一種隧道定位安全管理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，包括若干電子標(biāo)簽和若干參考節(jié)點(diǎn)，若干參考節(jié)點(diǎn)對應(yīng)收發(fā)信息的電子標(biāo)簽，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)通過對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)連接遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)連接中心服務(wù)器，中心服務(wù)器連接遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端和顯示屏，將傳統(tǒng)的現(xiàn)場管理模式推廣到遠(yuǎn)程管理模式，隧道外的管理人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端對作業(yè)人員進(jìn)行考勤和追蹤定位，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)的時(shí)候，管理人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端向隧道內(nèi)的作業(yè)人員下達(dá)報(bào)警信息，從而使施工人員可以迅速離開危險(xiǎn)區(qū)域。
【專利說明】
一種隧道定位安全管理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型隧道人員安全領(lǐng)域，具體涉及一種隧道定位安全管理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全面深入改革不斷取得新的成效，中國的經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了穩(wěn)定的發(fā)展時(shí)期，各種 交通建設(shè)迅速發(fā)展，公路與鐵路建設(shè)的主戰(zhàn)場逐漸擴(kuò)展到地質(zhì)條件較為復(fù)雜的山區(qū)，相應(yīng) 的橋隧建筑也在增加，從而對山區(qū)道路建設(shè)提出了更嚴(yán)的標(biāo)準(zhǔn)。目前，隧道工程普遍存在工 作面廣、施工時(shí)間長、地質(zhì)情況變化莫測等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)不但增加了施工的難度，也會(huì)出 現(xiàn)一些突發(fā)事故，從而導(dǎo)致工程延期，不能按時(shí)完成施工，更嚴(yán)重的是有些突發(fā)事故可能會(huì) 引起人員傷亡，造成巨大的損失。傳統(tǒng)的隧道施工管理技術(shù)暴露出很多問題，不能保證隧道 施工的安全高效，一旦發(fā)生施工事故，如果缺乏對作業(yè)人員位置和遇險(xiǎn)人員的撤退路線的 掌握，救災(zāi)搶險(xiǎn)工作就很難實(shí)施，作業(yè)人員的生命安全也無法得到保障，這給國家和社會(huì)帶 來了巨大的損失。
[0003] 綜上所述，由于隧道自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和隧道建設(shè)項(xiàng)目沒有系統(tǒng)的安全生產(chǎn)管理體 系，從而導(dǎo)致隧道事故不斷發(fā)生。當(dāng)事故發(fā)生后，隧道外的管理人員不能及時(shí)與隧道里的工 作人員即時(shí)通信，不能及時(shí)掌握隧道里工作人員的分布及作業(yè)情況，難以進(jìn)行人員的精準(zhǔn) 定位，從而不能保證事后救援效率。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于克服上述不足，提供一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，能提高 工作人員的管理水平，實(shí)時(shí)了解工作人員的位置和動(dòng)態(tài)，特別是在緊急情況下能夠進(jìn)行快 速營救，對其進(jìn)行精確定位有著十分重要的意義。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型包括若干電子標(biāo)簽和若干參考節(jié)點(diǎn)，若干參考節(jié) 點(diǎn)對應(yīng)收發(fā)信息的電子標(biāo)簽，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)通過對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)連接遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程通訊 網(wǎng)絡(luò)連接中心服務(wù)器，中心服務(wù)器連接遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端和顯示屏。
[0006] 所述網(wǎng)關(guān)采用ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)包括與通用接口連接的數(shù)據(jù)采集模塊和其 他模塊，通用接口連接微處理模塊，微處理模塊連接無線通信模塊，通用接口、微處理模塊 和無線通信模塊連接電源模塊。
[0007] 所述數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其他模塊包括按鍵模塊和LED模 塊。
[0008] 所述微處理模塊包括微控制器和存儲(chǔ)器。
[0009] 所述無線通信模塊包括用于接收電子標(biāo)簽信息的天線和用于發(fā)送信息的ZigBee 射頻模塊。
[0010] 所述網(wǎng)關(guān)通過有線通信與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)連接。
[0011] 所述遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、GPRS、CDMA中的至少一種。
[0012] 所述中心服務(wù)器通過GPRS-DTU模塊與顯示屏連接。
[0013] 所述GPRS-DTU模塊均通過RS232與中心服務(wù)器和顯示屏連接。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型將傳統(tǒng)的現(xiàn)場管理模式推廣到遠(yuǎn)程管理模式，隧道 外的管理人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端對作業(yè)人員進(jìn)行考勤和追蹤定位，當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)的 時(shí)候，管理人員可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端向隧道內(nèi)的作業(yè)人員下達(dá)報(bào)警信息，從而使施 工人員可以迅速離開危險(xiǎn)區(qū)域，本系統(tǒng)能夠使隧道外的管理人員可以根據(jù)LED顯示屏和電 腦終端看到的實(shí)際情況下達(dá)合理的命令，從而減少了管理人員去施工現(xiàn)場的次數(shù)，真正地 實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)作業(yè)人員的遠(yuǎn)程管理，本實(shí)用新型除了用于隧道、礦井等人員定位系統(tǒng)外，還 對車路協(xié)同和車車通信的研究、隧道智能交通的發(fā)展、以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通領(lǐng)域的推廣 也有一定的促進(jìn)作用，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)作業(yè)人員的標(biāo)準(zhǔn)化管理和精細(xì)化管理，有 利于隧道內(nèi)作業(yè)人員信息的集成化、企業(yè)的管控一體化，具有非常高的工程實(shí)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)拓?fù)鋱D；
[0016]圖2為本實(shí)用新型ZigBee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖；
[0017] 圖3為本實(shí)用新型隧道人員定位系統(tǒng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)示意圖；
[0018] 圖4為本實(shí)用新型RSSI實(shí)測值與線性回歸值對比曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0020] 參見圖1和圖2,本實(shí)用新型包括若干電子標(biāo)簽和若干參考節(jié)點(diǎn)，若干參考節(jié)點(diǎn)對 應(yīng)收發(fā)信息的電子標(biāo)簽，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)通過對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)連接遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò) 連接中心服務(wù)器，中心服務(wù)器連接遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端和顯示屏，電子標(biāo)簽作為定位節(jié)點(diǎn)；
[0021] 所述網(wǎng)關(guān)采用ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)包括與通用接口連接的數(shù)據(jù)采集模塊和其 他模塊，通用接口連接微處理模塊，微處理模塊連接無線通信模塊，通用接口、微處理模塊 和無線通信模塊連接電源模塊，數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其他模塊包括 按鍵模塊和LED模塊，微處理模塊包括微控制器和存儲(chǔ)器，無線通信模塊包括用于接收電子 標(biāo)簽信息的天線和用于發(fā)送信息的ZigBee射頻模塊，中心服務(wù)器通過GPRS-DTU模塊與顯示 屏連接，GPRS-DTU模塊均通過RS232與中心服務(wù)器和顯示屏連接。
[0022] 優(yōu)選的，網(wǎng)關(guān)通過有線通信與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)連接，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、 GPRS、CDMA中的至少一種。
[0023]本實(shí)用新型的定位方法包括以下步驟：
[0024]步驟一，采用基于RSSI的隧道人員定位算法，節(jié)點(diǎn)距離d可由無線信道的式1得出，
[0026]其中，P(d)指離發(fā)射端間距為d時(shí)接收端獲得的RSSI值;P(do)指離發(fā)射端間距為do 時(shí)接收端獲得的RSSI值;η表示路徑損耗指數(shù)，它的取值范圍為2~5,通常需要在現(xiàn)場測得； ξ指傳播損耗隨距離增大的速率；
[0027] 在工程建設(shè)中，我們經(jīng)常把式1簡化為式2:
[0028] RSSI=A-10nlgd (2)
[0029] 其中，A表示信號收發(fā)端間距為lm時(shí)接收端獲得的RSSI值，η與式1中的η相同；
[0030] 步驟二，網(wǎng)關(guān)把RSSI值傳輸至計(jì)算機(jī)，然后由計(jì)算出定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，由式2可得， 參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的間距為：
[0032] 步驟三，因變量y與自變量X1，X2，L，xm滿足以下回歸模型：
[0034] 對因變量y和自變量X1，X2，L，Xm之間的關(guān)系進(jìn)行測試，從而得到s組數(shù)據(jù)：
[0035] (xii,xi2,L,xim；yi) ； i = l ,2,L,s
[0036] 步驟四，根據(jù)s組測試數(shù)據(jù)可推測出線性回歸系數(shù)，由多元線性回歸模型式4及s組 測試數(shù)據(jù)可得到下式：
[0038]在式5中，ξχ，ξ2，L，為隨機(jī)變量，是各個(gè)表達(dá)式的殘差，這η次測試的殘差平方和 可表示為：
[0040]在式6中，1?(&()，&1丄，&?)可以度量這s組測試數(shù)據(jù)與回歸函數(shù)之間的擬合程度；
[0041 ] 步驟五，求R(a〇，ai，L，am)的最小值"…,L有：
[0043]為簡化式7,可定義以下矩陣：
[0045] 則5式可簡化為：
[0046] Υ=Χβ+θ (8)
[0047] 式6可簡化為：
[0048] R(P) = (Υ-Χβ)7 (Υ-Χβ) =Υ7 Y-2Y7 Χβ+β7 X7 Χβ (9)
[0049] 在式9中，R(P)對β求導(dǎo)：
[0051 ]由式9及式10可得：
[0052] χ'χβ=χ'γ (11)
[0053] 當(dāng)XI可逆時(shí)，由式11可得：
[0054] β=(Χ/Χ)"1Χ/Υ (12)
[0055] 式12中的β為回歸系數(shù)，令m= 1，則可以得到：
[0057] 令yi = RSSI i，Xi = 1 ogdi，i = l，2,…，s，將計(jì)算得到的Xi值及實(shí)測的RSSI i值帶入式 13,即可得回歸系數(shù)β;
[0058] 步驟六，將得到的Α和η代入式2和式3中，即可求得定位節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)的距離，然 后通過上位機(jī)軟件的算法即可求出該定位節(jié)點(diǎn)在隧道中的位置。
[0059] 參考圖3,隧道全長1800m，分為上行線與下行線。根據(jù)隧道雙向同時(shí)施工的特點(diǎn)， 將整條隧道分為四個(gè)900m區(qū)域，本實(shí)用新型的系統(tǒng)的參考節(jié)點(diǎn)為線性分布，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)， 每隔20m安置一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，每隔100m安置一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，電子標(biāo)簽隨機(jī)分布在具有 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的隧道內(nèi)。
[0060] 本實(shí)用新型的工作原理及工作過程是：隧道內(nèi)的作業(yè)人員佩戴電子標(biāo)簽在隧道內(nèi) 施工，電子標(biāo)簽可以收發(fā)信息，參考節(jié)點(diǎn)將電子標(biāo)簽發(fā)射的信息接收后傳遞給網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn)），網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）通過有線通信方式將作業(yè)人員的信息傳輸給遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)模塊 (以太網(wǎng)、GPRS、CDMA等），遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)模塊（以太網(wǎng)、GPRS、CDMA等)通過數(shù)據(jù)通信接口將作 業(yè)人員的信息傳輸?shù)街行姆?wù)器，遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端與中心服務(wù)器連接，這樣在遠(yuǎn)程監(jiān)控 電腦終端可以查看工作人員的位置和動(dòng)態(tài)，中心服務(wù)器通過GPRS-DTU模塊連接LED顯示屏， 從而使工作人員的位置和動(dòng)態(tài)顯示在LED顯示屏上。
[0061] 隧道外的管理人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端可以遠(yuǎn)程了解到隧道內(nèi)作業(yè)人員的工 作狀況和位置，減少了去隧道現(xiàn)場檢查工作的情況，管理人員可以根據(jù)遠(yuǎn)程了解的情況進(jìn) 行合理的調(diào)度，避免了人力資源浪費(fèi)的情況，當(dāng)管理人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端發(fā)現(xiàn)隧道 內(nèi)有危險(xiǎn)時(shí)，可以使用遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端向作業(yè)人員發(fā)送報(bào)警信息，從而使他們避開危險(xiǎn) 區(qū)域，當(dāng)事故發(fā)生后，管理人員可以根據(jù)電腦終端顯示的作業(yè)人員的位置積極開展針對性 的救援，從而提高了救援效率。
[0062]基于ZigBee的隧道人員安全定位系統(tǒng)可以使管理人員在任意時(shí)刻可動(dòng)態(tài)掌握隧 道內(nèi)作業(yè)人員的工作狀況和位置等信息，并可為后期的統(tǒng)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
[0063]本實(shí)用新型的方法可以隨時(shí)對隧道內(nèi)的作業(yè)人員進(jìn)行定位追蹤，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確 地將隧道內(nèi)各個(gè)區(qū)域人員情況動(dòng)態(tài)反映到洞外的遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端，使管理人員能夠隨時(shí) 掌握隧道內(nèi)人員的總數(shù)及分布情況，以便進(jìn)行更加合理的調(diào)度管理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，包括若干電子標(biāo)簽和若干參考節(jié)點(diǎn)，若干 參考節(jié)點(diǎn)對應(yīng)收發(fā)信息的電子標(biāo)簽，每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)通過對應(yīng)的網(wǎng)關(guān)連接遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn) 程通訊網(wǎng)絡(luò)連接中心服務(wù)器，中心服務(wù)器連接遠(yuǎn)程監(jiān)控電腦終端和顯示屏。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)關(guān)采用 ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)包括與通用接口連接的數(shù)據(jù)采集模塊和其他模塊，通用接口連接 微處理模塊，微處理模塊連接無線通信模塊，通用接口、微處理模塊和無線通信模塊連接電 源豐吳塊。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊 包括傳感器和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，其他模塊包括按鍵模塊和LED模塊。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理模塊包 括微控制器和存儲(chǔ)器。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述無線通信模塊 包括用于接收電子標(biāo)簽信息的天線和用于發(fā)送信息的ZigBee射頻模塊。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述網(wǎng)關(guān)通過有線 通信與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)連接。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò) 包括以太網(wǎng)、GPRS、CDMA中的至少一種。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述中心服務(wù)器通 過GPRS-DTU模塊與顯示屏連接。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種隧道定位安全管理系統(tǒng)，其特征在于，所述GPRS-DTU模塊 均通過RS232與中心服務(wù)器和顯示屏連接。
【文檔編號】G01S5/00GK205643690SQ201620436097
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月12日
【發(fā)明人】王海英, 梁鵬, 阮祺, 邱喜華, 常肖, 呂東源
【申請人】長安大學(xué)