智慧安全管理系统在盾构隧道的应用

智慧安全管理系统在盾构隧道的应用

于海东

中交隧道工程局有限公司，北京100088

摘要：为解决地面交通问题，利用地下空间已成为首选方案。随着公路隧道的数量和建筑规模越来越大，隧道内的管理难题也越来越多。如何利用定位技术加强隧道人员安全管理，提升项目安全管控能力，是隧道安全建设亟待解决的重要问题。本项目利用隧道智慧安全管理系统，达到了隧道内作业人员与运输车辆精准定位的安全管理要求。

关键词：预警，应急，精准定位，安全管理

Application of Intelligent Safety Management System in Shield Tunnels

YU Hai-dong

（CCCC Tunnel Engineering Company Limited, Beijing 100088, China）

Abstract:In order to solve the problem of ground transportation, the use of underground space has become the preferred option. As the number of road tunnels and the scale of construction increases, so do the management challenges within the tunnels. How to use positioning technology to strengthen the safety management of tunnel personnel and improve the safety management and control ability of the project is an important problem to be solved urgently in tunnel safety construction. This project uses the tunnel intelligent safety management system to meet the safety management requirements of accurate positioning of operators and transport vehicles in the tunnel.

Keywords: early warning, emergency response, precise positioning, security management

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1引言

随着隧道施工项目增多，隧道内安全成为项目安全管理的重中之重，而盾构法施工还未形成标准化的安全管理流程，面对充满安全隐患的施工环境，可以通过人员定位系统，实现隧道内作业人员和水平运输车辆实时定位、SOS紧急求助、电子围栏预警等功能，让人员管理与安全保障更加高效。

2工程概况

东六环入地改造工程，盾构隧道长度7.4km，80km/h为本隧道设计车速。项目地处副中心核心，下穿众多道路、铁路、河流及地下管线，风险评估III级以上风险源共计115处。

为有效推进工程精细化、标准化、信息化建设，项目部经过调研与分析，提出了“基于BIM和WBS的精细化项目管理信息化系统”，旨在探索解决大盾构超大体量工程管理难题。

3项目管理痛点

盾构隧道是埋置于地层内的工程建筑物，隧道内可通行车道窄，危险系数高，无法实时掌握隧道的情况。隧道基建施工中管理不足，施工和管理面临着种种难题：

1）员工管理：通过入口处的闸机对进出人员进行统计，通过摄像头查看掌子面附近的实时操作；隧道内人员的实际位置不能准确掌握，现场监护也存在不到位的情况。

2）应急管理：当发生突发事件时，人员只能通过应急电话呼救；预警通过传统的广播形式，一旦出现突发状况，无法第一时间获取人员位置，错过最佳营救时间。

3）考勤管理：现有的考勤系统应用繁琐，经常出现漏项和错项，准确性、高效性均达不到统计目的。

4）危险作业管理：隧道内可通行车道窄，错车困难，人员车辆众多，危险系数高，无法实时掌握隧道内施工人员的工作状态、车辆位置及进出情况。

4市场调研

为了实现隧道施工人员和车辆的安全管控，本项目对定位市场进行了调研，由于定位系统的整体精度决定了管控的准确性和时效性，同时也决定了可视化的真实性，因此，选择一款精度高又易于实现的定位系统尤为重要。为此，项目部从多个方向进行了详细的调研，包扣定位技术的精度、覆盖范围、可靠性、造价、复杂度、响应时间、传输速率、发射功率、穿透能力等方面。

基于隧道项目的种种管理痛点，包括员工管理、应急管理、车辆管理和危险作业管理等情况，项目部将隧道管理痛点和市场的定位技术相结合，对市场的Wi-Fi技术、射频识别技术和定位技术进行了详细的调研和分析，具体情况如下：

4.1Wi-Fi技术

通过在区域内部安装无线基站，结合Wi-Fi设备的信号特征和基站的布局，来综合确定Wi-Fi设备的位置坐标，这就是Wi-Fi定位的原理。由于Wi-Fi安全性差、功耗高，频谱资源已接近饱和，长期携带终端设备、在隧道内大规模应用都是不利的。

4.2射频识别技术

射频识别技术是，通过无线激发近距离无线标签，利用电磁感应原理，完成信息读取。识别距离区间可以从几厘米到十几米不等。RFID定位应用还没有标准的网络体系，因此，网络建立成本和难度较大。

4.3UWB技术

在隧道内，需要对人员的运动轨迹进行实时的监管以达到身份识别、险情监控、过程透明的目的。经过多轮讨论后发现，UWB 定位技术对于隧道施工的应用前景较好,最终确定使用UWB定位技术来实现人员车辆的安全管控。

隧道人员定位系统在使用UWB技术后，具有以下几个优点：

1）系统简单、成本低

UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，因此，UWB允许采用非常低廉的宽带发射器。

2）数据传输快

UWB 以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。

3）定位精确高

定位精度高是冲激脉冲的显著优点，利用超宽带无线电通信，将定位与通信结合使用。超强的穿透能力也是超宽带无线电一大特性；UWB与GPS不同，它提供的并不是绝对地理位置，UWB的精度可达厘米级。

4）功耗低、耐用

超宽频（UWB）系统通过极短的脉冲传输数据，通常在0. 20NS到1. 5NS之间，具有很低的占空比，可以实现系统的低耗能。系统的耗电量从几百μW到几十mW不等。因此，相对于传统无线设备，UWB 定位设备在电池续航能立、电磁辐射上等方面都具有极大的优越性。

5）可用性可靠性高

UWB高精度定位系统结构简单、定位精度高，稳定可靠、适用于室内、室外等各种工作场景，在国际和国内市场均有大量的实际工程应用。

6）安装调试简单

不需要太多的培训精力，工程师能迅速掌握基本技能，可满足该系统的安装调试工作。

7）通信协议简洁

该系统与上层应用系统的数据通信协议简单，测距数据信息读取方便。目前UWB精度可以控制在厘米级。新的应用领域将不断出现UWB定位技术，高精度定位技术的应用也在智慧隧道项目方面会越来越多。

5项目方案

经过市场调研、技术对比、技术分析、结合此次盾构隧道项目施工及管理的痛点，决定采用UWB定位解决方案，通过在施工区域部署UWB定位基站，同时运用东六环隧道智慧安全管理平台，对人员、车辆进行实时精准定位。实现了复杂工作环境下智能化的人员和车辆的安全管理，优化施工运行，助力盾构隧道施工及管理可知、可视、可溯、可控的安全防控体系，有效解决了施工管理的难点，推进隧道智慧化和安全化并行建设。

UWB高精度定位系统主要由硬件，定位引擎软件，API接口构成。通过精确测量无线脉冲在空间中的传播时间，测量标签与基站之间的绝对距离，可达到最高10cm级定位精度，实现对隧道内员工的精准定位，借助开放的定位引擎API接口、多种传感器数据实时回传、位置大数据平台，实现轨迹追踪、区域报警、大数据分析等多种应用功能，可解决隧道施工复杂环境下的人员、车辆安全管控等问题。

5.1UWB定位技术简介

目前，UWB定位模式主要分为三种：TOF、TDOA、AOA定位技术和这三种技术的混合技术。

TOA 采用了圆周定位，它是通过分别测量移动终端与三个或更多基站之间信号的传播时间来定位。

应用TDOA定位技术的前提是有配套的时间同步系统。基站在接收到标签发的广播报文后，将报文标记上一个时间戳，将内容发送到计算服务器，计算服务器根据其他基站的定位报文的时间戳，计算出被定为目标的位置。

AOA 定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度，因此不能单用AOA定位，单用 AOA 定位就会出现基站距离增加，定位精度持续变差。

5.2系统功能

1）复杂环境下的实时定位

结合UWB高精准定位技术和东六环隧道智慧安全管理平台，实时精准获取洞内作业人员精准位置，准确统计洞内作业人员数量。根据区域、班组等不同条件查询清晰确定出一个或多人的实际位置、活动轨迹、身份信息；在实时位置中，可显示车辆的实时方向，并统计隧道内车辆总数、正在进洞/出洞的车辆数；盾构隧道分部分统计人员密度，分图层显示。实现了人员和车辆工作安全可控、数据可视化呈现等，安全施工及管控能力大幅提升。

2）动态电子围栏

所有车辆自动生成动态电子围栏，当人与车，车与车之间距离小于设置阈值时，触发防撞告警，系统将对人员和车辆进行告警提示。人员佩戴的定位标签振动，快速提醒指定人员或所有人员，辅助广播达到精准预警功能。“车与车”和“人与车”之间的预警距离可单独设置。

3）车辆密度告警

安全管理人员根据洞口方向判断车辆方向，实时查看隧道内车辆进出情况。当隧道内车辆密度、进洞车辆密度、出洞车辆密度达到一定阈值时有报警提示，对正在隧道内、准备进洞的司机标签下发告警。方便安全管理人员对车辆秩序进行统一管理安排。

4）SOS一键救援

当遇到紧急情况时，工作人员可通过定位标签上的SOS按键进行快速求救，系统自动确定告警区域的人员位置，从而实现救援力量就近调度与快速响应，最大可能避免意外事故的发生。沃旭通讯智能手表腕带标签，除了实时定位外，还可监控人员生命体征，进一步提升人员的安全监测管理。

5）人员高效管理

将UWB定位系统与隧道出入管理系统融合，实时统计洞内人数，掌子面人数，二衬人数等，达到精确的考勤统计，减免人工统计的工作量，提升数据准确度。针对人员到岗到位无法有效监督和统计的问题，系统可通过定位标签精确记录工作人员出入工作区域时间，实现人员的自动化考勤点名与工时统计，全面记录员工工作状况，方便管理人员查询与管理。系统支持建立并导出信息报表，如出勤、工时、缺勤报表等，实现工作效率的提升。

5.3设备部署

根据需要覆盖的隧道区域，结合图纸和现场勘查，项目部输出一份布点方案图。方案经过多方审核通过后进入施工阶段，并将基站按照设计方案安装到指定位置，安装实物图如下：

6结论

利用物联网技术预知、防范、杜绝安全事故的发生是隧道安全管理的趋势所向，此次东六环项目，通过运用UWB定位系统，建立“位置信息+区域预警+数据统计+险情救援”为一体的东六环隧道智慧安全管理平台，实现了对员工和车辆的精准定位和管理，显著提升了隧道的安全施工及高效管理能力。未来，我们将继续为隧道项目逐步形成“规范化、可视化、透明化、智能化”的建设贡献自己的力量，实现其安全、高效运行。

参考文献

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