一種隧道施工安全預警管理系統的製作方法
2023-07-12 19:38:56 2
專利名稱：一種隧道施工安全預警管理系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種隧道施工安全預警管理系統。
背景技術：
生產安全的核心是人的安全，隧道施工安全迫切需要利用現代的先進技術實現隧道施工安全的預警。同時，相應地需要對施工設備和人員跟蹤定位，全天候對隧道施工人員進行實時、以及遠程可視化自動跟蹤和管理。因此，對隧道施工安全預警和可視化遠程管理的研究具有重要的理論意義和實際應用價值。隧道施工安全預警管理主要涉及以下三個方面:1.對於隧道圍巖形變的量測預警，以預防在隧道的施工過程中，由於地質情況不明或複雜，遭遇形變、斷層、裂隙、暗河等不利地質情況，而誘發坍塌、冒頂、透水等地質災害,避免出現人員傷亡。2.對於隧道內施工人員或施工設備進行實時監測定位，以便於管理人員掌握現場施工人員、設備的分布狀況和每個人員和設備的運動軌跡，從而進行更加合理的調度管理以及安全監控管理。3.對於隧道內施工環境進行實時監測，通過對隧道內的氣體、水位信息進行實時檢測，減小安全事故發生機率，消除安全隱患。現有的隧道施工安全預警管理系統無法全面涉及上述隧道施工安全預警管理的幾個主要方面。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種隧道施工安全預警管理系統，能夠同時對隧道圍巖形變、隧道內施工人員或施工設備和隧道內施工環境進行實時監測與預警，能夠減小安全事故發生機率，避免出現人員傷亡，消除安全隱患，同時能夠對現場施工人員、設備進行更加合理的調度管理以及安全監控管理。本實用新型採用下述技術方案:一種隧道施工安全預警管理系統，包括圍巖形變量測雷達終端，用於通過線性調頻連續波測量隧道圍巖的微小位移信息，並通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞；施工人員及施工設備實時位置監測系統，包括基於RFID技術的定位識讀機和感應器，感應器設置在施工人員和/或施工設備上，定位識讀機通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞；環境監測終端，用於實時監測隧道內的氣體、水位信息，並通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞；上位機用於接收圍巖形變量測雷達終端、定位識讀機和環境監測終端傳送的信息，並根據此信息進行分析計算，實現對隧道圍巖形變、隧道內施工人員或施工設備和隧道內施工環境進行實時監測與預警。所述的圍巖形變量測雷達終端包括依次連接的天線模塊、射頻模塊、信號處理模塊和第一通訊模塊，射頻模塊包括第一調製器，第一調製器的信號輸出端連接第一鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第一鏡像抑制混頻器的信號輸入端還連接本地振蕩器的信號輸出端，第一鏡像抑制混頻器的信號輸出端連接帶通濾波器的信號輸入端，帶通濾波器的信號輸出端連接功放的信號輸入端，功放的信號輸出端連接發射天線，帶通濾波器的信號輸出端還通過發射信號耦合電路和光耦隔離模塊連接第二鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第二鏡像抑制混頻器的信號輸入端還連接中頻本地振蕩器的信號輸出端；接收天線的信號輸出端連接低噪聲放大器的信號輸入端，低噪聲放大器的信號輸出端連接第三鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第三鏡像抑制混頻器的信號輸出端通過頻率靈敏度控制模塊連接中頻放大器的信號輸入端；中頻放大器的信號輸出端連接第二調製器的信號輸入端；所述的信號處理模塊包括數位訊號處理器和與數位訊號處理器連接的DDR內存，數位訊號處理器還與現場可編程門陣列連接，現場可編程門陣列的信號輸出端連接射頻模塊中第一調製器的信號輸入端，現場可編程門陣列的信號輸入端通過模數轉換器連接射頻模塊中的第二調製器的信號輸出端；所述的第一通訊模塊連接信號處理模塊中數位訊號處理器的信號輸出端；所述的天線模塊包括發射天線和接收天線。所述的天線模塊採用微帶貼片天線。所述的射頻模塊為K波段電磁波射頻模塊。所述的圍巖形變量測雷達終端設置在隧道側拱頂沉降點底部，圍巖形變量測雷達終端的天線模塊由步進電機控制轉動。所述的定位識讀機採用連接有第二通訊模塊的RFID閱讀器，所述的感應器採用有源電子標籤。所述的環境監測終端包括連接有第三通訊模塊的控制模塊，水位傳感器的信號輸出端連接控制模塊的信號輸入端，氣體傳感器的信號輸出端通過信號放大電路連接控制模塊。所述的第一、第二和第三通訊模塊均採用GPRS無線通訊模塊。本實用新型利用圍巖形變量測雷達終端、施工人員及施工設備實時位置監測系統和環境監測終端，同時對隧道圍巖形變、隧道內施工人員或施工設備和隧道內施工環境進行實時監測與預警，能夠減小安全事故發生機率，避免出現人員傷亡，消除安全隱患，同時能夠對現場施工人員、設備進行更加合理的調度管理以及安全監控管理。
圖1為本實用新型的原理框圖；圖2為圍巖形變量測雷達終端的原理框圖；圖3為環境監測終端的原理框圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括圍巖形變量測雷達終端、施工人員及施工設備實時位置監測系統、環境監測終端和上位機。形變量測雷達終端用於通過線性調頻連續波測量隧道圍巖的微小位移信息，並通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞；施工人員及施工設備實時位置監測系統包括基於RFID技術的定位識讀機和感應器，感應器設置在施工人員和/或施工設備上，定位識讀機對感應器進行無線識別，通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞；環境監測終端用於實時監測隧道內的氣體、水位信息，並通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞；上位機用於接收圍巖形變量測雷達終端、定位識讀機和環境監測終端傳送的信息，並根據此信息進行分析計算，實現對隧道圍巖形變、隧道內施工人員或施工設備和隧道內施工環境進行實時監測與預警。如圖2所示，所述的圍巖形變量測雷達終端包括依次連接的天線模塊、射頻模塊、信號處理模塊和第一通訊模塊，射頻模塊可發射K波段的電磁波。射頻模塊包括第一調製器，第一調製器的信號輸出端連接第一鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第一鏡像抑制混頻器的信號輸入端還連接本地振蕩器的信號輸出端，第一鏡像抑制混頻器的信號輸出端連接帶通濾波器的信號輸入端，帶通濾波器的信號輸出端連接功放的信號輸入端，功放的信號輸出端連接發射天線，帶通濾波器的信號輸出端還通過發射信號耦合電路和光耦隔離模塊連接第二鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第二鏡像抑制混頻器的信號輸入端還連接中頻本地振蕩器的信號輸出端；接收天線的信號輸出端連接低噪聲放大器的信號輸入端，低噪聲放大器的信號輸出端連接第三鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第三鏡像抑制混頻器的信號輸出端通過頻率靈敏度控制模塊連接中頻放大器的信號輸入端；中頻放大器的信號輸出端連接第二調製器的信號輸入端；所述的信號處理模塊包括數位訊號處理器和與數位訊號處理器連接的DDR內存，數位訊號處理器還與現場可編程門陣列連接，現場可編程門陣列的信號輸出端連接射頻模塊中第一調製器的信號輸入端，現場可編程門陣列的信號輸入端通過模數轉換器連接射頻模塊中的第二調製器的信號輸出端；所述的第一通訊模塊連接信號處理模塊中數位訊號處理器的信號輸出端；所述的天線模塊可採用微帶貼片天線，包括發射天線和接收天線。信號處理模塊通過第一解調器產生的振蕩信號與本地振蕩器產生的振蕩信號，在第一鏡像抑制混頻器作用下生成線性調頻信號，再經帶通濾波器產生K波段線性調頻信號，一路經功放放大後由發射天線發射出去，另一路通過發射信號耦合電路、光耦隔離模塊、第二鏡像抑制混頻器和中頻本地振蕩器，耦合到第三鏡像抑制混頻器作為本振信號；K波段線性調頻信號遇到目標後發生反射，並由接收天線接收，再通過低噪聲放大器放大後送入第三鏡像抑制混頻器與本振信號進行混頻，產生差拍信號，差拍信號經過中頻放大器和第二調製器及模數轉化器後送入現場可編程門陣列和數位訊號處理器進行分析處理。圍巖形變量測雷達終端在使用時，通過發射的K波段電磁波來測量被監測點，從而得到監測點的徑向速度、其矢量正交的是切向速度、監測點的微小位移(以遠離雷達天線的方向為正方向，以監測點設置的位置體現隧道圍巖水平收斂位移和拱頂沉降位移的變化)和到雷達終端的距離等信息，並將這些採集到的信息通過GPRS無線傳輸模塊發送至上位機。上位機根據此位移信息進行分析計算，實現隧道圍巖形變的量測預警。為了降低系統成本和發射功率，圍巖形變量測雷達終端採用調頻連續波體制。同脈衝都卜勒雷達相比，調頻連續波雷達省掉了收發組件，降低了雷達發射信號的峰值功率，從而大大降低了系統成本。連續波雷達的主要缺點是需要分離的收發天線，探測遠距離目標時需要很高的收發隔離度，但由於民用雷達的探測距離和探測精度要求都較低，連續波雷達的缺點在圍巖探測領域表現的並不明顯。圍巖形變量測雷達終端採用數位訊號處理器和現場可編程門陣列組成的雙處理器，通過採用脈衝壓縮、譜分析和超分辨算法對圍巖位移測量進行仿真，實時監測圍巖的距離、X、Y、Z方向位移變化。本實施例中，以24G波段為例，帶寬為500MHz，對距離為26.0013米的目標進行測量，信噪比為20dB情況下，經過蒙特卡羅分析得到雷達位移測量精度蒙特卡羅分析圖，如圖2所示，單次測量精度為±4mm，但經過100次積累平均後精度優於1mm。而在實際圍巖測量中，可以通過進行更長時間地測量達到更好的精度。圍巖形變量測雷達終端的測量距離可達數百米甚至更遠，但基於隧道高度有限，若測量點與架設點距離過遠，根據勾股定律，測量所得到的位移精度將變差。所以儘可能地保證測量距離為隧道高度的3-4倍內。圍巖形變量測雷達終端架設點選擇在側拱頂沉降點底部，一方面不妨礙正常的隧道通行，一方面保證較好的測量角度。架設好圍巖形變量測雷達終端後，通過步進電機控制天線模塊轉動，可以對隧道斷面的各個測量點進行測量，每個測量點的測量時間約為I秒，若測量100米範圍(前後各50米)內，每隔2米一個測量點，則對50個測量點測量一次的時間約為50秒。所述的施工人員及施工設備實時位置監測系統中，定位識讀機採用連接有第二通訊模塊的RFID閱讀器，感應器採用有源電子標籤。RFID閱讀器的主要任務是控制射頻模塊向有源電子標籤發射讀取信號，並接收有源電子標籤的應答，對有源電子標籤的對象標識信息進行解碼，將對象標識信息連帶標籤上其它相關信息傳輸到上位機以供處理。有源電子標籤主要由標籤核心、存儲電路、電源電路等構成，嵌入式程序負責完成標籤與識讀機的通信。RFID閱讀器與有源電子標籤均為成熟的市場產品，在此不再贅述。第二通訊模塊可採用GPRS無線通訊模塊。相對於目前應用廣泛的條形碼技術，RFID技術是一種更新更完善的信息解決方案，具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、無需直接接觸、無需光學可視、讀取距離大、無需人工幹預即可完成信息輸入和處理，且操作方便快捷等優點。而且，有源電子標籤上的數據可以加密，存儲數據容量更大，更改自如。如圖3所示，所述的環境監測終端包括連接有第三通訊模塊的控制模塊，水位傳感器的信號輸出端連接控制模塊的信號輸入端，氣體傳感器的信號輸出端通過信號放大電路連接控制模塊。環境監測終端包括連接有第三通訊模塊的控制模塊，水位傳感器的信號輸出端連接控制模塊的信號輸入端，氣體傳感器的信號輸出端通過信號放大電路連接控制模塊還包括電源模塊及其他輔助電路，主要是利用氣體傳感器和水位傳感器採集隧道內的環境數據，並利用第三通訊模塊將信息發送至上位機。第三通訊模塊可採用GPRS無線通訊模塊。
權利要求1.一種隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:包括 圍巖形變量測雷達終端，用於通過線性調頻連續波測量隧道圍巖的微小位移信息，並通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞； 施工人員及施工設備實時位置監測系統，包括基於RFID技術的定位識讀機和感應器，感應器設置在施工人員和/或施工設備上，定位識讀機通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞； 環境監測終端，用於實時監測隧道內的氣體、水位信息，並通過通訊模塊與上位機進行信息傳遞； 上位機用於接收圍巖形變量測雷達終端、定位識讀機和環境監測終端傳送的信息，並根據此信息進行分析計算，實現對隧道圍巖形變、隧道內施工人員或施工設備和隧道內施工環境進行實時監測與預警。
2.根據權利要求1所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的圍巖形變量測雷達終端包括依次連接的天線模塊、射頻模塊、信號處理模塊和第一通訊模塊，射頻模塊包括第一調製器，第一調製器的信號輸出端連接第一鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第一鏡像抑制混頻器的信號輸入端還連接本地振蕩器的信號輸出端，第一鏡像抑制混頻器的信號輸出端連接帶通濾波器的信號輸入端，帶通濾波器的信號輸出端連接功放的信號輸入端，功放的信號輸出端連接發射天線，帶通濾波器的信號輸出端還通過發射信號耦合電路和光耦隔離模塊連接第二鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第二鏡像抑制混頻器的信號輸入端還連接中頻本地振蕩器的信號輸出端；接收天線的信號輸出端連接低噪聲放大器的信號輸入端，低噪聲放大器的信號輸出端連接第三鏡像抑制混頻器的信號輸入端，第三鏡像抑制混頻器的信號輸出端通過頻率靈敏度控制模塊連接中頻放大器的信號輸入端；中頻放大器的信號輸出端連接第二調製器的信號輸入端；所述的信號處理模塊包括數位訊號處理器和與數位訊號處理器連接的DDR內存，數位訊號處理器還與現場可編程門陣列連接，現場可編程門陣列的信號輸出端連接射頻模塊中第一調製器的信號輸入端，現場可編程門陣列的信號輸入端通過模數轉換器連接射頻模塊中的第二調製器的信號輸出端；所述的第一通訊模塊連接信號處理模塊中數位訊號處理器的信號輸出端；所述的天線模塊包括發射天線和接收天線。
3.根據權利要求2所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的天線模塊採用微帶貼片天線。
4.根據權利要求3所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的射頻模塊為K波段電磁波射頻模塊。
5.根據權利要求4所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的圍巖形變量測雷達終端設置在隧道側拱頂沉降點底部，圍巖形變量測雷達終端的天線模塊由步進電機控制轉動。
6.根據權利要求5所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的定位識讀機採用連接有第二通訊模塊的RFID閱讀器，所述的感應器採用有源電子標籤。
7.根據權利要求6所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的環境監測終端包括連接有第三通訊模塊的控制模塊，水位傳感器的信號輸出端連接控制模塊的信號輸入端，氣體傳感器的信號輸出端通過信號放大電路連接控制模塊。
8.根據權利要求7所述的隧道施工安全預警管理系統，其特徵在於:所述的第一、第二和第三通訊模塊 均採用GPRS無線通訊模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種隧道施工安全預警管理系統，包括通過線性調頻連續波測量隧道圍巖的微小位移信息的圍巖形變量測雷達終端、施工人員及施工設備實時位置監測系統和用於實時監測隧道內的氣體、水位信息的環境監測終端。本實用新型能夠同時對隧道圍巖形變、隧道內施工人員或施工設備和隧道內施工環境進行實時監測與預警，能夠減小安全事故發生機率，避免出現人員傷亡，消除安全隱患，同時能夠對現場施工人員、設備進行更加合理的調度管理以及安全監控管理。
文檔編號E21F17/18GK202991139SQ20122072272
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者郭中堂, 宋書昂 申請人:河南東陸高科實業有限公司