0 引言

随着国家经济的迅猛发展以及城市人口的快速增多，为了满足大型及特大型城市之间的交通需求、改善城市人员交通及各种管线布设需求，大量修建各种隧道 (铁路隧道、公路隧道、地铁隧道、水利隧道及综合管廊等) 成为了必然选择，为隧道工程在我国的大发展提供了机遇与挑战。

由于隧道工程相比其他工程受外界环境影响更大，对于技术及管理水平要求更高，加上我国对隧道工程施工风险管理研究时间短，技术手段较为落后，应用尚未成熟，存在着较多的问题，造成了隧道工程建设中事故频发的现状。

建立隧道施工人员行为监控，建立隧道内、外沟通联络机制，建立隧道安全预警系统是避免事故发生的有效手段。有效的隧道工程安全管控是加强隧道施工安全水平的前提条件。开发一套基于隧道人员定位技术的智能安全管控平台对隧道施工安全意义重大。

对于隧道施工安全管控而言，人员及设备的定位与不安全行为监控信息是基础，常见的有限空间内 (隧道) 定位技术可大致分为Zi Bee、RFID、超声波、超宽带技术等。针对以上技术原理，国内外学者先后提出了对应的技术解决方案。经过几十年的发展和改进，各国学者根据各种技术其自身的可靠性、使用成本及定位精度的高低，细分出不同的应用领域与应用场景。

红外及超声波技术在应用中容易受到环境阻隔和干扰，易发生能量损耗，而超宽带技术花费相对较高。射频识别技术定位精度适中，且造价较低，用在隧道定位系统中较为适合。其中，ZigBee技术因其构造简单、系统功耗小，尤其适用于隧道定位系统，将是射频定位技术的研究和发展方向。

中建云隧道智能管控系统，可实现人、机、料的精确定位，终端兼语音、视频通信，自定义规则上、下行报警，施工环境动态监测等功能。通过这些功能的组合形成一种智能、高效的隧道工程智能管控系统。

定位系统由移动待定位节点、固定锚节点和定位服务器等网元构成，采用网络侧定位的方式进行移动节点定位。不管是采用三边定位法、三角定位法，还是采用双曲线定位法，都需要估计待测点到参考点的距离。

网络中已知固定锚节点A_i的位置坐标为 (X_i, Y_i, Z_i) ，根据采样数据进行RSSI测距，依据接收信号在传播过程中衰减的程度与距离的关系来判断信号到每个固定锚点的传播距离。

式中:d为计算所得距离;RSSI为接收信号强度 (负值) ;A为发射端和接收端相隔1m时的信号强度，取60dbm;n为环境衰减因子，取2.0;N个参考节点的位置和距离信息{ (x₁, y₁, z₁, d₁) ，…， (x_N, y_N, z_N, d_N) }。

通过加权质心算法计算待定位节点的粗略估计位置 (X₀, Y₀, Z₀) ，待定位节点以所有在其通信范围内固定锚节点的几何质心作为估计位置。

每个参考锚节点的权重计算公式如下:W_i= (1/d_i) / (1/d₁+1/d₂+…+1/d_N) 。根据上述公式，得到N个参考锚节点的位置和权重信息为{ (x₁, y₁, z₁, W₁) ，…， (x_n, y_n, z_n, W_N) }。

通过对参考锚节点进行加权求几何质心，求出待定位节点的估计位置为:

对粗定位结果进行高斯滤波 (或者其他滤波算法) ，高斯滤波中以三维质心为数学期望ε，选择合适的δ对粗定位结果进行过滤，对滤波后的定位结果求质心，得到稳态精确定位结果。粗定位结果组X{ (x₁, y₁, z₁) , (x₂, y₂, z₂) ，…， (x_K, y_K, z_K) }，K表示粗定位结果处理窗的大小，一般设置为3～5。

计算各个粗定位结果组中各点与质心之间的欧式距离组D{d₀₁, d₀₂，…，d_0K，}，评估欧式距离的期望和方差，则期望可以表示成E (d) =d₁+d₂+…+d_K/K，方差用来度量粗定位结果与期望之间的偏离程度，可以表示成D (d) =E (d ²) -[E (d) ]²。

选择合适的方差门限值δ，对粗定位结果进行滤除，并对滤除后的定位结果再次求质心，得到稳态精确定位结果。

综合控制器是系统中数据汇聚和转发的部件，将智慧线上的报警、定位、语音等数据集中到一起，之后经由以太网通道发送到上层的控制中心，同时也接收来自上层的控制、通信等数据，转发给各端口智慧线节点，每个端口配备独立的电源控制电路和通信电路。

综合控制器主要由AC-DC电源模块、AP模块、EOC模块、显示模块、智慧线接口电路、以太网接口电路等功能模块组成，如图1, 2所示。

架构方案采用设备监控技术、物联通讯技术、智能终端技术、数据挖掘技术、智能报表技术、数据仓库技术等，可将复杂的业务流程，包括智能监控、管网运行、设备维修、应急作业、运维调度、隐患管理等业务流程统一整合。另外，该方案完善了数据集成与智慧决策系统，包括大量、多种数据集成，保证数据的完整性及各系统之间的数据关联性，利用专家库实现知识挖掘，实现智慧决策。分层级的布设监控系统对系统的开放性和扩展性要求很高，要求系统架构与监测设备可灵活配置、外围系统接口可灵活添加及修改、功能模块可灵活添加、网络层级可延伸扩展等。

架构方案主体分为5层:接口管控层、数据中心层、服务支撑层、应用层及交互层。

接口管控层向下对接各专业弱电子系统，采集各类数据并进行远程控制;横向对接隧道管理单位监测系统，采集管线监测数据并提供隧道运行数据。同时，接口管控层对接口质量进行监控，如有异常及时报警。数据中心层实现对各类运行数据的分域集中存储、数据后处理与大数据分析服务。服务支撑层提供6大基础服务，包括组织权限与日志管理、工作流引擎、报表引擎、融合通信服务、知识库，以及3D GIS基础运行平台。交互层提供WEB/APP/大屏/VR/AR等5类交互界面，对应提供移动APP应用，大屏展示交互系统，VR体验应用，以及手机AR体验应用。应用层提供6大子系统，包括运行监控、应急指挥调度、运维管理、服务管理、经营管理、统计分析等。系统各层布置如图3所示。

系统基于权限控制提供相应的软件功能，服务于隧道建设单位、隧道管理单位和上级主管单位等3类用户。接口管控层支持基于Modbus/OPC/SOCKET/API等接口方式接入弱电子系统/SCADA系统，支持基于RESTful/SOCKET/MQ/DB/API等接口方式实现隧道管理单位监控系统接口。数据中心层实现对隧道内各类运行数据的集中建模、存储和加工处理以及数据质量管控，服务于各个应用子系统;采用SQL技术和NOSQL技术分别保存事务型数据与历史运行数据，并为大数据分析应用提供数据基础。系统服务支撑及应用层技术架构采用J2EE作为主体架构，基于SPRINGCLOUD微服务架构开发运行，采用DOCKER容器架构实现程序部署，支持DEVOPS敏捷开发模式。上层应用采用纯浏览器界面，基于WEB JS进行开发，便于应用部署维护。

中建云隧道智能管控系统应用工程为某单位地下管线更新改造项目，小区红线内地下管沟更新改造1 282m，隧道采用暗挖法施工。综合管沟内设置路灯线路、监控线路、燃气管道、弱电预留管道、热力一次线、热力二次线、给水管道、雨水管道、污水管道等管线。安装工程包括强电、通风、消防电、弱电、强弱电支架和套管、热力综合管道等市政配套管线设施。

在项目建设阶段，为了加强参与建设的单位、人员和设备的管理，特别是在隧道内施工人员、材料、设备的精准定位，廊内告警与事故实时响应，无死角的通信保障等方面提高安全管控智能化、自动化、网络化水平，在该项目部署了中建云智能管控系统，并取得了良好的效果。

按照隧道文明施工标准，智慧线安装在隧道内右侧，通过膨胀螺栓、自攻螺栓、离墙码固定。安装过程中应注意以下方面。

1) 隧道拐角互通处，采用扩展基站连接隧道两侧智慧线并在拐角处加密离墙码。

2) 智慧线安装在最下方，与隧道内其他管线保持平行，互不干扰。

3) 根据掌子面施工进度，将智慧线进行延展，覆盖已施工隧道。

在综合控制器安装之前，需要确认CC已正确安装驱动程序、linux内核以及Syslog。

综合控制器及射频信号基站采用膨胀螺栓、自攻螺栓、离墙码固定在管廊右侧墙壁上。

系统摄像头、控制器、环境监测器等组件通过智慧线连接，并与中建云隧道智能管控系统相接，可根据需要布置各种设备在隧道中的位置。

1) 项目概况

该界面以项目平面图为背景，显示项目概况、参建单位、隧道内实时人员总览及实时环境监测信息。

2) 综合监控

综合监控包含集中监控、监控回放、告警管理及系统管理4个模块。集中监控模块可在GIS地图中显示各个施工段、工区、掌子面、竖井、孔口处人员、设备、告警位置信息，如图4所示，点击选择后可显示详细信息。监控回放模块可显示指定人员、设备在指定时间段内位置历史轨迹进，支持多画面、多时间段回放，并支持1, 2, 4, 8倍及16倍速回放及展示。告警管理模块可列表化显示当前及历史处理告警信息，包括告警位置、告警级别、处理人员、处理时间等信息;该模块同时提供了下行报警功能，可对工区内特定人员下发报警提醒。在系统设置模中可对系统显示及配置进行设置。

3) 人员管理

人员管理界面分为分为组织机构及出入管理2个模块。在组织机构模块中可对所有单位的管理架构及所有人员的职级和权限进行设定，同时将系统内部人员信息进行勾连，即将人员的信息、权限、手持设备编码、标签编码等与该人员账户绑定。出入管理模块可以显示所有人员、设备的出入信息，并按需求进行排序。在该模块中可设定人员可出入区域及对应时间。

4) 施工管理

施工管理界面设置施工管理、设备管理、巡检管理、终端管理及资源管理5个模块。在施工管理模块中可进行施工派单，即赋予人员在规定时间内进入规定区域的权限。在设备管理模块中可进行施工派单，即赋予设备在规定时间内进入规定区域的权限。在巡检模块中可以设置特定人员在设定时间按设定路线进行巡检，并可设定巡检节点及巡检内容;巡检人员提交的视频、图片在巡检模块中显示。通过资源管理模块可对系统内全部资源进行定义，包括工区、人员单位及权限、硬件部署、标签类别等。

5) 统计分析

统计分析界面分为人员统计、环境统计、隧外环境及施工进度4个模块，各模块功能分别为:按设定时间段统计人员在岗时间、出入次数，绘制人员进出数量随时间变化曲线等 (见图5) ;绘制各环境监测仪器监测随时间变化曲线 (见图6) ;绘制隧道外温湿度、污染物浓度、风力、噪声随时间变化曲线;统计每日施工进度及材料消耗量并绘制累计出土量随日期变化曲线 (见图7) 。

本项目建设期间参与单位众多，施工阶段管理复杂。隧道智能管控系统在施工期间提供了单位及人员的分类管理，并有效限定了其工作范围，将原有手工记录考勤变为电子化自动记录，且人员历史运动轨迹可查，大大降低了管理难度及工作量，避免了用工重复记录、漏记及不安全行为无记录的情况发生。

本项目隧道施工段有多处交叉立体作业，施工管理的难度较大，安全管理工作面临巨大挑战。隧道智能管控系统通过设定安全警告规则，在危险源形成前进行风险告警，提交相关人员处置，避免了风险漏报、错报，降低安全管理人员负担及安全风险。

另外，本系统具备隧道内与项目部之间及隧道内与隧道外的通信功能，通讯质量稳定可靠，将原隧道内单向广播升级为双向语音及视频通讯，大大提高了日常生产任务下达、危险隐患排除、井上井下技术交底等工作效率。

根据实际应用项目的反馈，计划将中建云隧道智能管控系统应急功能进行扩充，以更好满足隧道施工安全管控的需求，拟增加功能如表1所示。

隧道工程安全管控对控制风险因素、加强隧道施工安全有着重要的意义，但实际的隧道施工安全管理水平与先进的安全管理理论要求之间仍有不小差距。通过将先进的隧道工程安全管控理论与物联网技术进行跨学科融合并深度创新，中建云隧道智能管控系统在提高工作人员的安全保障、降低隧道施工安全风险的前提下，减小了隧道施工管理人员的工作负担，大幅提高了隧道工程的施工效率与施工质量，使隧道施工安全管理水平及智能化水平有了质的提升。本研究创新体现在以下几个方面。

1) 研发了能够实时对手持显示设备、标识卡等物联网终端进行实时进行精确定位的智慧线硬件系统，定位精度可以达到2～5m。

2) 研发了隧道出入口控制和入侵识别硬件及底层算法。除携带授权终端的人员、设备外的其他物体进入规定区域识别为非法入侵，系统发出报警。

3) 系统采用自主设计的无线通信协议，提供可靠的接入和多路并发的语音通信能力，有效对抗监听、恶意抓包等行为。

4) 基于智慧线硬件，结合隧道施工安全管控场景，开发了隧道智能管控系统软件，实现了多功能、多系统融合。