论文部分内容阅读
[摘要]：铁路隧道施工风险因素多，人员安全控制难度大，通过应用以射频、指纹识别为核心，无线网络和GPRS传输为通道，以地理信息、PDA为展示终端平台的人员安全控制技术，对增强铁路隧道工程施工期间人员安全管理，降低施工风险起到了积极作用，收到了较好的实践效果。
[关键词]：铁路 隧道 安全 信息化
中图分类号：F53 文献标识码：F 文章编号：1009-914X（2012）26- 0461 -02
一、引言
“十一五”以来，我国铁路建设向纵深推进，建设项目凸显出“技术先进、分布广泛、地质复杂、管理难度大”的特点，一是为了适应高速铁路运行需要，线路设计广泛“以桥代路”，高程高，曲线半径大，与之相对应的，就是隧道施工比例越来越大，超过10公里以上的长大隧道比比皆是，桥隧比达到70%以上的项目比比皆是，个别隧道甚至达到了30公里以上；二是由于设计周期短和实行初步设计招标，前期地勘工作往往不监控监测能够完全达到设计深度要求，不能完全揭示施工阶段可能面临的地质风险，施工过程中围岩级别发生变更几率较高，必须通过加强超前预报、监控量测等手段予以补充判识，在施工过程中往往发现设计未能揭示的巨大溶腔、顺层地质、软岩变形等地质风险。三是铁路建设规模大，参建单位人员素质、队伍结构都呈现出一些不适应。施工、监理单位普遍缺乏有丰富现场经验尤其是具有应急处理经验的的技术和管理人员，成千上万建设大军分布在祖国大江南北，给隧道施工人员安全管理带来了巨大的压力。
2007年以前，在铁路隧道施工阶段应用信息化技术进行人员安全控制普遍缺乏系统全面的先例，仅在煤矿行业有射频识别、瓦斯监测相关应用，但普遍未进行铁路行业可行性探索和研究。仅在日本新干线观察到类似应用，但引进成本高昂，因此，有必要结合铁路实际，对隧道施工人员安全控制技术进行系统设计和实践。同时，当时国内GPRS、WIFI、射频识别、指纹识别、激光量测等领域出现了一些零星的应用和探索，给本研究提供了一定的理论和实践支持。
二、研究对象和功能需求
隧道施工人员管理涉及的对象主要包括：一是作业人员，通称“架子队”；二是施工单位现场管理和技术人员；三是监理巡视和旁站人员；四是各级各类现场检查人员；五是材料运输、卫生清扫等其他人员。各类人员在隧道留置时间不一，频率不一，部分检查人员往往是在隧道进出口界内外反复移动，因此并不能完全应用一种模式解决所有问题。但共同的特点都表征为人在隧道内外的位移活动。
经过现场调研和分析，完全实现对全隧覆盖控制技术并不复杂，关键在于成本投入太大，因此，具体需求简化为对关键部位、关键节点的控制，包括：
1、能够记录和展现“架子队”、现场监理、施工单位现场管理和技术人员、各级给类检查人员、其他人员在隧道内掌子面、二衬、仰拱施工部位的存在与分布，以便于应急救援定位。
2、能够记录“架子队”、现场监理、施工单位现场管理和技术人员、各级给类检查人员、其他人员在隧道口进出信息，以便进行对应关联，对隧道内人数进行准确掌握。
3、能够记录现场管理和监理人员到岗到位情况，并能实现身份验证，确保属于本人现场作业，并对人员的位置能够在线路平面图上予以反映，以检验和控制现场管理和监理人员到岗履职情况。
4、对软弱围岩段落，能够进行自动监控量测，一旦发现变形异常，应及时予以报警，以便现场及时相应，防止塌方堵门事故发生。
5、能够帮助实现对架子队”、现场监理、施工单位现场管理和技术人员、各级给类检查人员的岗位考勤和劳时统计，辅助劳动安全分析。
基于以上目标，笔者组织有关人员，经过详细市场调查、国内外研究现状、类似应用产品分析，经过开发试验，研究解决了相关技术难题，形成了系统的解决方案，并通过实践验证，证明了方案是可行的，实用的。
三、主要方案描述
（一）、建立了以RFID（射频识别）为核心技术的进出洞和洞内分布管理系统。
1、系统核心硬件架构
（1）射频读写器。以RS232/485/维根方式与上位机通讯，安装简单、操作方便； 最大支持512个信道，使用频道隔离技术，多个设备互不干扰，满足多读写器的同时部署；先进的i-Detector防碰撞技术，最大支持625个/秒的防冲突特性，满足多人同时出入的准确识读；作用距离用户级可控，远程调整识读范围，支持远程控制和在线升级，采用抗干扰和防雷设计，满足工业环境要求； 辅助以信号控制系統，对系统识别信息进行准确反映，员工可以自主管理。
（2）射频识别卡，采用纳瓦级超低功耗设计，使用寿命大于5年，基于基于HDLC协议的时分多址和同步通信机制，能够确保数据离散同步；采用固态封装，电池可更换，满足工业环境要求，工作人员将卡封装于安全帽或者系于皮带上都可实现快速识别；信息传输采用非对称性加/解密，安全级别高。
2、部署规范
（1）部署条件
洞口成型；衬砌深度超过80米； 无微波干扰；硬件和网络条件
满足24小时工作的工控机，需占用一个独立的串口； 超长隧道需具备光纤接口；如不能提供光纤可采用485传输方式，但是有效传输距离需视现场情况而定，一般不超过500米；稳定的直流电源供给。
部署方式
隧道口监控员工出入需要部署两个读写器，安装于支架上。一个部署在隧道口衬砌上，高度为距地面3米处或更高，尽量靠近隧道口，读写器天线倾角为向外60度。另一个安装在隧道口内50米或更远的衬砌上，高度为3米以上，读写器天线倾角为向内60度。临时作业点部署在隧道内衬砌上，高度为距地面2-3米处，视现场情况而定，读写器天线无倾角。掌子面部署在隧道内临近掌子面的初支作业台架下部，高度为距地面3米以上，正对掌子面。标签安装在安全帽内侧顶部；使用相应的胶质材料粘贴。
（二）、建立了基于GPRS传输、移动基站定位、指纹识别技术的智能掌上应用，实现对监理人员和现场管理人员到岗检查。 1、关键技术及实现
根据市场调研，当时市场上的任何一款PDA均无法满足在施工环境下高强度使用需要，同时，现有产品均不完全具备人员安全控制需要的全部工业级功能，只能重新设计开发。
（2）报警控制：采用电子围栏技术，利用GPS进行连续定位和计算，对于特定PDA进入或者离开某个设定区域进行报警。
（3）地理信息系统定位。通過GPS或者基站定位获取经纬度信息后，需要通过特定的地图服务器上进行标注，并基于web方式显示定位。目前利用设计单位提供的AUTOCAD的矢量地图数据，使用中根据矢量地图数据，通过球面算法或者平面算法进行经纬度计算定位。
该设备体积小、携带方便、通用性强、功能强大，可通过网络进行数据传输，满足现场管理需要。
（三）、是实现了围岩自动变形量测，对软弱围岩进行自动量测分析，变形达到预警值时能够自动报警。
在隧道施工期搭建了一套基于IP网络的远程施工围岩位移自动监测系统，系统不但能实时监测重点隧道大变形风险地段的地表下沉、拱顶沉降、周边收敛等，同时有集成隧道应力应变、瓦斯自动监测及分析的功能，并可以进行实时分析和警。
（2）数据采集
现场安装顺序：接收靶、发射装置、采集箱。
1）接收靶安装
2）发射装置
发射装置由激光器、可调安装底座构成，激光器采用平行光点状激光器，有效距离200米，实际使用中测试距离建议不超过100米。可调底座由一个Φ12膨胀螺栓固定在安装点上，可上、下、左、右四个方向调整激光器光斑位置。激光器经由2芯电缆连接至采集箱。
3）采集箱
采集箱中包括数据处理终端、激光控制器、数据采集器及主控设备，完成数据采集控制及数据分析。采集箱采用4个固定孔通过Φ12膨胀螺栓固定在隧道壁上。
4）采集接线
接收靶、发射装置通过航空插座连接至采集箱对应通道。
发射装置与采集箱通道插头连接：发射装置通过三芯插头连接至采集箱中激光控制器。接收靶与采集箱连接：接收靶通过4芯插头连接至采集箱中数据采集器；现场变形量测发射、接收装置采用铁皮保护罩，数据传输线采用PVC管或钢管保护，采集仪使用专用防水保护箱安装，保障系统工作期间不受破坏。
（3）系统特点
测试精度高，测试精度0.3～0.5mm，满足规范的精度（0.5～1mm）要求；人工定时或24小时远程实时采集、分析和预警监测，强大的后台数据实时处理，提高风险管理和工作效率；无人值守监测，减少人员安全事故风险和劳动强度，节约了人力成本；现场安装方便，对施工干扰小；量测工作总体成本较低。
四、 结论
本研究研发的以面向隧道工程施工人员控制为核心的信息化管理模式，建立了人员管理的新模式，强化了建设单位、施工单位、监理单位对施工现场风险预防和过程控制的能力，尤其对施工、监理单位一些惯性、惰性做法起到了威慑作用，从技术层面保障了隧道洞内人员的人身安全，当隧道发生塌方事故后，被掩埋人员携带的识别卡片仍将在一定时间段内对读卡器感应识别，有利于搜救的精确定位；涵盖了参建各方的不同需求，数据相对隔离，受到了施工现场的欢迎，在各地广泛推广使用，起到了很好的应用效果。
参考文献：
[1]欧洲海底隧道的铁路信息系统.铁路综述，1994（2）.
[2]朱合华.数字地下空间与工程.岩石力学与工程学报.2007，26（11）：2278-2279.
[3]周健. 基于GPS/ GIS/ GSM 的公路隧道运营管理系统研究.中国公路学报.2004-7.
[4]焦方晖，赵飞等. 基于Arc GIS Engine的隧道三维信息查询系统的开发. 地下空间与工程学报.2009-12.
[关键词]：铁路 隧道 安全 信息化
中图分类号：F53 文献标识码：F 文章编号：1009-914X（2012）26- 0461 -02
一、引言
“十一五”以来，我国铁路建设向纵深推进，建设项目凸显出“技术先进、分布广泛、地质复杂、管理难度大”的特点，一是为了适应高速铁路运行需要，线路设计广泛“以桥代路”，高程高，曲线半径大，与之相对应的，就是隧道施工比例越来越大，超过10公里以上的长大隧道比比皆是，桥隧比达到70%以上的项目比比皆是，个别隧道甚至达到了30公里以上；二是由于设计周期短和实行初步设计招标，前期地勘工作往往不监控监测能够完全达到设计深度要求，不能完全揭示施工阶段可能面临的地质风险，施工过程中围岩级别发生变更几率较高，必须通过加强超前预报、监控量测等手段予以补充判识，在施工过程中往往发现设计未能揭示的巨大溶腔、顺层地质、软岩变形等地质风险。三是铁路建设规模大，参建单位人员素质、队伍结构都呈现出一些不适应。施工、监理单位普遍缺乏有丰富现场经验尤其是具有应急处理经验的的技术和管理人员，成千上万建设大军分布在祖国大江南北，给隧道施工人员安全管理带来了巨大的压力。
2007年以前，在铁路隧道施工阶段应用信息化技术进行人员安全控制普遍缺乏系统全面的先例，仅在煤矿行业有射频识别、瓦斯监测相关应用，但普遍未进行铁路行业可行性探索和研究。仅在日本新干线观察到类似应用，但引进成本高昂，因此，有必要结合铁路实际，对隧道施工人员安全控制技术进行系统设计和实践。同时，当时国内GPRS、WIFI、射频识别、指纹识别、激光量测等领域出现了一些零星的应用和探索，给本研究提供了一定的理论和实践支持。
二、研究对象和功能需求
隧道施工人员管理涉及的对象主要包括：一是作业人员，通称“架子队”；二是施工单位现场管理和技术人员；三是监理巡视和旁站人员；四是各级各类现场检查人员；五是材料运输、卫生清扫等其他人员。各类人员在隧道留置时间不一，频率不一，部分检查人员往往是在隧道进出口界内外反复移动，因此并不能完全应用一种模式解决所有问题。但共同的特点都表征为人在隧道内外的位移活动。
经过现场调研和分析，完全实现对全隧覆盖控制技术并不复杂，关键在于成本投入太大，因此，具体需求简化为对关键部位、关键节点的控制，包括：
1、能够记录和展现“架子队”、现场监理、施工单位现场管理和技术人员、各级给类检查人员、其他人员在隧道内掌子面、二衬、仰拱施工部位的存在与分布，以便于应急救援定位。
2、能够记录“架子队”、现场监理、施工单位现场管理和技术人员、各级给类检查人员、其他人员在隧道口进出信息，以便进行对应关联，对隧道内人数进行准确掌握。
3、能够记录现场管理和监理人员到岗到位情况，并能实现身份验证，确保属于本人现场作业，并对人员的位置能够在线路平面图上予以反映，以检验和控制现场管理和监理人员到岗履职情况。
4、对软弱围岩段落，能够进行自动监控量测，一旦发现变形异常，应及时予以报警，以便现场及时相应，防止塌方堵门事故发生。
5、能够帮助实现对架子队”、现场监理、施工单位现场管理和技术人员、各级给类检查人员的岗位考勤和劳时统计，辅助劳动安全分析。
基于以上目标，笔者组织有关人员，经过详细市场调查、国内外研究现状、类似应用产品分析，经过开发试验，研究解决了相关技术难题，形成了系统的解决方案，并通过实践验证，证明了方案是可行的，实用的。
三、主要方案描述
（一）、建立了以RFID（射频识别）为核心技术的进出洞和洞内分布管理系统。
1、系统核心硬件架构
（1）射频读写器。以RS232/485/维根方式与上位机通讯，安装简单、操作方便； 最大支持512个信道，使用频道隔离技术，多个设备互不干扰，满足多读写器的同时部署；先进的i-Detector防碰撞技术，最大支持625个/秒的防冲突特性，满足多人同时出入的准确识读；作用距离用户级可控，远程调整识读范围，支持远程控制和在线升级，采用抗干扰和防雷设计，满足工业环境要求； 辅助以信号控制系統，对系统识别信息进行准确反映，员工可以自主管理。
（2）射频识别卡，采用纳瓦级超低功耗设计，使用寿命大于5年，基于基于HDLC协议的时分多址和同步通信机制，能够确保数据离散同步；采用固态封装，电池可更换，满足工业环境要求，工作人员将卡封装于安全帽或者系于皮带上都可实现快速识别；信息传输采用非对称性加/解密，安全级别高。
2、部署规范
（1）部署条件
洞口成型；衬砌深度超过80米； 无微波干扰；硬件和网络条件
满足24小时工作的工控机，需占用一个独立的串口； 超长隧道需具备光纤接口；如不能提供光纤可采用485传输方式，但是有效传输距离需视现场情况而定，一般不超过500米；稳定的直流电源供给。
部署方式
隧道口监控员工出入需要部署两个读写器，安装于支架上。一个部署在隧道口衬砌上，高度为距地面3米处或更高，尽量靠近隧道口，读写器天线倾角为向外60度。另一个安装在隧道口内50米或更远的衬砌上，高度为3米以上，读写器天线倾角为向内60度。临时作业点部署在隧道内衬砌上，高度为距地面2-3米处，视现场情况而定，读写器天线无倾角。掌子面部署在隧道内临近掌子面的初支作业台架下部，高度为距地面3米以上，正对掌子面。标签安装在安全帽内侧顶部；使用相应的胶质材料粘贴。
（二）、建立了基于GPRS传输、移动基站定位、指纹识别技术的智能掌上应用，实现对监理人员和现场管理人员到岗检查。 1、关键技术及实现
根据市场调研，当时市场上的任何一款PDA均无法满足在施工环境下高强度使用需要，同时，现有产品均不完全具备人员安全控制需要的全部工业级功能，只能重新设计开发。
（2）报警控制：采用电子围栏技术，利用GPS进行连续定位和计算，对于特定PDA进入或者离开某个设定区域进行报警。
（3）地理信息系统定位。通過GPS或者基站定位获取经纬度信息后，需要通过特定的地图服务器上进行标注，并基于web方式显示定位。目前利用设计单位提供的AUTOCAD的矢量地图数据，使用中根据矢量地图数据，通过球面算法或者平面算法进行经纬度计算定位。
该设备体积小、携带方便、通用性强、功能强大，可通过网络进行数据传输，满足现场管理需要。
（三）、是实现了围岩自动变形量测，对软弱围岩进行自动量测分析，变形达到预警值时能够自动报警。
在隧道施工期搭建了一套基于IP网络的远程施工围岩位移自动监测系统，系统不但能实时监测重点隧道大变形风险地段的地表下沉、拱顶沉降、周边收敛等，同时有集成隧道应力应变、瓦斯自动监测及分析的功能，并可以进行实时分析和警。
（2）数据采集
现场安装顺序：接收靶、发射装置、采集箱。
1）接收靶安装
2）发射装置
发射装置由激光器、可调安装底座构成，激光器采用平行光点状激光器，有效距离200米，实际使用中测试距离建议不超过100米。可调底座由一个Φ12膨胀螺栓固定在安装点上，可上、下、左、右四个方向调整激光器光斑位置。激光器经由2芯电缆连接至采集箱。
3）采集箱
采集箱中包括数据处理终端、激光控制器、数据采集器及主控设备，完成数据采集控制及数据分析。采集箱采用4个固定孔通过Φ12膨胀螺栓固定在隧道壁上。
4）采集接线
接收靶、发射装置通过航空插座连接至采集箱对应通道。
发射装置与采集箱通道插头连接：发射装置通过三芯插头连接至采集箱中激光控制器。接收靶与采集箱连接：接收靶通过4芯插头连接至采集箱中数据采集器；现场变形量测发射、接收装置采用铁皮保护罩，数据传输线采用PVC管或钢管保护，采集仪使用专用防水保护箱安装，保障系统工作期间不受破坏。
（3）系统特点
测试精度高，测试精度0.3～0.5mm，满足规范的精度（0.5～1mm）要求；人工定时或24小时远程实时采集、分析和预警监测，强大的后台数据实时处理，提高风险管理和工作效率；无人值守监测，减少人员安全事故风险和劳动强度，节约了人力成本；现场安装方便，对施工干扰小；量测工作总体成本较低。
四、 结论
本研究研发的以面向隧道工程施工人员控制为核心的信息化管理模式，建立了人员管理的新模式，强化了建设单位、施工单位、监理单位对施工现场风险预防和过程控制的能力，尤其对施工、监理单位一些惯性、惰性做法起到了威慑作用，从技术层面保障了隧道洞内人员的人身安全，当隧道发生塌方事故后，被掩埋人员携带的识别卡片仍将在一定时间段内对读卡器感应识别，有利于搜救的精确定位；涵盖了参建各方的不同需求，数据相对隔离，受到了施工现场的欢迎，在各地广泛推广使用，起到了很好的应用效果。
参考文献：
[1]欧洲海底隧道的铁路信息系统.铁路综述，1994（2）.
[2]朱合华.数字地下空间与工程.岩石力学与工程学报.2007，26（11）：2278-2279.
[3]周健. 基于GPS/ GIS/ GSM 的公路隧道运营管理系统研究.中国公路学报.2004-7.
[4]焦方晖，赵飞等. 基于Arc GIS Engine的隧道三维信息查询系统的开发. 地下空间与工程学报.2009-12.