基于RFID及ZigBee技术的隧道机电设备运行监测系统*

郭镇江 李智雄 伏冬孝 佘卓明

(云南省交通科学研究院 昆明 650500)

0 引言

随着社会经济的发展，我国的交通基础设施中隧道数量也得到飞速增加[1]。隧道为交通带来方便的同时，也存在着很多安全隐患，其中隧道机电设施在隧道安全保障方面起着关键性的作用，其运行情况是否正常至关重要[2]。因此，保证隧道机电设备运行正常对隧道安全尤为重要。

近年来，国内外学者对隧道机电设备安全作出了大量研究，主要集中于隧道工程监测、隧道机电设备控制管理策略、隧道机电系统运营评价以及隧道安全检测上，如结合张涿高速东马各庄隧道工程实时监测数据库，采用光纤传感技术对其实现了远程实时监测，提高了围岩稳定性时间[3]；提出高速公路长大隧道机电系统联动控制总体框架与技术流程，构建了机电系统联动控制管理方案[4]；针对隧道机电系统运营中的有效度评价问题，建立设备、子系统与整体有效度评价模型，通过实例验证了该方法的有效性[5]；基于公路隧道机电系统设备的数据传输路径及对应使用功能的拓扑结构，提出公路隧道机电系统使用功能运行状态4种实时辨识模型，有效评估了系统的运行风险性[6]；基于ZigBee技术的地铁隧道火灾监测报警系统，实现对隧道火灾的有效监控[7]等。但是，上述研究主要针对隧道工程监测、隧道机电设备控制管理策略、隧道机电系统运营评价上，针对设备运行监测系统的研究较少，且系统与设备可扩展性差、监测精度不高、信息传输不便、信息采集单一、反馈效率不高。

因此，本文建立了基于RFID及ZigBee技术的隧道机电设备运行监测系统。首先，基于系统原理及特点建立了隧道机电设备运行信息架构；然后，构建了以设备层、信息层、网络层、监测服务层为核心的隧道机电设备运行监测系统架构；最后，结合系统架构，实现了面向用户的静态信息及动态信息服务。系统需要将RFID标签集成于各隧道机电设备，采集各机电设备的固有信息及机电设备地址信息，利用ZigBee标签采集机电设备动态运行信息；接着将RFID与ZigBee标签采集的信息通过无线射频传输到路由设备，再由路由设备将设备数据传输到数据库进行数据处理与分析，然后通过无线或串口将数据库处理、分析后的设备数据反馈到用户终端，得到隧道机电设备维护安全信息。

1 设备运行监测需求分析

目前，我国铁路和公路建设基本完善，而高速铁路的建设不断发展[8]。在隧道工程中，隧道分布广泛，很难靠人工对隧道内机电设备进行逐一检测来保证隧道通行安全。为此，对各隧道内机电设备进行系统监测，具有重要的实用价值和意义。

隧道机电设备主要包括照明设备、监控设备、消防设备、供电设备、通风设备等，各设备能否正常工作将直接影响隧道通行安全。但监测信息复杂多样，需要采集设备电流大小是否正常、设备提供的亮度是否正常、设备监控画面是否清晰、设备零部件是否损坏、设备气压是否正常、设备供电电量大小是否正常、电缆是否损坏、设备零部件是否损坏、设备产生的噪声值是否正常、设备周围环境指数等数据。

由于RFID技术实现了免接触式操作，无机械磨损，穿透性好，无需可见光源，耐久性强，可在恶劣的环境下工作，无需与目标接触便可获得数据，支持写入数据，无需重新制作新的标签，且使用了防冲撞技术，能够识别高速运动的物体并可同时识别多个射频卡，但其设备容量小，无自组网能力。而ZigBee技术网络容量大、可靠性高、安全性高、时延短、功耗低、自组网能力强、通讯速度快、抗干扰跳频速度快，但其信号穿透性差。该系统结合RFID与ZigBee技术的优缺点，建立了新的设备信息采集系统，针对隧道结构较为封闭、信号穿透能力较差，利用RFID技术采集隧道内设备信息，能保证采集的信息范围更广、精度更高更可靠，再结合ZigBee技术的自组网远距离信息传输，能够实现信息的时效性及设备的可扩展性，更有利于系统后期的维护与管理。

与传统的隧道机电设备信息监测技术相比，基于RFID及ZigBee技术的隧道机电设备运行监测系统参数监测范围更广、监测精度更高，监测网络灵活、易于扩展，信号传输距离更远、穿透性更强，由于ZigBee固有的数据处理能力，提高了系统数据采集的实时性。

2 设备运行监测系统的建立

基于RFID及ZigBee技术的隧道机电设备运行监测系统是由信息采集模块、数据处理模块、数据存储模块、信息反馈模块及用户终端构成。信息采集模块由集成于隧道机电设备的若干个RFID标签及若干个电流、形变、亮度和噪声等传感器节点组成机电设备信息采集网络，并将监测到的电流、形变量、噪声值等参数由无线网络及若干路由设备传输到系统数据处理模块，通过数据处理模块将监测数据进行分析、处理后传输到数据存储模块进行存储，便于后期调用查询，系统将处理后的监测参数与系统设定参数的比值以及系统监测参数在单位时间内的变化率作为隧道机电设备运行情况依据，如果某设备监测参数高于该设备设定参数且该设备监测参数单位时间内的变化率较大，则产生设备维护报警信号，并将报警信号发送到信息反馈模块，反馈信息主要有需要维护的设备地址、设备维护项目及设备维护等级等信息，其中设备地址提供该设备具体位置信息；设备维护项目包括电流异常、形变异常、亮度异常、噪声异常等内容。设备维护等级包括初级维护，指设备故障轻微，对设备正常运行影响不大；中级维护，指设备故障对设备正常运行影响较大；高级维护，指设备故障对设备运行有严重影响；特级维护，指设备已损坏无法运行。用户可通过用户终端得到系统反馈的设备维护信息，能够及时对隧道机电设备进行维护，确保隧道交通安全。

2.1 设备运行信息流

针对隧道机电设备运行信息监测不便、传统监测技术的可维护性较低、系统可扩展性差的问题，利用RFID设备信号的可穿透性、可读写性及ZigBee设备的自组网性等特点，将隧道机电设备的电流变化、形状变化、光亮度变化及设备噪声值变化等数据信息作为隧道机电设备运行监测系统的指标，构建隧道机电设备运行信息框架，如图1所示。

图1 信息框架

其中，需要采集信息的隧道机电设备主要包括供电设备、消防设备、照明设备、通风设备及监控设备等机电设备。由于供电设备为隧道机电提供电能，供电设备的运行情况能够直接影响其他隧道设备的正常工作，对供电设备监测需要采集的运行信息包括设备周边环境温湿度数据、设备震动数据、设备受力数据、电流及电压变化数据等信息；消防设备监测需要采集设备气压数据、设备形状变化数据等信息；照明设备监测需采集设备周围环境数据、设备电线形变数据、设备用电变化数据、亮度变化数据等信息；通风设备需采集设备通风流量数据、设备通风流速数据、设备变形数据、设备噪声数据、设备周围环境数据等信息；监控设备需采集设备用电数据、设备各部件变形数据、设备周围环境数据、设备拍摄图像清晰度数据等信息。此外，设备监测数据还包括设备的地址信息、固有信息数据，其中设备地址信息指该设备的具体位置信息，如某设备位于某地某隧道第n号某设备；设备固有信息指设备出厂时所设定的数据，如设备生产时间、设备寿命、设备额定工作电流及额定功率等数据信息。

2.2 设备运行监测系统架构

ZigBee具有低功率、低复杂度、高可靠性、低成本、应用简单、电池寿命长、安全及自恢复能力和自组网特点[9]。RFID无线通信设备主要由两个部分构成，RFID标签和RFID阅读器。RFID标签记录设备固有数据信息，并由RFID阅读器识别标签内容，且RFID通信支持数据读写。在此基础上，系统采用若干RFID通信设备、协调器设备、路由设备、数据处理模块、数据存储模块、信息反馈模块及用户终端构成。根据隧道机电设备运行信息框架示意图，构建了基于设备层、信息层、网络层、监测服务层的隧道机电设备运行监测系统架构，见图2。

图2 系统架构

设备层是指需要监测的隧道机电设备，主要由照明设备、通风设备、消防设备、供电设备、监控设备等构成。隧道照明设备包括LED隧道灯、高压钠灯、U形槽嵌入式壁灯、吸顶灯以及投光灯等照明灯具；隧道通风设备包括隧道通风管、鼓风机、轴流风机等机械设备；隧道消防设备包括火灾探测器、火灾报警器、灭火器、消火栓、加压设施、供水设施等消防机械；隧道供电设备包括配电箱、集成电路板等电器设备；隧道监控设备包括摄像头、车辆检测器、风向风速检测器等监控装置；同时将各设备都进行编号，便于检测数据的分类存储及监测服务的有序查询。

信息层将采集到的设备层各设备运行信息通过数据处理器分析、处理后存入数据库中，同时生成实时设备数据日志，便于后期用户的查询与调用。数据库分为固有数据、形状变化数据、电流变化数据、噪声变化数据、亮度变化数据等信息模块。固有数据信息模块存储隧道机电设备固有信息，包括设备地址、设备生产时间、设备寿命、设备工作环境、设备工作电流及功率等相关信息；形状变化数据信息模块存储形变传感器检测到的各设备形状变化数据；电流变化数据信息模块存储电流传感器检测到的各设备电流变化数据；噪声变化数据信息模块存储噪声传感器检测到的通风设备声值变化数据；亮度变化数据信息模块存储亮度传感器检测到的照明设备亮度变化数据。

首先在数据处理器中定义设备各信息处理规则：接收到的设备信息数据与设备该类型固有信息数据相差5%～20%时，判定设备维护等级为初级；相差21%～45%时，判定设备维护等级为中级；相差46%～70%时，判定设备维护等级为高级；相差71%以上时，判定设备维护等级为特级。数据处理器在接收到设备各类型信息时会调取数据库中固有数据信息模块的对应设备数据进行比较。

式中，△表示接收到的设备信息数据与设备该类型固有信息数据的差值，X表示设备固有信息数据，Y表示接收到的设备信息数据。

以噪声变化数据为例，设定设备噪声允许值为20 dB，若数据处理器接收到的设备噪声值为25 dB时，△为25%，则判定设备维护等级为中级。

网络层连接信息层与监测服务层，主要有信息识别、信息整理、信息格式转换、信息传输等工作，将信息层监测到的数据利用有效方式从信息层经无线网络及若干中间节点传输到监测服务层。通过互联网或数据接口将隧道机电设备运行监测系统服务器与用户设备连接，用户设备包括电脑、移动设备等终端设备。同时建立与隧道机电设备运行监测系统对接的集成交互服务平台，如服务网页、应用服务程序、服务APP等，为用户提供方便的访问与信息查询渠道，用户可以通过交互服务平台调取、查询相应设备运行数据信息，实现数据实时共享。

监测服务层用于用户与设备运行数据库间的连接，向用户提供良好的操作及可视化体验。用户可通过APP、服务网页、移动设备客户端等方式得到某处隧道的机电设备运行信息，系统也可以向相关交通人员、维修人员、驾驶人员等提供实时服务，服务内容包括静态信息查询及动态信息反馈。

3 设备运行监测服务

在隧道机电设备运行监测系统架构的基础上，提供了隧道机电设备运行监测服务体系，服务方法如图3所示。当服务系统接收到用户指令时，系统会根据用户指令的关键字进行语义相似度分析[10]，判断用户指令类型属于静态信息查询还是动态信息反馈，向用户提供相应服务。静态信息是指用户通过服务平台对过去监测的数据进行查询、调用，动态信息是指系统实时反馈的设备维护信息，包括需要维护的设备地址、设备维护项目及设备维护等级等信息。用户输入指令时，若判断用户指令不够明确，如用户需要查询某一地方某一隧道中某一时间段的照明设备运行信息，用户只输入照明设备指令，则系统会判断用户指令不够明确，并会通过系统交互界面向用户提示输入错误，请重新输入指令。

图3 信息服务流程

3.1 静态信息服务

隧道机电设备运行信息静态服务是指根据用户指令提供相应设备信息查询的服务。以相关交通人员查询服务为例，根据隧道机电设备运行信息服务流程，用户可通过明确的用户指令向系统查询任一隧道中任一设备在某时间点的运行数据，设备运行数据以日志的形式存储于数据库，方便用户调用与查看，用户也能通过不同时间点某一设备的运行数据对比来预判设备的运行情况。数据库存储的大量数据也能够为数据分析师提供数据依据，从而分析、判断隧道机电设备运行影响的相关性因素。

3.2 动态信息服务

隧道机电设备运行信息动态服务是向用户实时反馈设备需维护的状态信息，包括需要维护的设备地址、设备维护项目及设备维护等级等信息。维修人员能够从服务系统得到需要进行维护的设备情况，如某地某隧道某设备第n号需进行中级维护。若遇到设备维护等级为特级，影响交通正常通行的情况时，相关交通人员也能够提前做好该隧道位置的交通安全布置，避免发生交通事故。同时，若相关维护人员未及时对该设备进行相应维护，系统会不间断给出报警提示。

4 结语

为了解决传统隧道机电设备运行监测困难、信息采集单一、可扩展性差、信息传输不便、反馈效率低等问题，构建了基于RFID及ZigBee技术的隧道机电设备运行监测系统架构，并结合系统架构，对面向用户的静态信息及动态信息服务模式作出了研究。系统及服务模式能为用户提供实时设备运行信息查询，对需要进行维护的设备作出实时预警，并向用户反馈需要进行维护设备的地址、维护项目及维护等级等信息，同时设备运行数据也能为交通相关部门提供参考，避免隧道交通事故。研究结果对其他领域的信息监测方法也具有一定的参考价值。