確保施工現場人員和設備的安全。

3.3.3 監測數據日班報表

檢測數據日班報表主要完成每天的監測數據進行計算整理，形成一個報表，給管理人員提供數據分析，關于系統界面的示意圖如圖6所示。

圖6 公路隧道施工安全預警系統監測數據日班報表

3.3.4 系統通訊模塊

該模塊主要完成對KJ110通訊接口設備進行、KJ110型公路隧道施工安全預警系統和遠程監測中心的數據服務中心通訊，主界面示意圖如圖7所示。

圖7 公路隧道施工安全預警系統接口通訊信息

3.3.5 公路隧道安全施工預警系統（隧道端）

公路隧道安全施工預警系統（隧道端）主界面示意圖如圖8所示。

圖8 公路隧道安全施工預警系統（隧道端）主界面示意圖

3.3.6 公路隧道安全施工預警系統（服務端）

公路隧道安全施工預警系統（服務端）示意圖如圖9～11所示。

圖9 各個隧道子模塊的管理子系統示意圖

圖10 WEB監測主系統示意圖

圖11 隧道監測WEB子系統示意圖

4 結論

KJ110型公路隧道施工安全預警系統目前已在蘭州至海口國家高速公路渭源至武都段建設項目東橋隧道、龍泉山隧道、遮陽山隧道進行了安裝應用，并建立了監測服務中心，系統穩定運行，為隧道安全施工提供了有力保障。該系統的開發與應用，可以有效減少人員、設備及工程的安全事故，保證國家和人民生命財產安全，提高施工效率，保證高等級公路建設又好又快向前發展。