基于微波雷達(dá)的地鐵吊車施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

羅李

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)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(yùn)輸?shù)降叵滤淼?，地鐵吊車施工現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1所示。

如圖1所示，在地鐵站點(diǎn)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(yùn)輸?shù)降氐姿淼郎?。由于下料口兩邊都是隧道，里面隨時(shí)都有人員及施工車輛進(jìn)出，人員和車輛無(wú)法看到下料口上方的吊運(yùn)物資的情況，吊車往下運(yùn)輸物資，極易與隧道內(nèi)的進(jìn)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(cè)都是依靠人工，這種方式一是需要相互協(xié)調(diào)各個(gè)工種的施工任務(wù)順序，二是消耗較多的人工，三是無(wú)法對(duì)吊車施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)和安全提醒指示。由上可知，現(xiàn)有的依靠人工監(jiān)測(cè)的吊車施工監(jiān)測(cè)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(dá)的地鐵吊車施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將對(duì)下料口內(nèi)的移動(dòng)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采用聲光電的方式對(duì)隧道內(nèi)的施工人員進(jìn)行安全警示，防止事故發(fā)生。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)

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

本系統(tǒng)采用多組微波雷達(dá)全面覆蓋下料口，雷達(dá)數(shù)據(jù)通過zigbee 無(wú)線系統(tǒng)傳輸?shù)嚼走_(dá)信號(hào)處理機(jī)中，然后對(duì)多組雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(duì)隧道內(nèi)的人員進(jìn)行警示。具體功能如下：

（1）微波雷達(dá)探測(cè)功能。系統(tǒng)利用多普勒雷達(dá)探測(cè)技術(shù)，通過檢測(cè)物體反射的微波來識(shí)別物體的移動(dòng)情況，同時(shí)識(shí)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(cè)方式具有無(wú)接觸、抗干擾、功率小、速度快等優(yōu)點(diǎn)。

（2）基于自組織網(wǎng)絡(luò)的無(wú)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)地下信號(hào)強(qiáng)度有限。故基于zigbee 的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，既可以獨(dú)立運(yùn)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(hào)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(gè)脈沖，一旦在大于15s(20s)時(shí)間仍接不到脈沖時(shí)系統(tǒng)就立即報(bào)警，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1：地鐵吊車施工現(xiàn)場(chǎng)

（4）安全警示功能。采用三種警示方式：報(bào)警燈警示、語(yǔ)音提醒和LED 顯示屏警示，使系統(tǒng)人機(jī)界面更趨友好。報(bào)警燈能夠?qū)h(yuǎn)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(cè)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(shí)現(xiàn)原理

整個(gè)項(xiàng)目采用多組微波雷達(dá)全面覆蓋下料口，雷達(dá)數(shù)據(jù)通過Zigbee 無(wú)線系統(tǒng)傳輸?shù)嚼走_(dá)信號(hào)處理機(jī)中，處理就對(duì)多組雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(duì)隧道內(nèi)的人員進(jìn)行警示。

根據(jù)系統(tǒng)功能框圖可以將本系統(tǒng)分為四個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，分別為微波雷達(dá)探測(cè)子系統(tǒng)、Zigbee 無(wú)線通信子系統(tǒng)、雷達(dá)信號(hào)處理終端子系統(tǒng)以及安全報(bào)警子系統(tǒng)，如圖3所示。

下面將對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行說明：

（1）微波雷達(dá)探測(cè)子系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用多個(gè)微波雷達(dá)傳感器，全面、無(wú)死角地覆蓋下料口，采用的微波雷達(dá)探測(cè)范圍為360°+180°的半球形范圍，探測(cè)距離2-10m 可調(diào)，探測(cè)方向通過下方的萬(wàn)向節(jié)可調(diào)。多個(gè)雷達(dá)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(dá)探測(cè)距離、相互間的距離探測(cè)方向，可以保證對(duì)下料口上方空間的覆蓋。同時(shí)雷達(dá)下方帶有可升降固定支架，不僅便于移動(dòng)、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(dá)發(fā)射信號(hào)為：

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

圖2：微波雷達(dá)系統(tǒng)功能框圖

若目標(biāo)固定不動(dòng)，則回波與發(fā)射信號(hào)之間有固定相位差。若目標(biāo)與雷達(dá)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，則回波與發(fā)射信號(hào)之間相位差為反映到頻率上即是微波雷達(dá)就是利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)反射的電磁波頻率fθ與雷達(dá)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(dòng)。頻率之差f-fθ稱為多普勒頻率，它與運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于雷達(dá)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)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(hào)頻率之差；v 為物體運(yùn)動(dòng)速度；為雷達(dá)至目標(biāo)的連線與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向之夾角。

（2）Zigbee 無(wú)線通信子系統(tǒng)。由于地鐵下料口不易布線，并且微波雷達(dá)所測(cè)信息需要實(shí)時(shí)傳輸出來進(jìn)行處理，因此采用無(wú)線傳輸技術(shù)是必要、合理的。結(jié)合地下環(huán)境、實(shí)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(shì)。

（3）雷達(dá)信號(hào)處理終端子系統(tǒng)。采用類似于表決器原理的方法，來對(duì)各個(gè)微波雷達(dá)的檢測(cè)信息進(jìn)行融合、處理。如處理4 部雷達(dá)檢測(cè)到的信息，在數(shù)字電路中，只有0 和1，假設(shè)微波雷達(dá)在檢測(cè)到下料口內(nèi)有物體移動(dòng)時(shí)狀態(tài)為1，未檢測(cè)有物體移動(dòng)時(shí)狀態(tài)為0，因此根據(jù)0、1 狀態(tài)，可以對(duì)下料口上方是否有移動(dòng)物體做出判決，邏輯函數(shù)表達(dá)式為：

（4）安全報(bào)警子系統(tǒng)。安全報(bào)警子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果的展示，系統(tǒng)有效結(jié)合了報(bào)警燈警示、語(yǔ)音提醒和LED 顯示屏警示等三種裝置的優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)槭┕と藛T在距離下料口較近時(shí)，語(yǔ)音提醒作用較大；在稍遠(yuǎn)處時(shí)，語(yǔ)音警示作用弱化，此時(shí)LED 顯示屏提醒作用較為合適；在遠(yuǎn)處時(shí)，語(yǔ)音和LED 顯示屏的提示效果不好，而報(bào)警燈可以達(dá)到較好的效果。三者結(jié)合，可以達(dá)到對(duì)近處和遠(yuǎn)處的施工人員進(jìn)行有效提醒的效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的基于微波雷達(dá)的地鐵吊車施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合利用現(xiàn)代微波雷達(dá)、Zigbee 無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)以及聲光電報(bào)警等技術(shù)，結(jié)合地鐵下料口實(shí)際環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了一套基于微波雷達(dá)的地鐵吊車施工安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具備微波雷達(dá)探測(cè)、無(wú)線通信、系統(tǒng)自檢、安全警示、便攜等功能，能夠?yàn)榈罔F下料口的施工人員提供安全保障，具有一定的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

圖3：系統(tǒng)組成圖