CN113706838A - 一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪，包括多个不同感知类型的传感器，无线传感器异构无线网络Wi‑Fi综合网关及便携式终端设备。传感器通过变送网络，把经过A/D转换后的数字化传感器信号通过无线通道传送给子网或直接发送给网关或者便携式终端设备。无线传感器异构无线网络Wi‑Fi综合网关实现异构无线信号的一致性协议转换并将转化后的信号发送给便携式终端设备。终端设备通过风险评估软件实现对传感器数据的处理和标定，并实现对地铁和地下管廊施工安全风险的综合评估。该风险解析仪能实时监测地铁和地下管廊施工的各种风险因素，并通过内置的综合分析系统进行评估，实现对施工风险的实时预、报警，且方便随身携带。
Description
技术领域
本发明涉及地铁、隧道、管廊等地下工程施工风险预警设备技术领域。更具体的说，本发明涉及一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪。
背景技术
地铁和综合管廊投资成本高、施工周期长、风险高，在施工期间发生事故不仅易造成人员伤亡，也会导致周边环境出现重大隐患，从而引发一系列更大的危机，故对其施工过程中的安全问题，尤其是结构和周遭环境安全问题的质量把控、故障排查与安全预警是十分必要的。目前市面上的监测系统大多针对运营期的隧道所开发，而施工期与运营期监控条件差别较大，不能直接使用，另外，目前的系统存在着“重监测、轻分析”的缺点，对所采集的数据很少分析或者不分析，只达到可查看数据的基本要求，另外，对历史数据的利用也不够，未能做到对数据走势进行合理预测，即提前预警的功能。
发明内容
为解决现有设备存在的的不足，本发明提供一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪，其能实时监测地铁和综合管廊隧道施工的各种风险因素，并通过内置的综合分析系统进行评估，实现对施工风险的实时预、报警，且方便随身携带。
为实现上述目的，本发明的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪，包括：
多个传感器，其包括不同感知类型的传感器(1)，用于实时监测地铁和地下管廊施工过程中的各种风险因素；
无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)，用以实现不同感知类型的传感器(1)异构无线信号的一致性协议转换，无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)包括有线网关和无线网关；
便携式终端设备(3)，包括平板电脑、智能手机或PAD；通过便携式终端设备(3)内置的风险评估软件实现对传感器(1)数据的处理和标定，并实现对地铁和地下管廊施工安全风险的实时评估。
进一步地，不同感知类型的传感器(1)包括：土压计(4)、钢筋计(5)、应力计(6)、孔压计(7)、温度计(8)、湿度计(9)以及甲烷和一氧化碳传感器(10)等，其中土压计(4)、钢筋计(5)和应力计(6)分别安装在拱顶、左右拱肩、左右拱腰和左右拱脚，另外钢筋计(5)还需在中隔墙和中隔板钢格栅内进行安装，温度计(8)、湿度计(9)以及甲烷和一氧化碳传感器(10)安装在二衬内，用于实时监测地铁和地下管廊施工过程中的混凝土变形、钢筋变形、地下水水平、温度、湿度、有害气体以及地表塌陷。传感器(1)通过变送网络(主要包括无线传感器网络(WSN)、WI-FI(4G)、RFID、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee和5G无线网络)，把经过A/D转换后的数字化传感器信号通过无线通道传送给子网(集中器或者汇聚器)或直接发送给网关(2)或者便携式终端设备(3)。
进一步地，无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)主要实现异构无线信号的一致性协议转换并将转化后的信号发送给便携式终端设备(3)，无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)的有线网关是RS232或者485总线，无线网关包括目前已经普及化的WI-FI(4G)或者未来的5G网络，特别是可以在便携式终端设备(3)和ZigBee无线传感器网络之间提供一种基于Wi-Fi的通信链路。通过ZDApp_init()函数完成设备的初始化，之后协调器建立无线网络。协调器在建网的时候使用PANID来识别唯一一个ZigBee网络。在设备初始化之后，传感器节点根据ZigBee协议栈搜寻附近的网络，根据协调器的PANID值加入到相应的网络。传感器(1)定时采集数据、上传任务用作周期性事件处理，周期信息是周期性地触发SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT事件产生的。通过调用定时触发函数对该事件进行定时触发，一直循环下去。调用数据发送函数SampleApp_SendPeriodicMessage()发送数据，当接收端接收到该信息后会触发一个事件，使该节点通过接收数据函数SampleApp_MessageMSGCB()接收从传感器节点的应用层发来的数据包。通过osal_memcpy()完成数据的整合，发送给协调器。协调器通过串口与PC连接，通过HalUARTRead()函数读取串口数据，通过HalUARTWrite()函数将数据发送给PC。
进一步地，便携式终端设备(3)将收到的不同感知类型的传感器数据进行三个层次的数据融合：多元传感器融合、特征级融合和决策级融合。便携式终端设备(3)内置的基于熵权法的施工风险评估系统将施工风险分为五级(可靠状态、安全状态、跟踪状态、预警状态和报警状态)，其可以根据传感器(1)传回的实时数据进行分析并显示当前所处的状态，实现对施工风险的实时预、报警。
本发明至少包括如下有益效果：
(1)基于多种不同传感器，能够实时监测地铁和地下管廊施工过程中的混凝土变形、钢筋变形、地下水水平、温度、湿度、有害气体以及地表塌陷，实现了综合的安全风险评价；
(2)传感器通过变送网络及无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关，可以将信号实时传输给便携式终端设备，以实现实时分析评价；
(3)便携式终端设备内置的五级施工风险评估系统是专门针对地铁和地下管廊施工设计的，避免了市面上的监测系统大多针对运营期隧道所开发以至于在隧道施工阶段不适用的问题；
(4)便携式终端设备通过对传感器数据进行三个层次的数据融合，不仅实现了实时报警，更实现了实时预警；
(5)终端设备为平板电脑、智能手机或PAD，方便工程技术人员随身携带，实现了便携的功能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。
图1是本发明一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪的原理图。
图2是图1中不同感知类型传感器的布设位置图。
图3是图1中构建、设置无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关步骤图。
图4是图1中便携式终端设备内置的风险评估系统工作流程图。
图中：1-不同感知类型的传感器；2-无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关；3-便携式终端设备；4-土压计；5-钢筋计；6-应力计；7-孔压计；8-温度计；9-湿度计；10-甲烷和一氧化碳传感器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例一：
本实施例提供了一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪的使用方法，如图1所示，包括：
步骤一、安装不同感知类型的传感器
如图2所示，假设有一正在开挖的地铁暗挖隧道，隧道初期支护传感器主要选择7个截面位置进行布置，分别为拱顶、左右拱肩、左右拱腰和左右拱脚，传感器的类型包括土压计(4)、钢筋计(5)和应力计(6)。隧道为对称结构，左右对称布置既可以反映出隧道俩侧受力的差异，同时又可以相互对照，以确保传感器正常工作，同时保证数据的合理有效性。隧道开挖处水位位于中隔板位置附近，考虑到仰拱部分施工复杂、传感器线路的保护及初支底部平缓、水压变化很小，因此分别在拱脚附件安装孔压计(7)。除隧道与土接触部分外，还在中隔墙和中隔板钢格栅内布置了钢筋计(5)。随着隧道开挖、支护的进度逐步在隧道二衬内安装温度计(8)、湿度计(9)以及甲烷和一氧化碳传感器(10)等。
步骤二、构建、设置无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关
如图3所示，构建、设置无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)包含四个步骤：
S1.启动过程分析
启动过程如下：
A.操作系统初始化；
B.系统任务初始化；
C.设备对象初始化和用户任务初始化；
在用户任务初始化过程中，OSAL分配的任务ID随着用户添加任务的增多而改变。在任务初始化过程中定义APS层的端点描述符和描述符的任务ID。设定组号和组名，把该组添加到APS中。
S2.发送与接收数据
传感器(1)定时采集数据、上传任务用作周期性事件处理，周期信息是周期性地触发SAMPLEAPP_SEND_PERIODIC_MSG_EVT事件产生的。通过调用定时触发函数对该事件进行定时触发，一直循环下去。调用数据发送函数SampleApp_SendPeriodicMessage()发送数据，当接收端接收到该信息后会触发一个事件，使该节点通过接收数据函数SampleApp_MessageMSGCB()接收从传感器节点的应用层发来的数据包。通过osal_memcpy()完成数据的整合，发送给协调器。协调器通过串口与PC连接，通过HalUARTRead()函数读取串口数据，通过HalUARTWrite()函数将数据发送给PC。
S3.协调器建网
通过ZDApp_init()函数完成设备的初始化，初始化之后，协调器将建立无线网络。协调器在建网的时候使用PANID来识别唯一一个ZigBee网络。如果协调器建网成功，则允许协调器设置为绑定。此时查看协调器周围是否有传感器(1)想要加入网络，如果有，则协调器建立绑定表并发出绑定请求。可以通过协调器是否能够接收到传感器节点的数据来判断是否成功建立绑定。如果接收不到数据则重新建立绑定，如果接收到数据，则将数据发到串口传输给PC机。
S4.传感器入网
在设备初始化之后，传感器节点根据ZigBee协议栈搜寻附近的网络，根据协调器的PANID值加入到相应的网络。当传感器(1)加入网络后，父节点会为其子节点分配网络地址。它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。在发送数据的时候，传感器(1)接收到数据传送请求，就会周期性地将测量数据发送给协调器。
步骤三、便携式终端设备对地铁和地下管廊施工安全风险进行实时评估
便携式终端设备(3)结合不同施工阶段各个风险项的实时监测数据，采用内置的五级施工风险评估系统，计算出影响风险的各评价指标的权重,直观反映出隧道施工过程中的风险情况，并根据评估后的风险等级确定风险源，指导现场安全施工。如图4所示，对于本拟评价的地铁暗挖隧道工程，工程技术人员携带终端设备(3)进入隧道，终端设备会首先对评价指标安全等级按规范及设计要求进行划分，同时采集并输入各个风险项的实时监测数据，其次进行单指标风险分析，若某评价指标的监测数据处于报警状态，证明该指标有较大施工风险，程序会输出该指标。单指标分析结果通过后，进行多指标综合评判，经程序运算后，在多指标风险等级结果输出模块中可以得到各级评价指标的权重和该工程的风险等级。当施工风险的某评价指标监测数据处于报警状态或当多指标风险综合评判结果为跟踪状态、预警状态或报警状态时，管理人员需要结合施工现场实际情况采取相关措施。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪，其特征在于，包括：
多个传感器(1)，其包括不同感知类型的传感器，用于实时监测地铁和地下管廊施工过程中的各种风险因素；
无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)，用以实现传感器异构无线信号的一致性协议转换，它包括有线或无线网关；
便携式终端设备(3)通过内置的风险评估软件实现对传感器(1)数据的处理和标定，并实现对地铁和地下管廊施工安全风险的评估，
所述不同感知类型的传感器(1)通过无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)将信号传输给便携式终端设备(3)并进行风险评估。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪，其特征在于，所述不同感知类型的传感器(1)至少包括土压计(4)、钢筋计(5)、应力计(6)、孔压计(7)、温度计(8)、湿度计(9)、甲烷和一氧化碳传感器(10)。
3.根据权利要求1所述的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪，其特征在于，所述传感器(1)将各种传感器信号经过A/D转换变成数字化信号，并通过无线通道传送给子网或直接发送给网关(2)或者便携式终端设备(3)。
4.一种基于权利要求1所述的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪的无线传感器异构无线网络Wi-Fi综合网关(2)构建和设置，其特征在于，包括步骤：
S1：启动过程分析，包括：操作系统初始化、系统任务初始化、设备对象初始化和用户任务初始化；
S2：传感器(1)定时采集数据通过osal_memcpy()完成数据的整合，发送给协调器；协调器通过串口与PC连接，通过HalUARTRead()函数读取串口数据，通过HalUARTWrite()函数将数据发送给PC；
S3：通过ZDApp_init()函数完成设备的初始化，初始化之后，协调器建立无线网络；此时查看协调器周围是否有传感器(1)想要加入网络，如果有，则协调器建立绑定表并发出绑定请求；如果接收不到传感器节点的数据则重新建立绑定，如果接收到数据，则将数据发到串口传输给PC机；
S4：在设备初始化之后，传感器节点根据ZigBee协议栈搜寻附近的网络，根据协调器的PANID值加入到相应的网络；在发送数据的时候，传感器(1)接收到数据传送请求，就会周期性地将测量数据发送给协调器。
5.一种基于权利要求1所述的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪的便携式终端设备(3)，其特征在于，将风险评估软件内置于平板电脑、智能手机或PAD上，实现便携的功能。
6.一种基于权利要求1所述的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪的三层次数据融合，其特征在于，多元传感器融合、特征级融合和决策级融合；其中多元传感器融合主要从多元化的传感器信息中通过数据关联实现对数据的过滤和清洗，进而实现对传感器状态的时空校准；特征融合主要通过分析多元化传感器的数据演变和不同的安全参数的变化，实现对施工安全特征全面的认识和建模；决策级融合主要根据安全施工专家的经验，从多样化的安全施工特征中识别安全事件，进而建立施工安全评估专家系统。
7.一种基于权利要求1所述的一种基于智能感知的便携式地铁和地下管廊施工风险自动解析仪的风险评估系统，其特征在于，内置的基于熵权法的施工风险评估系统将施工风险分为五级，根据传感器(1)传回的实时数据进行分析并显示当前所处的状态，输出处于报警状态的指标，实现对施工风险的实时预、报警。
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