CN103523676A - 一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统及其工作方法，系统主要由门吊作业定位阅读器与定位标签装置、地面吊装区红外侦测装置、工作井吊装区红外门禁装置、车载报警装置等组成。本系统与方法可有效实现地铁盾构隧道地面门吊与工作井内移动目标的实时监控和预报警，为地铁盾构隧道施工中的垂直运输作业安全提供可靠保障。

Description

一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统及其工作方法

技术领域

本发明属于盾构隧道施工领域，具体涉及一种以门吊作业为对象的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统及其工作方法。

背景技术

近年来， 我国地铁建设蓬勃发展， 多个城市开始或者继续进行地铁建设。在地铁施工中， 经常采用的施工方法有明挖法、浅埋暗挖矿山法以及盾构法。盾构法因其施工速度快、安全性高以及对地层扰动小等特点而得到广泛使用。

地铁盾构施工中的关键工序之一是隧道工作井的垂直运输作业，同时也是地铁盾构施工工法中操作最频繁、工作量最大的施工环节之一。地铁盾构隧道工作井垂直运输能否安全、正常作业直接决定了地铁盾构隧道的施工安全、进度和效率。因此，国家有关工程规范中对地铁盾构隧道工作井垂直运输安全提出了严格要求，例如在《地铁工程施工安全评价标准》（GB50715-2011）中对盾构工作井作业规定其工作竖井上下应设置联络信号，提升设备不应超负荷作业，运输速度应符合设备技术要求。但由于现场施工作业条件限制，加上垂直运输施工作业安全控制力度不够，施工人员安全意识不强，安全感知和防范能力弱，近年来地铁施工垂直运输作业安全事故依然频发。

据统计，目前国内地铁盾构隧道施工中绝大多数采用门吊机械进行垂直运输。根据门吊施工作业特点，门吊在行走和吊装过程中，轨行区和吊装区存在大量作业盲区，极易造成垂直运输过程中出现碰撞、物体打击和机械伤害等安全事故，加上门吊的动力和惯性大，驾驶员和施工人员极可能因注意力不集中、反应滞后、观察判断失误等感知能力不足酿成安全事故。因此，建立一套科学、系统、有效的实时监控预警系统自动识别、预警和控制地铁盾构隧道工作井门吊垂直运输安全风险，具有重要的工程意义和现实价值。

目前国内外传统的地铁盾构隧道垂直运输监控预警手段主要是利用简单的视频监控和光/声辅助门吊驾驶员进行安全控制，其缺点是在复杂施工作业环境下视频监控图像难以看清，需要驾驶员仔细辨别并作出人工判断，容易干扰驾驶员的驾驶操作。并且传统的光/声报警器是在门吊开启后一直处于工作状态，对变化环境缺乏感知能力，容易造成驾驶员和施工人员麻痹大意。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统，该系统能够实时连续的对地铁盾构隧道工作井、地面现场、门吊和施工人员的安全状况进行全面监测并实时将安全报警信息及定位信息传输至相关人员，实现自主安全预报警，以及时、有效的采取安全措施防止事故的发生，降低垂直运输的安全风险。

本发明所述的一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统，包括定位阅读器与定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置、车载报警装置。

所述定位阅读器与定位标签，主要用于复杂环境下门吊地面区域与工作井内的移动目标的空间实时定位跟踪。该装置利用定位阅读器与定位标签实现定位与声光报警功能，实现一般情况下地铁隧道工作井地面和工作井内施工人员、结构体与移动中的门吊车体、吊钩、吊装物等之间的防碰撞预报警，以提高施工现场的安全风险控制。在地面门吊桁架、轨行区和工作井内分别安装定位阅读器，组成无线传感网络，定位阅读器与定位标签实现无线数据通讯，地面及作业井内施工人员佩戴定位标签，门吊及其挂钩上安装定位标签，该定位标签由RFID标签和声光预警模块组成；所述定位阅读器由RFID无线阅读器、信号处理模块和声光预警模块组成。

所述红外线热能侦测装置，主要对门吊地面行走与吊装过程中周边施工人员进行高精度自动识别，通过门吊两支腿前后端及其内侧安装的红外线热能侦测装置消除门吊行驶中的盲区作业安全风险，提高门吊驾驶员与施工人员的安全感知能力；在门吊两支腿前后端及其内侧分别安装红外线热能侦测装置，该红外线热能侦测装置由依次连接的红外辐射接收模块、信号处理模块、数据发送模块组成；所述红外线热能侦测装置与车载报警装置、定位阅读器和定位标签实现无线数据通讯。

所述红外门禁装置，主要用于工作井内吊装作业过程中，实时提醒擅自进入工作井吊装区内的无关作业人员及时规避不安全状态，减少吊装物垂直运输中物体打击等事故发生，确保工作井内吊装安全；同时，井口上方安装视频摄像头用于实时监控红外门禁装置所监控的工作井吊装危险区域。该红外门禁装置由红外发射器、红外接收器、安装在作业井口上方的视频摄像头和数据发送模块组成，该红外门禁装置与车载报警装置、定位阅读器和定位标签实现无线数据通讯。

所述车载报警装置，用于实时接收定位阅读器和红外线热能侦测装置、红外门禁装置的监控信息，并显示工作井吊装区域的实时监控画面，根据嵌入的预报警规则进行实时分析判断，发布不同级别的声光报警，提醒门吊驾驶员及时采取刹车、停吊等安全控制措施；同时，利用车载报警装置自带的软硬件对上传的安全信息进行分析和存储，为地铁隧道门吊作业安全培训和行为控制提供重要依据；所述车载报警装置与红外线热能侦测装置、定位阅读器、定位标签和红外门禁装置实现无线数据通讯。所述车载报警装置由显示器、声光报警器、分析与存储器等组成。

本发明还提供一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的安装使用方法，包括以下步骤：

（1）根据施工现场环境建立门吊作业区的空间三维定位坐标体系，设计各种监控装置的布局方案，确定每个监控装置的具体三维坐标，实现地铁隧道门吊作业三维空间的监控坐标体系，为实时定位、信息传输和决策分析提供空间基础；

（2）根据有关工程规范制定隧道大型门吊作业预报警规则。对于本系统的预报警，共设置三级，即施工人员处于一般危险区时触发黄色光警并伴有短蜂鸣进行提醒；当施工人员处于显著危险区时触发橙色光警并伴有长短相间的蜂鸣进行安全风险预警；当施工人员处于严重危险区时触发红色光警并伴有长蜂鸣进行安全风险预报警；实现地铁隧道门吊作业的安全主动控制，并提升施工人员的安全感知能力；

（3）根据设计的监控布局方案在地面门吊轨行区安装定位阅读器，组成门吊地面轨行区定位跟踪网络；

（4）地面及作业井内施工人员佩戴定位标签，门吊车体及其挂钩上安装定位标签； 

（5）通过定位阅读器、定位标签自带的定位算法对接收的无线射频信号进行供电和信号调试；

（6）在门吊两支腿前后端及其内侧分别安装红外线热能侦测装置；

（7）在工作井的隧道入口和地面入口处分别安装红外门禁装置，并在井口上方安装视频监控摄像头；

（8）在门吊驾驶室内安装车载报警装置； 

（9）对红外线热能侦测装置、红外门禁装置、车载报警装置进行供电和信号调试；

（10）待所有设备安装固定后，进行设备整体联调，保证系统软硬件正常工作；

（11）将施工作业过程中的各类定位信息、监控信息、预报警信息进行集成分析和存储。

在上述技术方案中，所述的定位阅读器与定位标签的信息处理流程如下：

第一步，根据施工现场环境建立门吊作业区的三维空间定位坐标体系，在地面门吊桁架、轨行区和工作井内分别安装定位阅读器，各个定位阅读器内存储有自身的空间坐标信息；

第二步，每个定位阅读器通过内置天线发送一定频率的无线射频信号，扫描其信号覆盖范围内是否存在定位标签，每个定位标签也以相同方法扫描其信号覆盖范围内是否存在定位阅读器；如果存在，定位阅读器将与定位标签建立无线射频通信链路，进行信息的传输交流；

第三步，针对于每个不同的定位标签，定位阅读器进行计算处理，利用RSSI与TDOA的混合测距加权定位算法，计算出定位标签相对于定位阅读器的空间位置，根据定位标签的ID属性，对这些空间位置信息进行存储；

第四步，根据预先建立的门吊作业区三维空间坐标体系，定位阅读器将上述相对空间位置计算转化为定位标签的实际三维坐标信息；

第五步，利用定位标签的三维坐标信息，定位阅读器根据内嵌的预报警规则判断是否启动自身和定位标签的预警模块进行光/声报警；

第六步，上述过程中的定位信息、预报警信息均传输至车载报警装置，由软件平台进行分析和存储，便于进一步的安全培训和行为控制。

在上述技术方案中，所述的红外线热能侦测装置的信息处理流程如下：

第一步，当门吊启动作业时，门吊两支腿前后端及其内侧的红外线热能侦测装置启动，红外辐射接收模块以固有频率接收外界的红外辐射，对轨行区进行移动目标的自动识别；

第二步，当施工人员进入轨行区和门架下方吊装区时，红外线热能侦测装置根据接收到的红外辐射强度进行实时处理，精确计算施工人员与门吊之间的相对距离；

第三步，红外线热能侦测装置通过其数据发送模块将相对距离信息无线传输至门吊驾驶室车载报警装置，车载报警装置根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警，提醒门吊驾驶员采取安全控制措施；

第四步，红外线热能侦测装置通过其数据发送模块将相对距离信息无线传输至门吊上安装的定位阅读器和施工人员佩戴的定位标签，定位阅读器和标签根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警，提醒施工人员及时规避安全风险；

第五步，上述过程中的红外线热能侦测信息和预报警信息可传输至车载报警装置，由其软件平台进行分析和存储，便于进一步的安全培训和行为控制。

在上述技术方案中，所述的红外门禁装置的信息处理流程如下：

第一步，当门吊挂钩进入工作井上方时，工作井入口处的红外门禁装置启动，红外发射器以固有频率发送脉冲红外线，接收器接收该脉冲红外线，以此对进入工作井吊装区的移动目标进行定向探测；

第二步，当施工人员或机械通过红外门禁装置时，脉冲红外线被阻断，红外门禁装置实时记录脉冲红外线被阻断的时间和空间位置信息；

第三步，脉冲红外线被阻断后，监控摄像头自动对准该区域，实时将现场图像传输至车载报警装置；

第四步，红外门禁装置将上述信息无线传输到车载报警装置，车载报警装置根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警； 

第五步：红外门禁装置将上述信息无线传输至工作井口安装的定位阅读器和施工人员佩戴的定位标签，定位阅读器和标签根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警，提醒施工人员及时规避安全风险；

第六步，上述过程中的红外门禁信息、预报警信息、安全风险监控图像均可传输至车载报警装置，由其软件平台进行分析和存储，便于进一步的安全培训和行为控制。

在上述技术方案中，所述的车载报警装置的信息处理流程如下：

第一步，当门吊启动作业时，车载报警装置同时启动，实时与定位阅读器、定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置保持无线射频信号的通讯传输；

第二步，定位阅读器、定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置通过无线射频通信链路，将自身采集到的各种实时数据信息传输至车载报警装置，车载报警装置与预先设定的预警规则进行一一匹配判断，进行不同级别的声光报警，以此提醒门吊驾驶员采取安全控制措施；

第三步，门吊作业过程中，车载报警装置实时显示隧道工作井内危险区域的视频监控画面； 

第四步，当施工安全风险得到有效控制并消除危险后，车载报警装置自动解除报警，必要时驾驶员可以手动解除报警；

第五步，对各种定位、监控和预报警信息统一分析和存储，便于进一步的安全培训和行为控制。

本发明所述的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的各仪器设备电路、信号调试联动方法为：在设备安装完成后，利用车载报警装置的软件平台，将各仪器设备的参数信息录入，并用软件自带的调试联动功能对设备正常工作与否、工作状态进行检测，对不能正常工作的设备进行检修直至其正常工作或更换设备再调试。

本发明所述的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的软件调试方法为：在设备参数录入完成后，根据预先设定的编程代码对软件各个功能项目进行调试，对工作异常的功能项及时检修直至其正常工作，保证软件平稳、健康运行。

本发明提出的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统与方法，主要由门吊作业定位阅读器与定位标签装置、地面吊装区红外线热能侦测装置、工作井吊装区红外门禁装置、车载报警装置等组成。盾构隧道门吊作业中，在地面门吊桁架、轨行区和工作井内分别安装定位阅读器，门吊两支腿前后端及其内侧安装红外线热能侦测装置，工作井入口安装工作井吊装区的红外门禁装置，施工人员按要求佩戴定位标签。在门吊进行地面行走和吊运管片等预制构件、设备和材料进入工作井时，定位阅读器通过无线射频信号实时获取门吊与工作井井口、吊钩与工作井井壁和井底的相对位置，并利用红外线热能侦测装置和红外门禁装置实时探测进入地面吊装区和工作井内吊装区的施工人员，定义不同级别的定位预警规则和探测报警规则，通过门吊驾驶室内安装的车载报警装置、施工人员佩戴的定位标签进行光/声报警，提示门吊驾驶员和施工人员规避门吊作业风险，防止地铁盾构隧道垂直运输过程中的机械伤害和物体打击等事故发生。所有移动目标的定位数据、预警信息均可通过定位阅读器无线传输至车载报警装置。

本系统及其方法可有效实现地铁盾构地面门吊与工作井内移动目标的实时监控和预报警，为盾构隧道施工中的垂直运输作业安全提供可靠保障。本系统具有如下优点：

（1）主动安全控制：本系统采用的实时定位和红外侦测、门禁等技术可有效实现门吊作业安全风险的主动提醒和预报警，较传统手段可实现施工现场安全的事前主动控制。

（2）集成控制：本系统采用物联网集成理念和统一架构设计，使得各种定位、监控、预报警技术相互补充，能够对门吊作业中的盲区风险、碰撞风险、物体打击风险、机械伤害风险等进行全方位集成控制。

（3）数字化、可视化控制： 本系统中所有定位数据、监控数据、预警数据风险监控图像均可通过安装在现场的设备进行分析和存储，并同步传输至车载报警与分析装置，可有效实现安全风险数字化与可视化控制。

附图说明

图1是本发明一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统与方法的结构示意图。

图2是本发明中地面轨行区门吊行驶时安全风险预报警流程图。

图3是本发明中地面吊装区门吊吊装时安全风险预报警流程图。

图4是本发明中工作井吊装区门吊吊装时安全风险预报警流程图。

图5是本发明中门吊挂钩与工作井四壁的防碰撞安全预报警图。

具体实施方式

本发明采用无线射频技术进行移动目标实时定位跟踪，采用高精度红外线热能侦测技术进行人人、人车之间的安全距离预报警，采用高灵敏度红外门禁技术进行工作井安全状态预报警，采用盲区视频监控技术进行门吊驾驶盲区视频监控，并将预报警无线射频信号同步传输至门吊车载报警装置，以便门吊驾驶员及时做出安全操作，并将预报警信息在车载报警与分析装置中进行分析和存储。

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。

如图1所示的一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的安装流程及标准如下： 

（1）制定定位阅读器、定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置、车载报警装置的现场安装标准，并掌握地铁盾构隧道门吊作业现场各仪器设备的实施逻辑图。在这些仪器设备安装中，需要严格执行的以下标准：

1、对于仪器设备要轻拿轻放，拆解和组装要认真、慎重；

2、一般情况下，不轻易触摸仪器内部，对仪器内部构造不随意拆解；

3、对于接线头，线的外保护层约剥离8cm左右，而金属丝保护层只需剥离出大约1cm，使得金属丝外露； 

4、接线时，要拿稳或放好，在将金属丝拧入仪器接头时，要保证金属丝能与接头有良好接触，同时不得拧得太紧，防止金属丝断损；

5、接线完成后，要及时装好后盖并固定在稳固的已有静止物体上。

（2）在地面轨行区一侧每隔30-50米距离的固定物、在门吊桁架的两个三等分点以及工作井内安装定位阅读器；安装过程中，注意定位阅读器内部线路接口的连接次序；阅读器的线路连接完成后，将定位阅读器进行固定，并保证其可接收到完整的无线射频信号。

（3）定位阅读器固定好后，及时使用车载报警装置的软件平台进行调试，并检查其是否符合定位阅读器的现场实施标准；若符合，则进行阅读器的相关安装信息的记录、存档；若不符合，则重复上述安装步骤，直至符合标准为止。

（4）对红外线热能侦测装置进行充电，保证足够的充电时间直至其电量充满为止；预制金属盒，金属盒起到保护红外侦测装置的作用，并用螺栓将红外侦测装置固定在金属盒上；将金属盒分别安装在门吊两支腿前后端及其内侧，保持安装作业面的水平。

（5）将每对红外门禁装置分别安装在工作井的隧道入口处和车站入口处，将其固定在预制的金属杆件上，保证发射器与接收器正相对。

（6）在门吊驾驶室内的电源控制面板中，接入DC-DC转换器（直流电压转换器），把门吊的工作电压值转换为车载报警装置所需的小额度电压值；将车载报警装置与DC-DC转换器串接好，并进行固定。

（7）红外线热能侦测装置、红外门禁装置和车载报警装置安装固定好之后，及时使用车载报警装置软件平台进行调试，检查是否符合现场实施标准；若符合，则进行装置标号、运输车编号等相关安装信息的记录、存档；若不符合，则重复上述安装步骤，直至符合标准为止。

（8）收集吊装施工人员的姓名、年龄、工种等相关信息并将每个人的相关信息录入指定的定位标签，而后向施工人员发放指定的安装有定位标签的安全帽，并对人员进行培训，其内容包括定位标签的正确使用方法，以及注意事项；同时，驾驶室、大件物体和进场车辆也应安装定位标签。

下面对本发明系统在四种作业情况下的安全风险预报警流程详细描述如下。

（1）    地面轨行区门吊行驶时安全风险预报警流程，如图2所示：

1、当门吊正在行走时，红外线热能侦测装置自动开启；

2、当施工人员处于门吊两支腿前后6m以外时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于安全范围，门吊车载报警装置的警示灯呈绿色，不进行报警；

3、当施工人员进入到门吊两支腿前后6m-4m内时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于安全黄色警戒范围，并自动触发该装置的安全预警功能，即门吊车载报警装置的警示灯呈黄色，提示门吊驾驶员及时进行安全操作，同时该装置将自动把预警信息传输至处于安全黄色警戒范围内施工人员随身携带的定位标签上，进行光/声报警，提醒其尽快离开安全警戒区；

4、当施工人员进入到门吊两支腿前后4m-2m内时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于安全橙色警戒范围，并自动触发该装置的安全预警功能，即门吊车载报警装置的警示灯呈黄色，提示门吊驾驶员及时进行安全操作，同时该装置将自动把预警信息传输至处于安全黄色警戒范围内施工人员随身携带的定位标签上，进行光/声报警，提醒其尽快离开安全橙色警戒区；

5、当施工人员进入到门吊两支腿前后2m-0m内时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于红色危险禁止范围内，并自动触发该装置的安全报警功能，门吊车载报警装置的警示灯呈红色，提示门吊驾驶员立即进行安全操作，同时该装置自动将预警信息传输至处于安全红色禁止范围内施工人员随身携带的定位标签上，进行光/声报警，提醒其立即离开安全红色禁止区；

6、当施工人员离开上述三种安全危险区时，报警自动解除。

（2）    地面吊装区门吊吊装时安全风险预报警流程，如图3所示：

1、当门吊正在进行地面吊装时，红外线热能侦测装置随之开启；

2、当施工人员处于门吊两支腿之间前后6m以外时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于安全范围，门吊车载报警装置的警示灯呈绿色，不进行报警； 

3、当施工人员进入到门吊两支腿之间前后6m-4m内时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于安全黄色警戒范围，并自动触发该装置的安全预警功能，门吊车载报警装置的警示灯呈黄色，提示门吊驾驶员及时进行安全操作并且该装置将自动把预警信息传输至处于安全警戒范围内施工人员随身携带的定位标签上，进行光/声报警，提醒其尽快离开安全黄色警戒区；

4、当施工人员进入到门吊两支腿之间前后4m-2m内时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于安全橙色警戒范围，并自动触发该装置的安全预警功能，即门吊车载报警装置的警示灯呈黄色，提示门吊驾驶员及时进行安全操作，同时该装置将自动把预警信息传输至处于安全黄色警戒范围内施工人员随身携带的定位标签上，进行光/声报警，提醒其尽快离开安全橙色警戒区；

5、当施工人员进入到门吊两支腿之间前后2m-0m内时，红外线热能侦测装置根据内置的预报警规则判定其处于红色危险禁止范围内，并自动触发该装置的安全报警功能，门吊车载报警装置的警示灯呈红色，提示门吊驾驶员立即进行安全操作，同时该装置自动将预警信息传输至处于安全红色禁止范围内施工人员随身携带的定位标签上，进行光/声报警，提醒其立即离开安全红色禁止区；

6、当施工人员离开上述三种安全危险区时，报警自动解除。

（3）工作井吊装区门吊吊装时安全风险预报警流程，如图4所示：

1、当门吊正在工作井上方进行吊装作业时，红外门禁装置随之自动开启；

2、当施工人员没有通过红外门禁装置时，红外门禁装置根据内置的预报警规则判定其处于安全范围，门吊车载报警装置的警示灯呈绿色，不进行报警；

3、当有施工人员从工作井入口进到井内吊装区时，红外门禁发出长蜂鸣进行警报，并将警报信息传输至车载报警装置，其警示灯呈红色，脉冲红外线被阻断后，监控摄像头自动对准该区域，实时将现场图像传输至车载报警装置；同时在车载视频显示器上将处于井内吊装区内的施工人员用红色荧光突出显示，以便门吊驾驶员及时采取合理安全措施；

4、该装置自动将预警信息传输至处于安全禁止进入范围内施工人员随身携带的定位标签和工作井口的定位阅读器上，进行光/声报警，提醒其立即离开安全禁止进入区；

5、当施工人员离开安全禁止进入区时，报警解除。

（4）门吊挂钩与工作井四壁的防碰撞安全预报警流程，如图5所示：

1、当门吊正在工作井上方作业时，其吊钩上的定位标签自动开启；

2、当挂钩进入到工作井内时，挂钩通过定位标签实时探测其与四壁的绝对距离，并将其实时位置以及与四壁关系图像显示在车载显示器上，以便门吊驾驶员实时掌控挂钩位置；

3、当挂钩与工作井四壁之间绝对距离在3m以外时，挂钩上的定位标签根据内置的预报警规则判定其处于安全范围，门吊车载报警装置的警示灯呈绿色，不进行报警；

4、当挂钩与四壁或任一边的绝对距离为3m-2m时，挂钩定位标签根据内置的预报警规则判定其处于安全黄色警戒范围内，并向门吊车载报警装置发出警报，其警示灯呈黄色，提示门吊驾驶员立即进行安全操作；

5、当挂钩与四壁或任一边的绝对距离为2m-1m时，挂钩定位标签根据内置的预报警规则判定其处于安全橙色警戒范围内，并向门吊车载报警装置发出警报，其警示灯呈橙色，提示门吊驾驶员立即进行安全操作；

6、当挂钩与四壁或任一边的绝对距离为1m-0m时，挂钩定位标签根据内置的预报警规则判定其处于安全红色禁止范围内，并向门吊车载报警装置发出警报，其警示灯呈红色，提示门吊驾驶员立即进行安全操作；

7、当挂钩远离上述三种安全警戒区时，报警自动解除。

在上述工作流程中，根据现场定位要求，对定位阅读器中基于场强值（RSSI）的定位算法，进行相关参数设定，该算法的公式描述如下：

 

上式中：

——阅读器接收到的定位节点所反馈的信号的强度值，单位为

；

——射频参数，定义为用

表示的距定位节点1m时，接收到信号的平均能量的绝对值，如平均接收能量为-40 

，那么参数

被定义为40；

——射频参数，是信号能量随着到阅读器的距离增加而衰减的速率，其数值的大小取决于无线信号传播的环境；

——信号的传播衰减距离；

——环境影响因素，它的值取决于隧道内的环境，可以通过现场实验来获取经验值。

根据现场的红外线热能侦测精度要求，红外线热能侦测装置中的红外辐射算法，进行相关参数的设定，该算法的公式描述如下：

上式中：

——物体光谱辐射通量密度（

）；

——物体光谱辐射本领；

——斯捷藩-波尔兹曼常数（

）；

T——物体绝对温度（）。

根据现场红外门禁装置中的红外脉冲射束算法，进行相关参数的设定，其侦测原理是利用其LED红外光发射二极体发射的脉冲红外线，经光学镜面做聚焦处理使光线传至受光器接受；当红外脉冲射束被遮断时就会发出警报。

Claims (5)

1.一种地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统，其特征在于：包括定位阅读器与定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置、车载报警装置；

所述定位阅读器与定位标签，用于门吊地面区域与工作井内的移动目标的空间实时定位跟踪；在地面门吊桁架、轨行区和工作井内分别安装定位阅读器，组成无线传感网络，定位阅读器与定位标签实现无线数据通讯，地面及作业井内施工人员佩戴定位标签，门吊及其挂钩上安装定位标签，该定位标签由RFID标签和声光预警模块组成；所述定位阅读器由依次连接的RFID无线阅读器、信号处理模块和声光预警模块组成；

所述红外线热能侦测装置，用于对门吊地面行走与吊装过程中周边施工人员进行高精度自动识别；在门吊两支腿前后端及其内侧分别安装红外线热能侦测装置，该红外线热能侦测装置由依次连接的红外辐射接收模块、信号处理模块、数据发送模块组成；所述红外线热能侦测装置与车载报警装置、定位阅读器和定位标签实现无线数据通讯；

所述红外门禁装置，用于实时探测擅自进入工作井吊装区内的无关作业人员；该红外门禁装置由红外发射器、红外接收器、安装在作业井口上方的视频摄像头和数据发送模块组成，该红外门禁装置与车载报警装置、定位阅读器和定位标签实现无线数据通讯；

所述车载报警装置，用于实时接收定位阅读器和红外线热能侦测装置、红外门禁装置的监控信息，并显示工作井吊装区域的实时监控画面，根据嵌入的预报警规则进行实时分析判断，发布不同级别的声光报警，同时，利用车载报警装置自带的软硬件对上传的安全信息进行分析和存储，为地铁隧道门吊作业安全培训和行为控制提供重要依据；所述车载报警装置与红外线热能侦测装置、定位阅读器、定位标签和红外门禁装置实现无线数据通讯。

2.一种如权利要求1所述的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的工作方法，其特征在于该方法包括定位阅读器与定位标签的信息处理方法，其步骤如下：

第一步，根据施工现场环境建立门吊作业区的三维空间定位坐标体系，在地面门吊轨行区安装定位阅读器，各个定位阅读器内存储有自身的空间坐标信息；

第二步，每个定位阅读器通过内置天线发送一定频率的无线射频信号，扫描其信号覆盖范围内是否存在定位标签，每个定位标签也以相同方法扫描其信号覆盖范围内是否存在定位阅读器；如果存在，定位阅读器将与定位标签建立无线射频通信链路，进行信息的传输交流；

第三步，针对于每个不同的定位标签，RFID无线阅读器进行计算处理，利用RSSI与TDOA的混合测距加权定位算法，计算出定位标签相对于RFID无线阅读器的空间位置，根据定位标签的ID属性，对这些空间位置信息进行存储；

第四步，根据预先建立的门吊作业区三维空间坐标体系，定位阅读器将上述相对空间位置计算转化为定位标签的实际三维坐标信息；

第五步，利用定位标签的三维坐标信息，定位阅读器根据内嵌的预报警规则判断是否启动自身和定位标签的预警模块进行光/声报警。

3.一种如权利要求1所述的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的工作方法，其特征在于该方法包括红外线热能侦测装置的信息处理方法，其步骤如下：

第一步，当门吊启动作业时，门吊两支腿前后端及其内侧的红外线热能侦测装置启动，红外辐射接收模块以固有频率接收外界的红外辐射，对轨行区进行移动目标的自动识别；

第二步，当施工人员进入轨行区和门架下方吊装区时，红外线热能侦测装置根据接收到的红外辐射强度进行实时处理，精确计算施工人员与门吊之间的相对距离；

第三步，红外线热能侦测装置通过其数据发送模块将相对距离信息无线传输至门吊驾驶室车载报警装置，车载报警装置根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警；

第四步，红外线热能侦测装置通过其数据发送模块将相对距离信息无线传输至门吊上安装的定位阅读器和施工人员佩戴的定位标签，定位阅读器和标签根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警。

4.一种如权利要求1所述的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的工作方法，其特征在于该方法包括红外门禁装置的信息处理方法，其步骤如下：

第一步，当门吊挂钩进入工作井上方时，工作井入口处的红外门禁装置启动，红外发射器以固有频率发送脉冲红外线，接收器接收该脉冲红外线，以此对进入工作井吊装区的移动目标进行定向探测；

第二步，当施工人员或机械通过红外门禁装置时，脉冲红外线被阻断，红外门禁装置实时记录脉冲红外线被阻断的时间和空间位置信息；

第三步，脉冲红外线被阻断后，监控摄像头自动对准该区域，实时将现场图像传输至车载报警装置；

第四步，红外门禁装置将上述信息无线传输到车载报警装置，车载报警装置根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警； 

第五步：红外门禁装置将上述信息无线传输至工作井口安装的定位阅读器和施工人员佩戴的定位标签，定位阅读器和标签根据预先设定的预警规则发布相应级别的声光报警。

5.一种如权利要求1所述的地铁盾构隧道门吊作业安全风险实时监控预警系统的工作方法，其特征在于该方法包括车载报警装置的信息处理方法，其步骤如下：

第一步，当门吊启动作业时，车载报警装置同时启动，实时与地面门吊轨行区的定位阅读器、定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置保持无线射频信号的通讯传输；

第二步，定位阅读器、定位标签、红外线热能侦测装置、红外门禁装置通过无线射频通信链路，将自身采集到的各种实时数据信息传输至车载报警装置，车载报警装置与预先设定的预警规则进行一一匹配判断，进行不同级别的声光报警。

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