基于物联网的地铁施工过程安全监测系统的设计和实现

论文摘要

随着我国经济的飞速发展,地铁事业也取得了瞩目的成绩。但是在地铁的建设和施工过程中容易受生产环境、技术装备、管理水平等诸多因素的限制,各种安全问题及事故不断涌现出来。杭州、上海、广州、西安等地的地铁在施工过程中接连发生安全事故。如何实时准确的预测和监测的地铁施工过程中安全事故,是本文的研究重点。传统的地铁安全监测仅仅是依靠人工的定期采样一些结构数据(如压力、形变等),故存在很多缺陷。第一：人为定期采样监测数据会造数据采样不及时、不系统而且无法及时报警；第二,缺乏施工过程中的报警手段,依赖于施工人员的经验和操作,很容易弓I发施工事故；第三,缺乏对人员的监测方法,无法及时监测到施工人员的具体位置：第四,由于施工环境的限制,传统的监测手段只能监测一些施工人员容易操作的地段,对于复杂的地段无法监测。随着物联网技术的兴起为地铁技术的信息化、生产安全化提供了新的契机。本课题是在物联网蓬勃发展的背景下,依据武汉地铁施工安全的相关要求,设计并实现了集自动监测、实时预警、实时定位、人员和设备信息管理为一体的完整的、有机的结合了大量的物联网技术的地铁实时监测、定位、预警系统。由于地铁事故往往集中在隧道、风井、基坑、连通通道等地段,并且武汉地铁的隧道需要越江,危险往往更加集中。所以本系统主要监测的区域集中在越江隧道、武昌风井和汉口风井、基坑、隧道之间的连通通道。监测的对象主要是结构(盾构片、和一些关键钢筋混凝土的压力、形变)、人员(人员的位置和安全情况)、设备(设备的位置和施工安全情况)、环境(隧道下的一些危险气体如CO、NO、瓦斯等)。本系统不仅有效的克服了传统监测方法的缺陷,而且具有监测全面、实时预警、人员定位、设备泛在等优点。第一,通过无线技术实时的、周期性的采集监测数据,接收到的数据更加全面,不仅能够在危险发生时能够实时报警,而且通过对数据的分析,及时预防危险的发生。第二,预警系统使用了超声波、红外、Zigbee等技术增强了施工过程中设备预警的实时性和准确性。第三,定位系统利用Zigbee和超声波技术并且结合了卡尔曼滤波算法,大大提高人员定位的精度。第四,采用的设备体积小,功耗低,而且是通过无线传输,所以可以部署在以前监测人员无法进入的危险区域,使监测更加的全面。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究内容及意义
• 1.3 国外研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 论文的组织结构
• 第2章 现场情况和相关技术
• 2.1 现场情况
• 2.2 采用的主要技术介绍
• 2.2.1 Zigbee技术
• 2.2.2 超声波测距
• 2.2.3 红外对射和红外温度感应
• 2.2.4 振弦式传感器
• 2.3 本章小节
• 第3章 总体设计方案
• 3.1 系统总体概述
• 3.2 系统功能描述
• 3.2.1 定位系统
• 3.2.2 预警系统
• 3.2.3 通信系统
• 3.2.4 监测系统
• 3.2.5 供电系统
• 3.3 本章小结
• 第4章 人员定位系统的设计与实现
• 4.1 室内人员定位技术
• 4.1.1 室内人员定位的种类
• 4.1.2 室内人员定位技术的对比和选择
• 4.2 基于RSSI和LQI的定位算法研究和实现
• 4.2.1 测距的改进
• 4.2.2 卡尔曼滤波优化算法
• 4.2.3 与超声波测距的结合
• 4.2.4 人员定位算法的实现
• 4.3 人员定位系统的实现
• 4.3.1 人员定位嵌入式程序的开发
• 4.3.2 人员定位系统硬件的开发
• 4.4 本章小节
• 第5章 预警系统的设计与实现
• 5.1 坑内挖机作业
• 5.1.1 现场情况
• 5.1.2 报警设备的布设
• 5.1.3 预警内容
• 5.2 地面挖机作业
• 5.2.1 现场说明
• 5.2.2 报警装置的布设
• 5.2.3 预警内容
• 5.3 管片吊装作业
• 5.3.1 现场说明
• 5.3.2 报警装置的布设
• 5.3.3 预警内容
• 5.4 隧道水平运输以及后续台车操作阶段
• 5.4.1 现场情况
• 5.4.2 报警设备的布设
• 5.4.3 预警内容
• 5.5 管片拼装阶段
• 5.5.1 现场情况
• 5.5.2 报警装置的布设
• 5.5.3 预警内容
• 5.6 龙门吊移动伤人
• 5.6.1 现场情况
• 5.6.2 报警装置的布设
• 5.6.3 预警内容
• 5.7 基坑作业人机相撞
• 5.7.1 现场情况
• 5.7.2 报警装置布设
• 5.7.3 预警内容
• 5.8 深基坑临边坠落
• 5.8.1 现场情况
• 5.8.2 报警装置的布设
• 5.8.3 预警内容
• 5.9 本章小结
• 第6章 通信系统的设计和实现
• 6.1 通信系统的框架和实现
• 6.2 通信协议设计
• 6.3 嵌入式程序开发
• 6.3.1 信息汇聚器程序设计与实现
• 6.3.2 超声波采集节点程序设计与实现
• 6.4 本章小结
• 第7章 监测系统、电源系统及安全管理系统
• 7.1 监测系统
• 7.1.1 系统介绍
• 7.1.2 数据流程
• 7.2 电源系统
• 7.2.1 系统介绍
• 7.2.2 系统功能
• 7.3 安全管理系统
• 7.3.1 系统各个功能模块说明
• 7.3.2 数据处理流程
• 7.4 本章小结
• 第8章 系统安装测试与运行
• 8.1 安调环境
• 8.2 系统测试方案
• 8.2.1 监测监控系统测试方案
• 8.2.2 人员定位系统测试方案
• 8.2.3 预警系统测试方案
• 8.3 测试结果
• 8.3.1 监测监控系统测试结果
• 8.3.2 人员定位系统测试结果
• 8.3.3 预警系统的测试结果
• 8.4 本章小结
• 第9章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 科研项目和论文工作情况