专利名称：基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法及监控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及隧道施工安全监控以及无线通信领域，特别是一种基于传感器网络的 隧道安全防护方法及监控系统。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，隧道的建设项目与日俱增，隧道施工安全和隧道安全 运营问题显得越来越突出。隧道施工安全是一个复杂的系统工程，中间任何一个环节没有 做好都可能酿成巨大的事故。目前，随着施工的进展，监测的环境量会不断增加。如果采用有线监测手段会存 在弊端1)布线会很复杂，增加施工的难度，而且隧道内线路的繁多，会增加事故发生的 可能性；幻有线监测手段无法很好的满足监测量的增加，它的使用会增加工程成本。在这 种情况下，项目将一种完全脱离有线束缚，能够实现自主控制和动态数据管理的无线传感 器网络用于施工隧道监测，充分发挥其独特优势实现对隧道的监测。然而，由于隧道施工 环境的电磁环境复杂，主流的ZIGBEE短距离无线通信协议广泛应用于室内通信，但在隧 道监测中，缺乏确定性实时通信保障机制。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation)是中国制定的用于过程自动化的工业无线网络规范，基 于低开销的精确时间同步机制，提供了实时数据传输机制和自适应调频机制，保障了隧道 空间内传输距离的可靠性。发明专利申请Q00510071143. 2)公开了 “一种基于传感器网络的井下安全监测 系统、装置及方法”，设计了一个适合在煤矿井下实现出、入井人员考勤，人员和移动车辆区 域定位，并能够实现井下瓦斯浓度动态监测。发明专利申请Q00710063697. 7)公开了 “一种煤矿井下人员定位与瓦斯浓度动 态监测方法及系统”，设计使用有线通信与无线通信相结合的方法，将采集的数据信息与矿 井人员信息传输至隧道外主控中心。上述专利申请未考虑在灾害发生情况下，无线通信网络的数据链路可靠性问题， 并且瓦斯浓度的动态监测系统仅隧道安全施工环境中一个环节，现今的工程施工，对无线 传感器网络部署的灵活性和可靠性，以及现场数据的多样性和实时性，提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的施工隧道安全监控系统，该系 统不仅能提高施工效率，而且能够有效减少漏警，增强预警，突破原有系统报警滞后于事故 的限制，减少灾害或二次灾害对人员造成的影响。本发明提供的一种基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在于， 该方法包括下述步骤步骤(1)利用无线传感器在施工隧道内开始采集数据，不同类型数据按照各自预 先设定的刷新周期，上传至监控中心；采集数据类型分为环境量、工程量和人员定位三类；5
步骤(2)判断是否有数据超过预先设定的安全阈值，如果超过，则称该超过安全 阈值的数据为报警数据，进入步骤(3)，否则，转入步骤(1)继续采集；步骤C3)将所有类型数据的刷新周期调整至8秒以内，继续采集数据，对采集的报 警数据，进行数据滤波，如果报警数据偏离其平均值5% _10%，则发出检查状态异常点的 设备和施工作业情况的通知，并进入步骤G)，否则转入步骤(1)；步骤(4)启动安全评估服务，其具体过程为(4. 1)选取最近的一段时间t的报警数据，绘制报警数据变化趋势曲线，t的初始 值设为τ，T为预先设定的单元时间的大小；(4.2)判断报警数据变化趋势曲线的变化趋势是否明显，如果是进入步骤(5)，否 则，进入步骤(4.3)；(4. 3)判断t是否大于等于的预先设定的安全评估时间阈值，如果是，表示不存在 安全隐患，进入步骤(1)，否则令t = t+T，转入步骤(4. 1)；步骤(5)按照数据关系模型，进行相关性计算，得到报警数据对应的报警事件类 型发生的综合概率，进入步骤(6)；步骤(6)按照报警事件类型的综合概率，查询对应的报警等级，采取相应的防护 手段后，转至步骤(7)，步骤(7)判断事故态势是否蔓延，如果是，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)；步骤(8)监控系统启动社区联动服务，转入步骤(9)；步骤(9)判断是否所有出现报警的监测单元中的采集数据最终回落到安全阈值 范围内，若是，则转至步骤(1)继续数据采集；否则，转至步骤(7)，跟踪事故蔓延态势。实现上述方法的系统包括位于施工隧道口附近的一种监控中心、远离施工隧道的 救援指挥中心和位于隧道内的多个监控单元；监控中心负责收集来自监控单元采集的各种类型数据，提供人机交互接口，接收 现场执行器的控制命令，发送到各监控单元中；在事故蔓延，启动社区联动服务的情况下， 监控中心与救援指挥中心实现现场信息实时同步；救援指挥中心负责接收和处理来自监控中心的数据库数据，并提供授权的界面给 不同部门的终端用户，通过移动远程网络，根据同步的现场信息，向监控中心发送控制指 令；各监控单元将隧道划分成相同大小的监控区域，每个监控单元内通过网关节点汇 集该区域内环境量、工程量和人员定位三类数据，上传至监控中心，同时接收来自监控中心 的控制命令和网络配置信息，转发到相应的节点中。本发明克服了以往隧道监控系统存在的问题，具体说明如下一是隧道施工安全防护方法实现了本地安全防护和社区联动服务的有机结合，改 变了原有无线系统“只监不控”的局面，为现场设备(如，PLC)提供基于WIA-PA和移动网络 标准的无线控制以及访问功能。二是监控系统实现了网络化和综合化的隧道监控调度、环境量和工程量监测、以 及人员定位功能，并配合决策支持分析功能，突破以往类似专利中系统分散，信息单一的监 控系统受限问题。三是监控系统的传感网络节点硬件平台上，采用模块化通用接口设计，支持不同传感器任务的实现，通信协议上采用中国的工业无线标准WIA-PA，相比传统ZIGBEE传感网 络，可靠性和实时性上都有大大提高。
图1是一种隧道施工安全防护方法图；图2是用于实施隧道施工安全防护方法的数据关系模型图；
图3是监控系统整体结构图；图4是传感器网络节点通用硬件平台结构具体实施例方式下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便 于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。如图1所示，建立一种隧道施工安全防护方法，在隧道入口附近建立监控中心，在 远离施工隧道位置，以县(区)为最小单位建立救援指挥中心，通过分层的安全防护体系， 保障施工隧道的人员安全，防止事故危险扩散。具体步骤如下步骤(1)无线传感器网络在施工隧道内开始采集数据，不同类型数据按照各自的 刷新周期，上传至监控中心。根据《公路隧道施工技术规范》要求，采集数据类型分为环境 量、工程量和人员定位三类，环境量数据包括温度、湿度、风速、排水沟水位、照明、噪声、甲 烷、一氧化碳、二氧化氮、烟雾、粉尘；工程量数据包括隧道开挖过程中的地表运动加速度和 地表沉降量；人员定位数据指佩戴在隧道内人员身上节点的实时位置坐标。采集数据的刷 新周期，可以根据施工环境自由设定，如表1所示，给出实施例某地铁施工段的环境量和工 程量数据的刷新周期设定情况。步骤(2)判断是否有数据超过设定的安全阈值，如果数据超过，则称该超过安全 阈值的数据为报警数据，进入步骤(3)，否则，转入步骤(1)继续采集。各采集数据均有其安 全阈值，该安全阈值根据隧道施工相关规范和以往类似工程经验，在系统运行前预先确定， 例如，参考《公路隧道施工技术规范》，关宝树主编的《隧道工程施工——要点集》和彭立敏 主编的《交通隧道工程》。如表1所示，给出实施例某地铁施工段的环境量和工程量数据的 安全阈值设定情况。步骤C3)将无线传感器网络中所有类型数据的刷新周期调整至8秒以内，继续采 集数据，对采集的报警数据，进行数据滤波，如果报警数据偏离平均值5% -10%，则发出检 查状态异常点的设备和施工作业情况的通知，并进入步骤(4)，如果报警数据没有偏离平均 值5%-10%，则转至步骤(1)，进行正常数据采集。平均值指报警数据预先设定的一段时间 (如15至20分钟)内的历史数据的平均数。步骤(4)启动安全评估服务，其具体过程为(4. 1)选取最近的一段时间t (t的初始值设为T)的报警数据，绘制报警数据变化 趋势曲线；T为单元时间的大小，由用户根据需求或经验设定，通常为60分钟至120分钟。(4. 2)判断报警数据变化趋势曲线的变化趋势是否明显，即计算时间段t内的数 据的极大-极小值之差与极小值的百分比，如果超过一定幅值(通常取5%至10% )，进入 步骤(5)；否则，进入第(4.3)步；
(4. 3)判断t是否大于等于的预先设定的安全评估时间阈值，如果是，表示不存在 安全隐患，进入步骤(1)，否则令t = t+T，转入步骤(4. 1)；安全评估时间阈值指用于进行 报警数据决策分析预先设定的一段时间，表征安全评估所需要的历史数据的上限，其大小 通常为24小时至72小时。步骤(5)按照数据关系模型，进行相关性计算，得到报警数据对应的报警事件类 型发生的综合概率，进入步骤(6)。相关性计算方法，具体过程如下(5. 1)预先建立所有采集数据的专家规则库。例如，规则可以用“与(AND) ”和“或 (OR) ”关系描述，形如“IF风速<正常值下限AND温度>正常值上限THEN火灾报警”，IF表 示前提，THEN表示结论，本规则可解释为如果风量偏小且温度偏大则可能出现火灾报警。 注意规则中的“正常值上限”、“正常值下限”参考表1中的安全阈值设定，可以根据工程经 验学习和调整。(5. 2)分析规则中包含的前提条件的相关性。以火灾报警为例，前提条件的相关性 定义为，对应导致火灾的结论都有多个前提，如果随着某个前提条件概率增大，火灾报警可 能性增大，则表示该前提与火灾报警结论正相关，反之，表示该前提与结论负相关。按照习 惯，通常将规则表达为正相关的描述方式。各采集数据超过正常值上限(或下限)引起对 应类型报警的概率服从平均分布的原则，分布范围为_100%，定义当前时刻达到上限 (或下限值)，该时刻的采集数据引起对应报警事件的概率为；超过上限(或下限)值 的10%定义为，该时刻的采集数据值将引起对应报警事件出现的概率为100%。(5. 3)按照报警数据类型及其数据关系模型，计算报警数据所对应的报警事件的 综合概率。综合概率的计算中涉及的两条计算规则解释如下关系“与(AND)，，规则，以求取由前提事件a、b引起的事件c发生的综合概率为例 说明(IF a AND b THEN c)
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在于，该方法包括下述 步骤步骤(1)利用无线传感器在施工隧道内开始采集数据，不同类型数据按照各自预先设 定的刷新周期，上传至监控中心；采集数据类型分为环境量、工程量和人员定位三类；步骤(2)判断是否有数据超过预先设定的安全阈值，如果超过，则称该超过安全阈值 的数据为报警数据，进入步骤(3)，否则，转入步骤(1)继续采集；步骤C3)将所有类型数据的刷新周期调整至8秒以内，继续采集数据，对采集的报警数 据，进行数据滤波，如果报警数据偏离其平均值5% _10%，则发出检查状态异常点的设备 和施工作业情况的通知，并进入步骤G)，否则转入步骤(1)； 步骤(4)启动安全评估服务，其具体过程为(4. 1)选取最近的一段时间t的报警数据，绘制报警数据变化趋势曲线，t的初始值设 为T，T为预先设定的单元时间的大小；(4. 2)判断报警数据变化趋势曲线的变化趋势是否明显，如果是进入步骤(5)，否则， 进入步骤(4. 3)；(4. 3)判断t是否大于等于的预先设定的安全评估时间阈值，如果是，表示不存在安全 隐患，进入步骤(1)，否则令t = t+T，转入步骤(4. 1)；步骤( 按照数据关系模型，进行相关性计算，得到报警数据对应的报警事件类型发 生的综合概率，进入步骤(6)；步骤(6)按照报警事件类型的综合概率，查询对应的报警等级，采取相应的防护手段 后，转至步骤(7)，步骤(7)判断事故态势是否蔓延，如果是，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)； 步骤(8)监控系统启动社区联动服务，转入步骤(9)；步骤(9)判断是否所有出现报警的监测单元中的采集数据最终回落到安全阈值范围 内，若是，则转至步骤(1)继续数据采集；否则，转至步骤(7)，跟踪事故蔓延态势。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在 于，步骤(5)包括下述过程(5. 1)预先建立所有采集数据的专家规则库； (5. 2)分析规则中包含的前提条件的相关性；(5. 3)按照报警数据类型及其数据关系模型，计算报警数据所对应的报警事件的综合 概率。
3.根据权利要求2所述的基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在 于，步骤(5.3)中，综合概率的计算中涉及的两条计算规则解释如下关系“与(AND) ”规则，以求取由前提事件a、b引起的事件c发生的综合概率为例说明 (IF a AND b THEN c)Pc = (I-(I-Pa) X (I-Pb)) X 100%上式中Pa、Pb、P。依次为事件a、b、c发生的概率；关系“或(OR) ”规则，以求取由前提事件d、e引起的事件f发生的综合概率为例说明 (IF d OR e THEN f)
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在 于，步骤(7)中，按照下述过程判断事故态势是否蔓延(7. 1)预先将隧道划分成连续的检测单元，所有监测单元进行编号，使每一个监测单元 与其编号一一对应；(7. 2)缩短报警数据所在的及其相邻监测单元的数据刷新周期至8s以内，并开始绘制 实时数据曲线，至60分钟-120分钟结束绘制；(7. 3)采用步骤C3)所述过程，判断报警数据发生点的相邻监测单元是否出现新报警 数据，如果出现，则为事故态势蔓延，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)。
5.一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于，该系统包括位于施工隧道口附 近的一种监控中心、远离施工隧道的救援指挥中心和位于隧道内的多个监控单元；监控中心负责收集来自监控单元采集的各种类型数据，提供人机交互接口，接收现场 执行器的控制命令，发送到各监控单元中；在事故蔓延，启动社区联动服务的情况下，监控 中心与救援指挥中心实现现场信息实时同步；救援指挥中心负责接收和处理来自监控中心的数据库数据，并提供授权的界面给不同 部门的终端用户，通过移动远程网络，根据同步的现场信息，向监控中心发送控制指令；各监控单元将隧道划分成相同大小的监控区域，每个监控单元内通过网关节点汇集该 区域内环境量、工程量和人员定位三类数据，上传至监控中心，同时接收来自监控中心的控 制命令和网络配置信息，转发到相应的节点中。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，监控中心包括决策支持引擎、监控用户平 台和移动服务器；决策支持引擎主要负责数据滤波以及对报警数据进行安全评估，通过与监控用户平台中的数据库接口，读取报警数据，根据预先存储的数据关系模型，进行报警事件类型的综合 概率计算，根据相应的报警等级，将综合概率计算结果以及推荐的安全操作手段，发送给监 控用户平台；监控用户平台主要负责隧道施工监控系统管理员和用户的登录；移动服务器负责建立和维护与指挥中心的通信链路，发送现场采集数据和网络状态属 性到远程移动客户端，同时监听客户端的请求功能，接收远程指挥人员登录信息和隧道现 场节点的控制信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，救援指挥中心包括移动客户端和应急救 援信息共享平台；移动客户端使用移动网络接收来自移动服务的现场信息，同时接收应急救援信息共享 平台的登录信息和控制指令，发送到监控中心的移动服务器；移动客户端是有授权等级控 制的移动服务器接口，保证监控用户平台的数据库信息，经过加密后提供给应急信息共享 平台；应急救援信息共享平台作为实现隧道施工现场统一救援指挥决策以及系统远程控制 的人机交互入口，接收移动客户端加密的现场信息，按照授权等级进行分类后，发送到各个 登录用户，等待接收远程操作指令。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，各监控单元中分别均包括网关节点，数据 采集节点集，定位节点集，控制器节点集；网关节点作为无线传感网络与以太网的数据网关，完成无线报文和以太网协议报文之 间的转换；一方面负责一个监控单元的环境量、工程量和人员定位数据的收集，收集的数据 上传至监控中心；另一方面，将监控中心的控制或配置命令，解析后发送到相应地址的节点 中；数据采集节点集按照预先配置的数据刷新周期，周期性的将环境量和工程量数据发送 到各自监控单元的网关节点中；定位节点集分为两类，定位锚节点和移动节点，定位锚节点存储实际的地理位置信息， 并周期性的寻找进入其射频范围内的移动节点，与其建立连接关系，发送位置坐标信息给 移动节点；移动节点寻找定位锚节点发出的射频信号，接收坐标信息，计算位置结果，并返 回给各自监控单元的网关节点中；控制器节点集接收到网关节点发出的控制命令，控制相应的设备完成动作，并反馈设 备状态回各自监控单元的网关节点中。
全文摘要
本发明属于施工安全监控及无线通信领域，公开了一种基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法及监控系统。方法通过采集环境、工程量和隧道内人员定位数据，实现六类危险情况报警服务及相应的安全防护手段。紧急(危险)事件发生时，调用防护预案对系统关键部分采取防护措施，以保障人身安全为目标，下达控制命令。系统包括基于工业无线通信标准WIA-PA无线传感器网络、定位网络和移动网络。险情如果进一步蔓延，系统通过3G网络与远程的移动服务器交换数据，将社区保障体系纳入施工隧道安全保障系统的范畴，提供社区联动救援和灾情控制服务。本发明用于隧道施工安全监控，计算机或3G移动设备，可以随时获得施工现场信息；WIA-PA无线网络安装灵活，构成的安全保障系统和传感预警网络，为从根本上解决隧道安全施工问题做出贡献。
文档编号E21F11/00GK102042030SQ201010595810
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者周纯杰, 王红卫, 秦元庆, 陈辉, 黄双 申请人:华中科技大学