對KJ110型公路隧道施工安全預警系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)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(zhàn)場更多的向山區(qū)等復雜地質地形區(qū)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(xiàn)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(yè)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(jiān)測并預警技術，通過研究建立可視化界面與動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，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(huán)境較為復雜，尤其掌子面施工人員、機械交叉作業(yè)，難以確定固定位置安裝監(jiān)測設備，必將導致監(jiān)測設備與掌子面存在一定距離。為確保施工人員、現(xiàn)場設備和工程的安全，監(jiān)測隧道施工環(huán)境及圍巖變形等安全指標有很重要的現(xiàn)實意義。

2 安全預警系統(tǒng)整體設計

2.1 系統(tǒng)組成及設計拓撲圖

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

2.1.1 系統(tǒng)的組成

KJ110型公路隧道施工安全預警系統(tǒng)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(shù)據(jù)挖掘、預測預警技術和決策理論等多個領域的知識，實現(xiàn)公路隧道施工安全預警系統(tǒng)的架構設計，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)瀏覽模塊組成，具體組成圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

2.1.2 系統(tǒng)設計拓撲圖

公路隧道施工安全預警系統(tǒng)分別采集所轄范圍內的傳感器數(shù)據(jù)，然后通過通信系統(tǒng)集中上傳至監(jiān)控中心，最終實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)信息的發(fā)布和共享，如圖2所示。

圖2 公路隧道施工安全預警系統(tǒng)網絡拓撲結構

2.2 系統(tǒng)功能

公路隧道施工安全預警系統(tǒng)主要為完成對隧道內的環(huán)境（CO、甲烷、粉塵、安全步距等）數(shù)據(jù)監(jiān)測，并在所有互聯(lián)網接入點進行數(shù)據(jù)分析和監(jiān)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(huán)境參數(shù)（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(jiān)測；

3）對于環(huán)境參數(shù)、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(huán)境參數(shù)（甲烷、CO、粉塵、安全步距等）的歷史曲線；

5）生成環(huán)境參數(shù)日報表、報警報表、設備故障報表、統(tǒng)計值報表；

6）通過可以連接到互聯(lián)網的任意一臺電腦完成實時監(jiān)測、預警、數(shù)據(jù)查詢和曲線查詢及報表打印。

2.3 系統(tǒng)參數(shù)及特點

1）系統(tǒng)采用國際標準數(shù)據(jù)庫，通用網絡接口，實現(xiàn)標準化連接；

2）系統(tǒng)能夠實時傳輸、處理、存儲和顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)；

4）系統(tǒng)安裝維護簡潔方便，界面友好，功能豐富；

5）系統(tǒng)網絡中可隨時隨地查看隧道環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.4 系統(tǒng)供電、數(shù)據(jù)通訊技術及原理

2.4.1 系統(tǒng)供電

公路隧道施工安全預警系統(tǒng)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(tǒng)采集終端”設備中，輸入為220V交流電源。

2.4.2 數(shù)據(jù)通訊技術介紹

公路隧道施工安全預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸接口與公路隧道施工安全預警系統(tǒng)采集終端的數(shù)據(jù)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(jiān)控室的前端采集數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)測或者監(jiān)控中心。

2.5 數(shù)據(jù)存儲及處理系統(tǒng)

公路隧道施工安全預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)主要分為兩個部分：

1）公路隧道監(jiān)測室，監(jiān)控用計算機所安裝的公路隧道施工預警安全監(jiān)測系統(tǒng)負責處理和將數(shù)據(jù)存儲到本地計算機，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(jiān)測中心，監(jiān)控中心用服務器安裝公路隧道施工預警系統(tǒng)服務平臺負責將各個隧道的數(shù)據(jù)處理并存儲到監(jiān)測中心的服務器。

3 綜合監(jiān)控系統(tǒng)及后期應用監(jiān)測

3.1 系統(tǒng)設計目標

根據(jù)我國及甘肅省公路基礎設施建設的現(xiàn)狀，結合公路隧道現(xiàn)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(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件,通過對多傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中管理，實現(xiàn)對施工隧道環(huán)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(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，最后對得到的處理結果進行統(tǒng)計分析，并做合理的展示，以實現(xiàn)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(tǒng)核心功能模塊及框架設計

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

1）公路隧道施工安全預警監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控中心：主要完成各個隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)到各個預警監(jiān)測系統(tǒng)子模塊，并將服務端指令發(fā)送到每個隧道；

2）公路隧道施工安全預警監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步服務中心：主要完成將各個隧道監(jiān)測中心的基礎參數(shù)定義數(shù)據(jù)和斷線歷史數(shù)據(jù)同步到服務器；

3）公路隧道施工安全預警監(jiān)測系統(tǒng)子模塊：主要完成在服務器端預警監(jiān)測隧道的實時數(shù)據(jù)、查詢歷史曲線、數(shù)據(jù)和報表。

公路隧道施工安全預警系統(tǒng)分為四大模塊，分別是監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲與管理模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)處理模塊，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示與發(fā)布模塊，監(jiān)測結果統(tǒng)計及歷史數(shù)據(jù)查詢模塊組成。公路隧道施工安全預警系統(tǒng)軟件框架如圖3所示。

圖3 公路隧道施工安全預警系統(tǒng)軟件框架圖

3.3 系統(tǒng)綜合監(jiān)測效果

3.3.1 實時數(shù)據(jù)監(jiān)測

公路施工安全預警系統(tǒng)主要功能，是完成對隧道中的CO、甲烷、粉塵、安全步距等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和預警，系統(tǒng)監(jiān)測界面如圖4所示，系統(tǒng)主界面主界面組成主要包括：主菜單、數(shù)據(jù)處理方法分類菜單、圖形顯示窗口、數(shù)據(jù)顯示窗口、信息查詢窗口及特征統(tǒng)計窗口，相應的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)，主要完成對施工隧道環(huán)境中的環(huán)境（CO、甲烷、粉塵）數(shù)據(jù)和安全步距進行曲線查詢，系統(tǒng)界面示意圖如圖5所示。

圖5 公路隧道施工安全預警系統(tǒng)軟件五位一體監(jiān)測界面

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

3.3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)日班報表

檢測數(shù)據(jù)日班報表主要完成每天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算整理，形成一個報表，給管理人員提供數(shù)據(jù)分析，關于系統(tǒng)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(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)日班報表

3.3.4 系統(tǒng)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(tǒng)和遠程監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)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(tǒng)接口通訊信息

3.3.5 公路隧道安全施工預警系統(tǒng)（隧道端）

公路隧道安全施工預警系統(tǒng)（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(tǒng)（隧道端）主界面示意圖

3.3.6 公路隧道安全施工預警系統(tǒng)（服務端）

公路隧道安全施工預警系統(tǒng)（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(tǒng)示意圖

圖10 WEB監(jiān)測主系統(tǒng)示意圖

圖11 隧道監(jiān)測WEB子系統(tǒng)示意圖

4 結論

KJ110型公路隧道施工安全預警系統(tǒng)目前已在蘭州至?？趪腋咚俟肺荚粗廖涠级谓ㄔO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(jiān)測服務中心，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，為隧道安全施工提供了有力保障。該系統(tǒng)的開發(fā)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(fā)展。