CN111260901A - 一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，包括：传感器模块、无线数据传输模块、管理中心模块，其中，所述传感器模块用于数据采集、处理以及传输数据，具体包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元；所述无线数据传输模块包括一级汇聚节点、数据处理器、二级汇聚节点，所述传感器节点单元与所述一级汇聚节点相连接；所述管理中心模块包括显示及告警单元，所述显示及告警单元用于接收所述二级汇聚节点传输的数据并对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示。通过上述方案，提高了地铁施工过程中监控效率以及信息化程度，并降低了维护费。此外，本发明的实施方式提供了一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工安全监控以及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统及方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，隧道的建设项目与日俱增，隧道施工安全和隧道安全运营问题显得越来越突出。隧道施工安全是一个复杂的系统工程，中间任何一个环节没有做好都可能酿成巨大的事故。其中最主要的原因是地铁建设规模庞大，且施工过程具有隐蔽性、复杂性和不确定性等突出的特点。所以对地铁施工现场实现实时监控显得十分必要。
然而，目前地铁施工的监控系统多采用人工采集数据和有线互联网的方式对重点危险源进行实时监控。有线网络的布置一方面需要更多的布线成本，另一方面，其复杂的线路又会对施工现场带来新的问题。人工的数据测量采集一方面不能实现连续的采集，一方面人员在采集数据时，存在重大的安全隐患。
因此，本领域亟需一种用于地铁工程建设，并且能够基于无线传感器解决地铁施工过程中现有监控技术效率低下、维护费用高、信息化低问题的监控系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统及方法，以解决地铁施工过程中现有监控技术的效率低下、维护费用高、信息化低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：传感器模块、无线数据传输模块、管理中心模块，其中，
所述传感器模块用于数据采集、处理以及传输数据，具体包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元；
所述无线数据传输模块包括一级汇聚节点、数据处理器、二级汇聚节点，所述传感器节点单元与所述一级汇聚节点相连接；
所述管理中心模块包括显示及告警单元，所述显示及告警单元用于接收所述二级汇聚节点传输的数据并对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示。
优选地，所述传感器节点单元包括光纤位移传感器、变形光纤传感器、光纤裂缝传感器、光纤力传感器以及光纤水位传感器中的至少一种，
所述光纤位移传感器要用来测量地表沉降、地下管线沉降、围护桩顶水平位移与垂直位移；
所述的变形光纤传感器、光纤裂缝传感器用来测量建筑物变形程度；
所述的光纤力传感器用来测量支撑轴力。
优选地，所述一级汇聚节点用于汇总传感器采集的数据，并由所述数据处理器进行数据处理后，传送给所述二级汇聚节点进行整合及约减。
优选地，所述显示及告警单元用于对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示包括：
所述显示及告警单元可以为PC终端，所述PC终端接收所述二级汇聚节点处理的数据，用于以图表的形式显示整个系统的监控拓扑结构图、传感节点的数据存储以及实时查询结果中的至少一种。
所述PC终端还用于通过数据分析出支护结构的水平位移、沉降以及利用数值模拟法分析基坑施工期间支护结构位移变化规律，并基于分析做出预警；
优选地，所述PC终端配备有数据库管理系统，所述数据库管理系统自定义了元数据信息以及设置了双备份机制；
相应地，所述PC终端接收所述二级汇聚节点处理的数据包括：
所述数据库管理系统接收所述二级汇聚节点处理的数据并进行存储。
优选地，所述传感器节点单元中的传感器还设置有自动预警功能，以使得系统能够避免产生无效数据以及提前采取防护措施。
优选地，所述感器节点单元中的传感器可以设置为周期性检测，以使得系统可以长期进行监测；
或，
所述感器节点单元中的传感器设置为反应式监控，以使得系统可以监控异常事件。
优选地，所述处理器模块采用TIMSP430F5418微控制器，用于进行包括但不限于数据处理及存储、电池能量监测、系统任务调度、执行通信协议以及节点调度管理；
所述的无线通信模块采用2.4GHz RF芯片CC2500，用于在传感器之间以及传感器与汇聚节点之间进行通信。
此外，为实现上述目的，本发明还提出一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法，包括：
收集被监测对象数据，并将数据发送至一级汇聚节点；
所述一级汇聚节点将数据汇总并发送至数据处理器；
所述数据处理器接收并对数据进行处理后，将数据发送至二级汇聚节点；
利用所述二级汇聚节点对数据进行整合与约减，并发送数据至显示及告警单元；
所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围，
若是，则进行预警；
若否，则进行人为判断。
优选地，在所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围之前还包括：
传感器根据预设阈值判断被检测对象是否异常，
若是，则进行预警；
若否，则将数据传输至监控中心。
本发明提出一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，包括：传感器模块、无线数据传输模块、管理中心模块，其中，所述传感器模块用于数据采集、处理以及传输数据，具体包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元；所述无线数据传输模块包括一级汇聚节点、数据处理器、二级汇聚节点，所述传感器节点单元与所述一级汇聚节点相连接；所述管理中心模块包括显示及告警单元，所述显示及告警单元用于接收所述二级汇聚节点传输的数据并对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示。通过上述技术方案，形成了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，能够通过无线传感器形成传感器网络，实时地监控地铁施工项目信息，并通过无线网络将数据传输回数据库中，对数据加以处理后用于预警监控，提高了地铁施工过程中监控效率以及信息化程度，并降低了维护费。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统示意图；
图2为本发明实施例一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统预警系统流程图；
图3为本发明实施例一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统无效数据过滤流程图；
图4为本发明实施例一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法流程图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例一
参见图1所示，为本发明提供了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统预警系统流程图；
一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，包括：传感器模块、无线数据传输模块、管理中心模块，其中，所述传感器模块用于数据采集、处理以及传输数据，具体包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元；
本实施例中，传感器模块主要用来收集并传送数据，主要包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元，其中传感器节点单元包括光纤位移传感器、变形光纤传感器、光纤裂缝传感器、光纤力传感器、光纤水位传感器中的至少一种。处理器单元可以为TIMSP430F5418微控制器，用于对数据处理、数据存储、电池能量监测、系统任务调度、执行通信协议(包括MAC/路由协议)和节点调度管理等工作。无线通信单元可以为2.4GHz RF芯片CC2500，负责传感器节点之间以及传感器节点与汇聚点之间进行通信、传感器节点之间交换控制信息和收发所采集的数据。另外，本实施例还提供了电源供应单元，具体可以选用锂电池、稳压调整电路(S812AMC30)、智能电池监测芯片(DS2762)、电池保护芯片(85426)、电池充电管理芯片(BQ2057)、电源处理电路及外围接口电路以及天线，用于为传感网节点提供智能充电和电路短路保护等功能，以确保传感器节点正常工作时所需的能源。
所述无线数据传输模块包括一级汇聚节点、数据处理器、二级汇聚节点，所述传感器节点单元与所述一级汇聚节点相连接；
本系统中，无线数据传输模块包括一级汇聚节点，其中，光纤位移传感器与变形光纤传感器共同连接一个一级汇聚节点，光纤裂缝传感器单独与一个一级汇聚节点相连接，光纤力传感器与光纤水位传感器共同连接一个一级汇聚节点，一级汇聚点汇总传感器收集的数据，并将数据传送至数据处理器进行数据处理，数据在数据处理器处理后将数据传送至二级汇聚节点，并进行整合及约减。
所述管理中心模块包括显示及告警单元，所述显示及告警单元用于接收所述二级汇聚节点传输的数据并对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示。
具体地，本实施例所提到的显示及告警单元主要为PC终端，配备相关的操作系统、数据库管理系统和相关的应用软件，数据库管理系统负责对从无线数据传输模块接收到的数据进行处理、分析、显示、存储，显示监控区域的监测状态，并根据传感器节点发送的数据做出警告提示，相关方法及软件对数据进行深入分析处理，并反馈给数据库系统，进而做出预警。
本实施例提出一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，包括：传感器模块、无线数据传输模块、管理中心模块，其中，所述传感器模块用于数据采集、处理以及传输数据，具体包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元；所述无线数据传输模块包括一级汇聚节点、数据处理器、二级汇聚节点，所述传感器节点单元与所述一级汇聚节点相连接；所述管理中心模块包括显示及告警单元，所述显示及告警单元用于接收所述二级汇聚节点传输的数据并对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示。通过上述技术方案，形成了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，能够通过无线传感器形成传感器网络，实时地监控地铁施工项目信息，并通过无线网络将数据传输回数据库中，并对数据加以处理后用于预警监控，提高了地铁施工过程中监控效率以及信息化程度，并降低了维护费。
实施例二
实施例一种所提到的传感器节点单元具体包括光纤位移传感器、变形光纤传感器、光纤裂缝传感器、光纤力传感器以及光纤水位传感器中的至少一种。
其中，光纤位移传感器用来测量地表沉降，测点在纵向地表沿盾构推进轴线设置，测点间距为10～30m；横向地表测点的布置范围根据预测的沉降槽确定，一般在轨道交通结构处沿两侧各30m范围内布设且测点不少于7个。
光纤位移传感器还用来测量地下管线沉降，沿地下管线每5～15m布置一个测点，且放置在管线接头处或位移变化敏感部位。
光纤位移传感器还用来测量围护桩(墙)顶水平位移和垂直位移，沿基坑长边设置3～4个主侧断面，断面在基坑两侧的桩(墙)顶设置测点。
其中，变形光纤传感器、光纤裂缝传感器用来测量周边建(构)筑物变形程度，测点布置在基坑开挖深度约1～2倍的距离范围，在建筑物的四角(拐角)上，高低悬殊或新旧建筑物连接处，伸缩缝、沉降缝和不同埋深基础的两侧，每幢建筑物上不宜少于4个沉降点，两组倾斜测点(每组2个)。
布置在支撑的端部或中部。在监控轴力的重要支撑时，宜同时使用光纤位移传感器测量其两端和中部的沉降和位移。
光纤水位传感器用来测量地下水位，测点布置在基坑的四角点以及基坑的长短边中点，或沿基坑长边每20～40m布置一个测点，测点距基坑围护结构距离为1.5～2m左右。
本实施例提供的可供选择的多种传感器类型，具体包括光纤位移传感器、变形光纤传感器、光纤裂缝传感器、光纤力传感器以及光纤水位传感器中的至少一种，能够全方位的检测地铁施工项目状态信息，为系统显示以及预警提供数据基础。
实施例三
参见图2，为本发明提供了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统预警系统流程图；
具体为传感器节点采集数据，通过传感器网系统持续监测周围的物质环境，并以恒定速率发送监测数据。在监测过程中，通过在传感器节点中的处理器单元中设置针对监控项目的阀值，当监测的数值超过或者低于阀值，以及监测数值发生异常变化时，传感器节点会自动发出预警，同时仍将数据发送给监控中心，以上步骤为自动预警。此处的监控中心即为PC终端，其具备数据分析能力，可以通过不同的分析方法对数据进行进一步的分析，不同的监控项目的数据通过分析得出不同的结果，比如沉降监测项目，通过数据分析可以得出沉降量、沉降速率、沉降预测值，将这些分析结果进行全面地综合地考虑，然后对监控项目做出合理的预警，以上步骤称为监控预警。
综上所述，本实实施例提供了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统预警系统，能够结合自动预警以及监控预警，更准确地完成预警动作。自动预警可以很好的发现监控体系中因环境等因素造成监测体系破坏的情况，通过人工及时修复，可以有效避免无效数据的产生。另外，自动预警也可以对监测项目的异常变化做出及时的预警，这使得管理人员可以及时地发现出发状况，提前采取防护措施。分析预警是通过数据分析得出沉降量、沉降速率、沉降预测值等监测项目，将这些分析结果进行全面地综合地考虑，然后对监控项目做出合理的预警。上述方案不仅提高了预警的自动性与准确性，也基于此提高了系统的监控效率以及自动化程度。
实施例三
参见图3，为本发明提供了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统无效数据过滤流程图，具体为：
S310：无线网络数据采集；
S320：判断数据入库系统是否正常，若是，则进入S330；若否，则返回S310；
S330：将数据传输至无线网络数据缓冲池；
S340：判断是否有新采集的数据，若是，则进入S350；若否，则返回S330；
S350：数据转换与处理；
S360：监控项目检测数据。
本实施例提供一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统无效数据过滤流程，S310无线传感器收集数据，传感器包括光纤位移传感器、变形光纤传感器、光纤裂缝传感器、光纤力传感器以及光纤水位传感器中的至少一种。
S320判断入库系统是否正常，即判断上述传感器所采集的数据是否可以正常传输至PC终端中的数据库，如果可以，则进入步骤S330，如果入库系统不正常，则返回步骤S310。
S330将数据传输至无线网络数据缓冲池，本步骤将所采集的数据传输至无线网络数据缓冲池。
S340判断是否有新采集的数据，若是，则进入S350；若否，则返回S330；
本步骤对数据进行判断，判断所采集的数据是否为新的数据，若为新数据，则进行步骤S350，若非新数据，则返回步骤S330.
S350数据转换与处理，本步骤是在当有新数据产生时，将数据进行过滤、约减以及整合后，再将数据传输至步骤S360。
S360监控项目检测数据，本步骤会与步骤S340进行相互校验，以及对步骤S350传输过来的数据进行监测。
通过上述技术方案，提供了一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统无效数据过滤流程，能够有效避免无效数据的产生，提高了系统的存储能力以及处理能力。
实施例四
参见图4，提供了一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法流程图，具体包括：
S410：收集被监测对象数据，并将数据发送至一级汇聚节点；
S420：所述一级汇聚节点将数据汇总并发送至数据处理器；
S430：所述数据处理器接收并对数据进行处理后，将数据发送至二级汇聚节点；
S440:利用所述二级汇聚节点对数据进行整合与约减，并发送数据至显示及告警单元；
S450:所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围，若是，则进行预警；若否，则进行人为判断。
本实施例提供了一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法流程图，其中，步骤S410收集被监测对象数据，并将数据发送至一级汇聚节点；
传感器收集施工场地内的多种监测信息，并将收集的数据传输至一级汇聚节点。
S420所述一级汇聚节点将数据汇总并发送至数据处理器；
本步骤中，一级汇聚节点将接收到的数据进行汇总，然后发送至数据处理器。
S430所述数据处理器接收并对数据进行处理后，将数据发送至二级汇聚节点；
数据处理器接收数据并将数据处理后发送至二级汇聚节点。
S440利用所述二级汇聚节点对数据进行整合与约减，并发送数据至显示及告警单元；
二级汇聚节点将数据进行整合与约减，并将数据发送至PC终端，以进行数据的显示及预警。
S450所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围，若是，则进行预警；若否，则进行人为判断。
本步骤中，首先，显示及告警单元对数据进行显示，其次，可以根据数据进行分析，并基于分析结论进行预警。
在步骤S450之前，还包括步骤：传感器根据预设阈值判断被检测对象是否异常，若是，则进行预警；若否，则将数据传输至监控中心。
步骤S450为基于监控中心的全面分析预警，而本步骤为基于无线传感器的自动预警。在监测过程中，通过在传感器节点中的处理模块中设置针对监控项目的阀值，当监测的数值超过或者低于阀值，以及监测数值发生异常变化时，传感器节点会自动发出预警，同时仍将数据发送给监控中心。
自动预警可以通过人工及时修复，有效避免无效数据的产生。另外，自动预警也可以对监测项目的异常变化做出及时的预警，这使得管理人员可以及时地发现出发状况，提前采取防护措施。
本步骤将自动预警体系和分析预警体系结合，自动预警能够有效地及时发现监控项目的异常情况，而分析预警则能够更加精确地得出监控项目的安全状态，结合两者的监控预警体系能够更好的为管理者提供决策依据。
本发明提出一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法，包括：收集被监测对象数据，并将数据发送至一级汇聚节点；所述一级汇聚节点将数据汇总并发送至数据处理器；所述数据处理器接收并对数据进行处理后，将数据发送至二级汇聚节点；利用所述二级汇聚节点对数据进行整合与约减，并发送数据至显示及告警单元；所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围，若是，则进行预警；若否，则进行人为判断。通过上述技术方案，形成了一种基于无线传感器网的地铁安全监控方法，能够通过无线传感器形成传感器网络，实时地监控地铁施工项目信息，并通过无线网络将数据传输回数据库中，对数据加以处理后用于预警监控，提高了地铁施工过程中监控效率以及信息化程度，并降低了维护费。
Claims (10)
1.一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，包括：传感器模块、无线数据传输模块、管理中心模块，其中，
所述传感器模块用于数据采集、处理以及传输数据，具体包括传感器节点单元、处理器单元、无线通信单元；
所述无线数据传输模块包括一级汇聚节点、数据处理器、二级汇聚节点，所述传感器节点单元与所述一级汇聚节点相连接；
所述管理中心模块包括显示及告警单元，所述显示及告警单元用于接收所述二级汇聚节点传输的数据并对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，所述传感器节点单元包括光纤位移传感器、变形光纤传感器、光纤裂缝传感器、光纤力传感器以及光纤水位传感器中的至少一种，
所述光纤位移传感器要用来测量地表沉降、地下管线沉降、围护桩顶水平位移与垂直位移；
所述的变形光纤传感器、光纤裂缝传感器用来测量建筑物变形程度；
所述的光纤力传感器用来测量支撑轴力。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，所述一级汇聚节点用于汇总传感器采集的数据，并由所述数据处理器进行数据处理后，传送给所述二级汇聚节点进行整合及约减。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，所述显示及告警单元用于对数据进行显示以及通过数据分析做出警告提示包括：
所述显示及告警单元可以为PC终端，所述PC终端接收所述二级汇聚节点处理的数据，用于以图表的形式显示整个系统的监控拓扑结构图、传感节点的数据存储以及实时查询结果中的至少一种；
所述PC终端还用于通过数据分析出支护结构的水平位移、沉降以及利用数值模拟法分析基坑施工期间支护结构位移变化规律，并基于分析做出预警。
5.根据权利要求4所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，所述PC终端配备有数据库管理系统，所述数据库管理系统自定义了元数据信息以及设置了双备份机制；
相应地，所述PC终端接收所述二级汇聚节点处理的数据包括：
所述数据库管理系统接收所述二级汇聚节点处理的数据并进行存储。
6.根据权利要求2所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，所述传感器节点单元中的传感器还设置有自动预警功能，以使得系统能够避免产生无效数据以及提前采取防护措施。
7.根据权利要求2所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，
所述感器节点单元中的传感器可以设置为周期性检测，以使得系统可以长期进行监测；
或，
所述感器节点单元中的传感器设置为反应式监控，以使得系统可以监控异常事件。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的一种基于无线传感网的地铁施工安全监控系统，其特征在于，
所述处理器模块采用TIMSP430F5418微控制器，用于进行包括但不限于数据处理及存储、电池能量监测、系统任务调度、执行通信协议以及节点调度管理；
所述的无线通信模块采用2.4GHz RF芯片CC2500，用于在传感器之间以及传感器与汇聚节点之间进行通信。
9.一种基于无线传感网的地铁施工安全监控方法，其特征在于，包括：
收集被监测对象数据，并将数据发送至一级汇聚节点；
所述一级汇聚节点将数据汇总并发送至数据处理器；
所述数据处理器接收并对数据进行处理后，将数据发送至二级汇聚节点；
利用所述二级汇聚节点对数据进行整合与约减，并发送数据至显示及告警单元；
所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围，
若是，则进行预警；
若否，则进行人为判断。
10.一种基于无线传感网的地铁施工安全监控方法，其特征在于，在所述显示及告警单元显示数据并判所述数据是否处于异常范围之前还包括：
传感器根据预设阈值判断被检测对象是否异常，
若是，则进行预警；
若否，则将数据传输至监控中心。
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