专利名称：一种隧道施工安全预警管理系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种隧道施工安全预警管理系统。
背景技术：
生产安全的核心是人的安全，隧道施工安全迫切需要利用现代的先进技术实现隧道施工安全的预警。同时，相应地需要对施工设备和人员跟踪定位，全天候对隧道施工人员进行实时、以及远程可视化自动跟踪和管理。因此，对隧道施工安全预警和可视化远程管理的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。隧道施工安全预警管理主要涉及以下三个方面:1.对于隧道围岩形变的量测预警，以预防在隧道的施工过程中，由于地质情况不明或复杂，遭遇形变、断层、裂隙、暗河等不利地质情况，而诱发坍塌、冒顶、透水等地质灾害,避免出现人员伤亡。2.对于隧道内施工人员或施工设备进行实时监测定位，以便于管理人员掌握现场施工人员、设备的分布状况和每个人员和设备的运动轨迹，从而进行更加合理的调度管理以及安全监控管理。3.对于隧道内施工环境进行实时监测，通过对隧道内的气体、水位信息进行实时检测，减小安全事故发生几率，消除安全隐患。现有的隧道施工安全预警管理系统无法全面涉及上述隧道施工安全预警管理的几个主要方面。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种隧道施工安全预警管理系统，能够同时对隧道围岩形变、隧道内施工人员或施工设备和隧道内施工环境进行实时监测与预警，能够减小安全事故发生几率，避免出现人员伤亡，消除安全隐患，同时能够对现场施工人员、设备进行更加合理的调度管理以及安全监控管理。本实用新型采用下述技术方案:一种隧道施工安全预警管理系统，包括围岩形变量测雷达终端，用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息，并通过通讯模块与上位机进行信息传递；施工人员及施工设备实时位置监测系统，包括基于RFID技术的定位识读机和感应器，感应器设置在施工人员和/或施工设备上，定位识读机通过通讯模块与上位机进行信息传递；环境监测终端，用于实时监测隧道内的气体、水位信息，并通过通讯模块与上位机进行信息传递；上位机用于接收围岩形变量测雷达终端、定位识读机和环境监测终端传送的信息，并根据此信息进行分析计算，实现对隧道围岩形变、隧道内施工人员或施工设备和隧道内施工环境进行实时监测与预警。所述的围岩形变量测雷达终端包括依次连接的天线模块、射频模块、信号处理模块和第一通讯模块，射频模块包括第一调制器，第一调制器的信号输出端连接第一镜像抑制混频器的信号输入端，第一镜像抑制混频器的信号输入端还连接本地振荡器的信号输出端，第一镜像抑制混频器的信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接功放的信号输入端，功放的信号输出端连接发射天线，带通滤波器的信号输出端还通过发射信号耦合电路和光耦隔离模块连接第二镜像抑制混频器的信号输入端，第二镜像抑制混频器的信号输入端还连接中频本地振荡器的信号输出端；接收天线的信号输出端连接低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端连接第三镜像抑制混频器的信号输入端，第三镜像抑制混频器的信号输出端通过频率灵敏度控制模块连接中频放大器的信号输入端；中频放大器的信号输出端连接第二调制器的信号输入端；所述的信号处理模块包括数字信号处理器和与数字信号处理器连接的DDR内存，数字信号处理器还与现场可编程门阵列连接，现场可编程门阵列的信号输出端连接射频模块中第一调制器的信号输入端，现场可编程门阵列的信号输入端通过模数转换器连接射频模块中的第二调制器的信号输出端；所述的第一通讯模块连接信号处理模块中数字信号处理器的信号输出端；所述的天线模块包括发射天线和接收天线。所述的天线模块采用微带贴片天线。所述的射频模块为K波段电磁波射频模块。所述的围岩形变量测雷达终端设置在隧道侧拱顶沉降点底部，围岩形变量测雷达终端的天线模块由步进电机控制转动。所述的定位识读机采用连接有第二通讯模块的RFID阅读器，所述的感应器采用有源电子标签。所述的环境监测终端包括连接有第三通讯模块的控制模块，水位传感器的信号输出端连接控制模块的信号输入端，气体传感器的信号输出端通过信号放大电路连接控制模块。所述的第一、第二和第三通讯模块均采用GPRS无线通讯模块。本实用新型利用围岩形变量测雷达终端、施工人员及施工设备实时位置监测系统和环境监测终端，同时对隧道围岩形变、隧道内施工人员或施工设备和隧道内施工环境进行实时监测与预警，能够减小安全事故发生几率，避免出现人员伤亡，消除安全隐患，同时能够对现场施工人员、设备进行更加合理的调度管理以及安全监控管理。
图1为本实用新型的原理框图；图2为围岩形变量测雷达终端的原理框图；图3为环境监测终端的原理框图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型包括围岩形变量测雷达终端、施工人员及施工设备实时位置监测系统、环境监测终端和上位机。形变量测雷达终端用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息，并通过通讯模块与上位机进行信息传递；施工人员及施工设备实时位置监测系统包括基于RFID技术的定位识读机和感应器，感应器设置在施工人员和/或施工设备上，定位识读机对感应器进行无线识别，通过通讯模块与上位机进行信息传递；环境监测终端用于实时监测隧道内的气体、水位信息，并通过通讯模块与上位机进行信息传递；上位机用于接收围岩形变量测雷达终端、定位识读机和环境监测终端传送的信息，并根据此信息进行分析计算，实现对隧道围岩形变、隧道内施工人员或施工设备和隧道内施工环境进行实时监测与预警。如图2所示，所述的围岩形变量测雷达终端包括依次连接的天线模块、射频模块、信号处理模块和第一通讯模块，射频模块可发射K波段的电磁波。射频模块包括第一调制器，第一调制器的信号输出端连接第一镜像抑制混频器的信号输入端，第一镜像抑制混频器的信号输入端还连接本地振荡器的信号输出端，第一镜像抑制混频器的信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接功放的信号输入端，功放的信号输出端连接发射天线，带通滤波器的信号输出端还通过发射信号耦合电路和光耦隔离模块连接第二镜像抑制混频器的信号输入端，第二镜像抑制混频器的信号输入端还连接中频本地振荡器的信号输出端；接收天线的信号输出端连接低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端连接第三镜像抑制混频器的信号输入端，第三镜像抑制混频器的信号输出端通过频率灵敏度控制模块连接中频放大器的信号输入端；中频放大器的信号输出端连接第二调制器的信号输入端；所述的信号处理模块包括数字信号处理器和与数字信号处理器连接的DDR内存，数字信号处理器还与现场可编程门阵列连接，现场可编程门阵列的信号输出端连接射频模块中第一调制器的信号输入端，现场可编程门阵列的信号输入端通过模数转换器连接射频模块中的第二调制器的信号输出端；所述的第一通讯模块连接信号处理模块中数字信号处理器的信号输出端；所述的天线模块可采用微带贴片天线，包括发射天线和接收天线。信号处理模块通过第一解调器产生的振荡信号与本地振荡器产生的振荡信号，在第一镜像抑制混频器作用下生成线性调频信号，再经带通滤波器产生K波段线性调频信号，一路经功放放大后由发射天线发射出去，另一路通过发射信号耦合电路、光耦隔离模块、第二镜像抑制混频器和中频本地振荡器，耦合到第三镜像抑制混频器作为本振信号；K波段线性调频信号遇到目标后发生反射，并由接收天线接收，再通过低噪声放大器放大后送入第三镜像抑制混频器与本振信号进行混频，产生差拍信号，差拍信号经过中频放大器和第二调制器及模数转化器后送入现场可编程门阵列和数字信号处理器进行分析处理。围岩形变量测雷达终端在使用时，通过发射的K波段电磁波来测量被监测点，从而得到监测点的径向速度、其矢量正交的是切向速度、监测点的微小位移(以远离雷达天线的方向为正方向，以监测点设置的位置体现隧道围岩水平收敛位移和拱顶沉降位移的变化)和到雷达终端的距离等信息，并将这些采集到的信息通过GPRS无线传输模块发送至上位机。上位机根据此位移信息进行分析计算，实现隧道围岩形变的量测预警。为了降低系统成本和发射功率，围岩形变量测雷达终端采用调频连续波体制。同脉冲多普勒雷达相比，调频连续波雷达省掉了收发组件，降低了雷达发射信号的峰值功率，从而大大降低了系统成本。连续波雷达的主要缺点是需要分离的收发天线，探测远距离目标时需要很高的收发隔离度，但由于民用雷达的探测距离和探测精度要求都较低，连续波雷达的缺点在围岩探测领域表现的并不明显。围岩形变量测雷达终端采用数字信号处理器和现场可编程门阵列组成的双处理器，通过采用脉冲压缩、谱分析和超分辨算法对围岩位移测量进行仿真，实时监测围岩的距离、X、Y、Z方向位移变化。本实施例中，以24G波段为例，带宽为500MHz，对距离为26.0013米的目标进行测量，信噪比为20dB情况下，经过蒙特卡罗分析得到雷达位移测量精度蒙特卡罗分析图，如图2所示，单次测量精度为±4mm，但经过100次积累平均后精度优于1mm。而在实际围岩测量中，可以通过进行更长时间地测量达到更好的精度。围岩形变量测雷达终端的测量距离可达数百米甚至更远，但基于隧道高度有限，若测量点与架设点距离过远，根据勾股定律，测量所得到的位移精度将变差。所以尽可能地保证测量距离为隧道高度的3-4倍内。围岩形变量测雷达终端架设点选择在侧拱顶沉降点底部，一方面不妨碍正常的隧道通行，一方面保证较好的测量角度。架设好围岩形变量测雷达终端后，通过步进电机控制天线模块转动，可以对隧道断面的各个测量点进行测量，每个测量点的测量时间约为I秒，若测量100米范围(前后各50米)内，每隔2米一个测量点，则对50个测量点测量一次的时间约为50秒。所述的施工人员及施工设备实时位置监测系统中，定位识读机采用连接有第二通讯模块的RFID阅读器，感应器采用有源电子标签。RFID阅读器的主要任务是控制射频模块向有源电子标签发射读取信号，并接收有源电子标签的应答，对有源电子标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到上位机以供处理。有源电子标签主要由标签核心、存储电路、电源电路等构成，嵌入式程序负责完成标签与识读机的通信。RFID阅读器与有源电子标签均为成熟的市场产品，在此不再赘述。第二通讯模块可采用GPRS无线通讯模块。相对于目前应用广泛的条形码技术，RFID技术是一种更新更完善的信息解决方案，具有条形码所不具备的防水、防磁、耐高温、使用寿命长、无需直接接触、无需光学可视、读取距离大、无需人工干预即可完成信息输入和处理，且操作方便快捷等优点。而且，有源电子标签上的数据可以加密，存储数据容量更大，更改自如。如图3所示，所述的环境监测终端包括连接有第三通讯模块的控制模块，水位传感器的信号输出端连接控制模块的信号输入端，气体传感器的信号输出端通过信号放大电路连接控制模块。环境监测终端包括连接有第三通讯模块的控制模块，水位传感器的信号输出端连接控制模块的信号输入端，气体传感器的信号输出端通过信号放大电路连接控制模块还包括电源模块及其他辅助电路，主要是利用气体传感器和水位传感器采集隧道内的环境数据，并利用第三通讯模块将信息发送至上位机。第三通讯模块可采用GPRS无线通讯模块。
权利要求1.一种隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:包括 围岩形变量测雷达终端，用于通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息，并通过通讯模块与上位机进行信息传递； 施工人员及施工设备实时位置监测系统，包括基于RFID技术的定位识读机和感应器，感应器设置在施工人员和/或施工设备上，定位识读机通过通讯模块与上位机进行信息传递； 环境监测终端，用于实时监测隧道内的气体、水位信息，并通过通讯模块与上位机进行信息传递； 上位机用于接收围岩形变量测雷达终端、定位识读机和环境监测终端传送的信息，并根据此信息进行分析计算，实现对隧道围岩形变、隧道内施工人员或施工设备和隧道内施工环境进行实时监测与预警。
2.根据权利要求1所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的围岩形变量测雷达终端包括依次连接的天线模块、射频模块、信号处理模块和第一通讯模块，射频模块包括第一调制器，第一调制器的信号输出端连接第一镜像抑制混频器的信号输入端，第一镜像抑制混频器的信号输入端还连接本地振荡器的信号输出端，第一镜像抑制混频器的信号输出端连接带通滤波器的信号输入端，带通滤波器的信号输出端连接功放的信号输入端，功放的信号输出端连接发射天线，带通滤波器的信号输出端还通过发射信号耦合电路和光耦隔离模块连接第二镜像抑制混频器的信号输入端，第二镜像抑制混频器的信号输入端还连接中频本地振荡器的信号输出端；接收天线的信号输出端连接低噪声放大器的信号输入端，低噪声放大器的信号输出端连接第三镜像抑制混频器的信号输入端，第三镜像抑制混频器的信号输出端通过频率灵敏度控制模块连接中频放大器的信号输入端；中频放大器的信号输出端连接第二调制器的信号输入端；所述的信号处理模块包括数字信号处理器和与数字信号处理器连接的DDR内存，数字信号处理器还与现场可编程门阵列连接，现场可编程门阵列的信号输出端连接射频模块中第一调制器的信号输入端，现场可编程门阵列的信号输入端通过模数转换器连接射频模块中的第二调制器的信号输出端；所述的第一通讯模块连接信号处理模块中数字信号处理器的信号输出端；所述的天线模块包括发射天线和接收天线。
3.根据权利要求2所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的天线模块采用微带贴片天线。
4.根据权利要求3所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的射频模块为K波段电磁波射频模块。
5.根据权利要求4所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的围岩形变量测雷达终端设置在隧道侧拱顶沉降点底部，围岩形变量测雷达终端的天线模块由步进电机控制转动。
6.根据权利要求5所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的定位识读机采用连接有第二通讯模块的RFID阅读器，所述的感应器采用有源电子标签。
7.根据权利要求6所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的环境监测终端包括连接有第三通讯模块的控制模块，水位传感器的信号输出端连接控制模块的信号输入端，气体传感器的信号输出端通过信号放大电路连接控制模块。
8.根据权利要求7所述的隧道施工安全预警管理系统，其特征在于:所述的第一、第二和第三通讯模块 均采用GPRS无线通讯模块。
专利摘要本实用新型公开了一种隧道施工安全预警管理系统，包括通过线性调频连续波测量隧道围岩的微小位移信息的围岩形变量测雷达终端、施工人员及施工设备实时位置监测系统和用于实时监测隧道内的气体、水位信息的环境监测终端。本实用新型能够同时对隧道围岩形变、隧道内施工人员或施工设备和隧道内施工环境进行实时监测与预警，能够减小安全事故发生几率，避免出现人员伤亡，消除安全隐患，同时能够对现场施工人员、设备进行更加合理的调度管理以及安全监控管理。
文档编号E21F17/18GK202991139SQ20122072272
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月25日 优先权日2012年12月25日
发明者郭中堂, 宋书昂 申请人:河南东陆高科实业有限公司