对KJ110型公路隧道施工安全预警系统的应用研究

马宝君

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州730050）

近几年，随着我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，国家进一步加大了基础设施的投资范围和建设力度，交通运输类基础设施的建设表现的更为明显，并且随着前期建设项目的积累，交通运输类建设项目的主力战场更多的向山区等复杂地质地形区域迈进，这其中隧道工程及桥梁工程等结构物占线路的比重随之越来越大，长、大型隧道及隧道群越来越多。在隧道的施工中主要的安全隐患表现在施工冒顶、崩塌、涌水涌泥、瓦斯爆炸等安全事故，而且隧道的空间相对密闭狭小，里面的空气质量直接关系到施工人员的健康和施工的安全，隧道的施工过程不可避免的会产生一些有害气体和粉尘污染，各种施工机械也排放有害气体，有害气体超标会引起中毒、窒息、燃烧甚至爆炸等危险，这些事故给国家和施工企业带来巨大的损失，也给职工和家属带来严重的灾难。本文旨在研究适用于隧道有害气体、二衬与掌子面安全步距及隧道围岩变形的自动化监测并预警技术，通过研究建立可视化界面与动态监测系统，提高对隧道施工人员、设备和工程的安成套全预警保护。

1 研究目的及意义

公路隧道施工环境较为复杂，尤其掌子面施工人员、机械交叉作业，难以确定固定位置安装监测设备，必将导致监测设备与掌子面存在一定距离。为确保施工人员、现场设备和工程的安全，监测隧道施工环境及围岩变形等安全指标有很重要的现实意义。

2 安全预警系统整体设计

2.1 系统组成及设计拓扑图

KJ110型公路隧道施工安全预警系统，采用了目前先进的激光测距、传感器数据采集、无线通信及传输技术完成对在建隧道施工现场的环境监测和预警，并利用电信或者移动4G网络将各个施工现场的监测数据及时传输至相关的机房和管理中心，能实现数据的集中监测和存储，整个系统的构建基于移动互联网，具有大数据处理能力的大型监测预警系统的基本功能。

2.1.1 系统的组成

KJ110型公路隧道施工安全预警系统通过传感自动感知技术，结合网络通讯技术、信号处理与分析、数据挖掘、预测预警技术和决策理论等多个领域的知识，实现公路隧道施工安全预警系统的架构设计，由数据采集、数据传输、数据处理、数据分析和数据浏览模块组成，具体组成图如图1所示。

图1 系统组成图

2.1.2 系统设计拓扑图

公路隧道施工安全预警系统分别采集所辖范围内的传感器数据，然后通过通信系统集中上传至监控中心，最终实现有效数据信息的发布和共享，如图2所示。

图2 公路隧道施工安全预警系统网络拓扑结构

2.2 系统功能

公路隧道施工安全预警系统主要为完成对隧道内的环境（CO、甲烷、粉尘、安全步距等）数据监测，并在所有互联网接入点进行数据分析和监测，其功能可详细表述如下。

1）录入并记录掘进距离，并实时显示；

2）对环境参数（甲烷、CO、粉尘等）及掘进掌子面与二衬工作平台之间的距离等实时情况进行监测；

3）对于环境参数、安全距离等设置预警值，完成实时预警；

4）查询指定时间，掘进距离的环境参数（甲烷、CO、粉尘、安全步距等）的历史曲线；

5）生成环境参数日报表、报警报表、设备故障报表、统计值报表；

6）通过可以连接到互联网的任意一台电脑完成实时监测、预警、数据查询和曲线查询及报表打印。

2.3 系统参数及特点

1）系统采用国际标准数据库，通用网络接口，实现标准化连接；

2）系统能够实时传输、处理、存储和显示监控数据；

4）系统安装维护简洁方便，界面友好，功能丰富；

5）系统网络中可随时随地查看隧道环境监测数据。

2.4 系统供电、数据通讯技术及原理

2.4.1 系统供电

公路隧道施工安全预警系统中涉及的传感器全部使用开关供电，集成在“公路隧道施工安全预警系统采集终端”设备中，输入为220V交流电源。

2.4.2 数据通讯技术介绍

公路隧道施工安全预警系统数据通讯主要采用两种通讯技术，即无线通讯技术和有线通讯方式。有线通讯技术，为保证长距离数据传输，采用光纤通讯；无线通讯方式1，采用ZigBee无线通讯技术，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，用于本论文公路隧道施工安全预警系统数据传输接口与公路隧道施工安全预警系统采集终端的数据传输应用；无线通讯方式2.4G网络通讯下行速率分别达966Mbps和939Mbps，用于将隧道监控室的前端采集数据上传到监测或者监控中心。

2.5 数据存储及处理系统

公路隧道施工安全预警系统数据存储和处理系统主要分为两个部分：

1）公路隧道监测室，监控用计算机所安装的公路隧道施工预警安全监测系统负责处理和将数据存储到本地计算机，并将数据发送到远程监测中心；

广西财经学院的学风问题不是个案，而是新建本科院校的普遍现象。许多学者研究了这个问题。“近些年,新建本科院校在教学实践中不断积极探索学风建设的途径，在学风建设方面作了许多努力……但学风建设的效果并不十分明显”[3],安桂玲、魏彦红调查衡水学院发现，2010年上学期在图书馆借书0本的学生有43.7%，参加学术活动0次的学生有33.7%，并结合其他调查结果得出结论“新建本科院校学风不良”[4]。

2）公路隧道监测中心，监控中心用服务器安装公路隧道施工预警系统服务平台负责将各个隧道的数据处理并存储到监测中心的服务器。

3 综合监控系统及后期应用监测

3.1 系统设计目标

根据我国及甘肃省公路基础设施建设的现状，结合公路隧道现场施工的特性，设计了基于B/S结构的公路隧道施工安全预警系统监测数据处理软件,通过对多传感器实时监测数据进行集中管理，实现对施工隧道环境五位一体（甲烷、CO、粉尘等）及掘进掌子面与二衬工作平台之间的距离监测数据进行处理，最后对得到的处理结果进行统计分析，并做合理的展示，以实现在建隧道施工人员及设备的安全性，提高工程项目烦人建设质量和管理水平。

3.2 系统核心功能模块及框架设计

公路隧道施工安全预警系统服务器选用Windows 2000 Server，公路隧道施工安全预警监测系统中心端（服务端）分为以下部分：

1）公路隧道施工安全预警监测系统数据监控中心：主要完成各个隧道监测数据的接收和分发到各个预警监测系统子模块，并将服务端指令发送到每个隧道；

2）公路隧道施工安全预警监测系统数据同步服务中心：主要完成将各个隧道监测中心的基础参数定义数据和断线历史数据同步到服务器；

3）公路隧道施工安全预警监测系统子模块：主要完成在服务器端预警监测隧道的实时数据、查询历史曲线、数据和报表。

公路隧道施工安全预警系统分为四大模块，分别是监测数据存储与管理模块，监测数据处理模块，监测数据显示与发布模块，监测结果统计及历史数据查询模块组成。公路隧道施工安全预警系统软件框架如图3所示。

图3 公路隧道施工安全预警系统软件框架图

3.3 系统综合监测效果

3.3.1 实时数据监测

公路施工安全预警系统主要功能，是完成对隧道中的CO、甲烷、粉尘、安全步距等数据的实时监测和预警，系统监测界面如图4所示，系统主界面主界面组成主要包括：主菜单、数据处理方法分类菜单、图形显示窗口、数据显示窗口、信息查询窗口及特征统计窗口，相应的数据处理程序在后台已经加载好，只要用鼠标点击即可运行。

图4 公路隧道施工安全预警系统软件框架图

3.3.2 五位一体曲线查询

公路隧道施工安全预警系统，主要完成对施工隧道环境中的环境（CO、甲烷、粉尘）数据和安全步距进行曲线查询，系统界面示意图如图5所示。

图5 公路隧道施工安全预警系统软件五位一体监测界面

该系统界面能实施查询监测点的历史数据曲线和每隔5min的监测数据，为管理及施工人员提供最及时的现场数据信息，并实现超过一定安全阈值的预警，确保施工现场人员和设备的安全。

3.3.3 监测数据日班报表

检测数据日班报表主要完成每天的监测数据进行计算整理，形成一个报表，给管理人员提供数据分析，关于系统界面的示意图如图6所示。

图6 公路隧道施工安全预警系统监测数据日班报表

3.3.4 系统通讯模块

该模块主要完成对KJ110通讯接口设备进行、KJ110型公路隧道施工安全预警系统和远程监测中心的数据服务中心通讯，主界面示意图如图7所示。

图7 公路隧道施工安全预警系统接口通讯信息

3.3.5 公路隧道安全施工预警系统（隧道端）

公路隧道安全施工预警系统（隧道端）主界面示意图如图8所示。

图8 公路隧道安全施工预警系统（隧道端）主界面示意图

3.3.6 公路隧道安全施工预警系统（服务端）

公路隧道安全施工预警系统（服务端）示意图如图9～11所示。

图9 各个隧道子模块的管理子系统示意图

图10 WEB监测主系统示意图

图11 隧道监测WEB子系统示意图

4 结论

KJ110型公路隧道施工安全预警系统目前已在兰州至海口国家高速公路渭源至武都段建设项目东桥隧道、龙泉山隧道、遮阳山隧道进行了安装应用，并建立了监测服务中心，系统稳定运行，为隧道安全施工提供了有力保障。该系统的开发与应用，可以有效减少人员、设备及工程的安全事故，保证国家和人民生命财产安全，提高施工效率，保证高等级公路建设又好又快向前发展。