CN113971866A - 隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统及方法，包括：流速传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的流速信息；浸没传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的液位信息；手持终端，用于获取人员所处的位置信息；警情处理器，用于根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势，根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；引导灯，用于根据事故的危险等级进行显示报警。实现了突水突泥事故发生后的及时准确报警。

Description

隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统及方法

技术领域

本发明涉及隧道工程技术领域，尤其涉及隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

绝大部分隧道在建设过程中都会或多或少地遭遇不良地质或地质灾害，在这其中，突水突泥便是最严重的灾害类型之一。在隧道掘进时，当掌子面前方存在断层、破碎带或溶洞，且填充有大量的地下水或泥浆时，如果没有及时探明掌子面前方的含水构造并采取相应的保护措施，便有可能发生突水突泥灾害，严重威胁隧道内施工人员的生命安全。

在隧道突水突泥灾害预警方面，现存的专利均集中于对突水突泥事故发生前的征兆辨识以及临突状态的预警，例如通过在围岩内埋设监测元件以获取围岩水压、水温等监测指标，或者通过微震监测，识别围岩发生突水突泥灾害的潜在风险。然而，针对隧道突水突泥灾害发生之后，第一时间发出警报并快速有序地疏散洞内工作人员这一需求，现存的技术并未提出较好的解决方案。此外，随着长距离隧道和复杂线型隧道越来越普遍，隧道掌子面处发生的突水突泥事故或许无法立即被隧道内其他位置的工作人员发现，若不能以最快速度疏散隧道内全部的工作人员，将有可能导致严重的安全责任事故发生。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统及方法，当突水突泥事故发生时，能够对隧道内不同位置处的事故危险等级进行判断，并根据不同的危险等级进行报警，并指导人员疏散。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，提出了隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，包括：

流速传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的流速信息；

浸没传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的液位信息；

手持终端，用于获取人员所处的位置信息；

警情处理器，用于根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势，根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；

引导灯，用于根据事故的危险等级进行显示报警。

第二方面，提出了隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散方法，包括：

获取隧道内不同位置处水体的流速信息、水体的液位信息和人员所处的位置信息；

根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势；

根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；

根据事故的危险等级进行显示报警。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开能够在突水突泥事故发生后，在第一时间发出警报，通知洞内工作人员及时撤离，解决了较复杂或较长的隧道内人员往往不能及时发现突水突泥事故的问题。

2、本公开根据水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定不同位置事故的危险等级，进而对不同位置处事故的危险等级进行显示，从而能够根据不同的危险等级选择逃生路线。

3、本公开还能够根据人员位置信息、水体到达位置及水体流速信息，确定剩余逃生时间，并能自动生成最优逃生路径，从而指导人员逃生，有效解决了事故发生时人员的安全逃生问题。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开实施例针对双洞隧道公开的系统组成示意图；

图2为本公开实施例针对单洞隧道公开的系统组成示意图；

图3为本公开实施例公开系统在隧道横断面方向的布置图；

图4为本公开系统工作流程图；

图5为本公开不同等级警报发出机制流程图。

其中：1、隧道掌子面，2、横通道，3、流速传感器，4、浸没传感器，5、手动报警装置，6、警报器，7、引导灯，8、手持终端，9、通信站，10、洞内通信环路，11、洞外警情处理器，12、传感器隔水板。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

在该实施例中，公开了隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，包括：

流速传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的流速信息；

浸没传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的液位信息；

手持终端，用于获取人员所处的位置信息；

警情处理器，用于根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势，根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；

引导灯，用于根据事故的危险等级进行显示报警。

进一步的，警情处理器获取的液位变化趋势包括液位上升速度和液位深度比变化趋势，液位深度比通过人员所处位置的液位信息及逃生路线前方位置的液位信息计算获得。

进一步的，沿隧道边墙垂直方向间隔设置多个浸没传感器，并沿隧道轴向间隔设置多个浸没传感器；

警情处理器根据沿隧道边墙垂直设置的浸没传感器获取的液位信息，获取液位上升速度。

进一步的，警情处理器，还用于根据人员所处的位置信息和水体在隧道内到达的位置信息，获得人员距水体的距离；根据人员距水体的距离和水体的流速信息，获取剩余逃生时间。

进一步的，根据不同位置处浸没传感器的液位信息，确定水体在隧道内到达的位置信息。

进一步的，警情处理器还根据人员所处的位置信息及隧道全局空间模型，获取人员逃生的全部路径；分析影响人员通行的因素，获得每条路径的当量长度；根据每条路径的当量长度确定最优疏散路径。

进一步的，手持终端还用于对剩余逃生时间和最优疏散路径进行显示。

进一步的，所述系统还包括报警器和手动报警装置；

报警器，用于事故发生时发出报警；

手动报警装置，用于手动报警。

进一步的，流速传感器、浸没传感器、手持终端和引导灯均通过数据通信模块与警情处理器连接。

对本实施例公开的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统进行详细说明。

如图1-3所示，本实施例公开的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，包括隧道突水突泥事故触发模块、警报及人员疏散模块、数据通信模块和洞外警情处理器11。

其中，隧道突水突泥事故触发模块包括流速传感器3、浸没传感器4和手动报警装置5，通过隧道突水突泥事故触发模块识别突水突泥事故的发生，并初步判断水体量及水体流速，触发突水突泥事故报警流程。

流速传感器3为光纤光栅流速传感器，数量为多个，多个流速传感器沿隧道轴向间隔设置。

在具体实施时，流速传感器在隧道一侧边墙距底板0.2m设置，且沿隧道轴向间隔15m设置，通过流速传感器3获取隧道内不同位置处水体的流速信息。

浸没传感器4为接触式水浸探测器，用于获取隧道内不同位置处水体的液位信息，浸没传感器4的数量为多个，布置在隧道内一侧边墙，为防止围岩渗水导致浸没传感器4误判，在侧壁围岩与浸没传感器4间设置传感器隔水板12。

在具体实施时，浸没传感器4在隧道边墙垂直方向每间隔0.1m设置一处，通过水体淹没相邻浸没传感器4的时间差，计算隧道该横断面处的液位上升速度。

浸没传感器4还沿隧道轴向间隔10m设置一列，通过比较隧道不同横断面处液位的高低判断逃生路线前方水位深度比的变化趋势。

由于隧道施工台车和二衬台车都是随施工进行移动的，在不影响施工的前提下，流速传感器和浸没传感器也可以布设在施工台车和二衬台车上。

手动报警装置5设置在隧道边墙，沿隧道轴向间隔30～50m设置一处，当洞内人员发现突水突泥事故发生后，人为触发手动报警装置进行报警。

洞外警情处理器11，根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势，根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级。

其中，液位变化趋势包括液位上升速度和液位深度比变化趋势。

液位上升速度根据水体淹没隧道边墙垂直方向上设置的相邻浸没传感器4的时间差和相邻浸没传感器4的间隔距离获得，计算公式为：

式中，v_v(cm/s)为某横断面液位上升速度，t(s)为淹没垂直向相邻两处浸没传感器的时间，S为相邻浸没传感器的间隔距离。

液位深度比根据人员所处位置的液位信息和逃生路线前方位置的液位信息计算获得，公式为：

式中，h₀表示人员所处位置横断面的液位信息，h_i表示逃生路线前方各位置横断面的液位信息。

根据逃生路线前方各位置的液位深度比，获取液位深度比变化趋势。

洞外警情处理器11在获取液位变化趋势的基础上，根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级，结合隧道全局空间模型，生成风险云图。

如图4、5所示，当隧道掌子面发生突水突泥灾害后，首先会触发靠近底板的浸没传感器4，若液位＜10cm，则认为危险性较小，可通行，并触发引导灯进行绿色警报；

若液位超过10cm，随着积水进一步变深，流速传感器3会被触发，若所测流速＞1m/s，认为水流阻力会对人员撤离产生一定影响，则触发黄色警报，指示人员谨慎迅速通过；

若撤离路线前方横断面与人员所在断面的水位深度比＞1.5，且一直呈增大趋势，则触发橙色警报，不建议通行；

若某一横断面处液位超过0.5m，且液位上升速度＞acm/s，危险性大，则触发红色警报，禁止通行，其中a的取值参照下表：

隧道长度(m)	＜500	500～1000	1000～3000	＞3000
					a	1	0.7	0.5	0.3

考虑隧道设计纵坡，若水流方向顺坡，可适当增大各参数的触发标准；若水流方向逆坡，应适当减小各参数的触发标准。

警报及人员疏散模块包括警报器6、引导灯7和手持终端8，用于发出警报信息，引导洞内人员的疏散。

若洞内人员发现某处发生突水突泥情况，则应立即向最近的手动报警装置5或通过手持终端8人为触发红色警报。

警报器6接到洞外警情处理器11发出的报警信号后触发警鸣报警功能，提示隧道内人员撤离。

引导灯7根据洞外警情处理器11确定的不同位置处事故的危险等级显示不同的颜色，向人员传递不同位置的事故危险等级。其中：绿色警报指示危险性较低，可通行；黄色警报指示具有危险性，应谨慎迅速通过；橙色警报指示危险性高，不建议通行；红色警报指示禁止通行。

手持终端8具备定位功能，用于获取人员在隧道内的位置信息，手持终端8将获取的位置信息发送至洞外警情处理器11后，警情处理器11根据人员所处的位置信息和水体在隧道内到达的位置信息，获得人员距水体的距离；根据人员距水体的距离和水体的流速信息，获取剩余逃生时间；同时，根据不同位置处浸没传感器的液位信息，确定水体在隧道内到达的位置信息，根据人员所处的位置信息及隧道全局空间模型，获取人员逃生的全部路径；分析影响人员通行的因素，获得每条路径的当量长度；根据每条路径的当量长度确定最优疏散路径。

警情处理器11将获取的风险云图、剩余逃生时间和最优疏散路径发送至手持终端8处，指导人员逃生。

此外，警情处理器11还将最优疏散路径发送至引导灯7处，引导灯7通过显示不同颜色提示该位置是否可以通行。

警情处理器11确定最优疏散路径的具体过程为：

(1)根据预先导入的隧道全局空间模型，自动搜索由人员所处位置到隧道出口的逃生的全部路径；

(2)确定每条路径的当量长度：通过分析影响人员通行的因素，考虑人员位置、隧道尺寸、坡度、水位深度及流速、影响人员通行的障碍物等因素，计算路径可通行系数，得出每条路径的当量长度，路径的当量长度计算公式如下：

其中，L_i为第i条路径的当量长度；K是通行难易系数，通过隧道尺寸、坡度、水位深度及流速确定；l_i是第i条路径的实际长度；n是该路径内障碍物的数量；l_ij为第i个路径中第j个障碍物的当量长度。

(3)根据每条路径的路径当量长度及最优疏散路径函数确定最优疏散路径，获得的最优疏散路径为路径当量长度最小的路径，其中，最优疏散路径函数F为：

F＝min(L_i)。

在具体实施时，通过人工智能算法对最优疏散路径函数进行求解，获得最优疏散路径，该人工智能算法可以为蚁群算法。

如图1所示，对于双洞隧道，当2#洞掌子面处发生突水突泥灾害并触发报警系统，2#洞由于呈“凹”型坡导致撤离前方积水变深，淹没传感器提示前方水位深度比较大，风险较高，由于预先导入的隧道模型显示1#洞高程略高于2#洞，水流不易进入1#洞，则自动生成由1#横通道进入1#洞撤离的路线。

需要注意的是，以上实施例仅针对双线且设横通道的隧道，若仅为单洞隧道，如图2所示，则工作人员应在突水突泥灾害警报触发后迅速向洞外撤离。

数据通信模块包括通信站9和洞内通信环路10，用于隧道突水突泥事故触发模块、警报及人员疏散模块与洞外警情处理器11之间的信息通信。

具体为：隧道突水突泥事故触发模块、警报及人员疏散模块与通信站9连接，通信站9与洞内通信环路10连接，洞内通信环路10与警情处理器11连接。

本实施例公开的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，能够针对隧道内突水突泥事故发生后，在第一时间发出警报，通知洞内工作人员及时撤离，解决较复杂或较长的隧道内工作人员往往不能及时发现突水突泥事故的问题，此外，通过设置的传感器测得水体的液位、流速和液位变化趋势，进而判断不同位置的危险等级，进而根据不同的危险等级进行显示，从而对人员逃生进行有效引导，尤其针对海底隧道其高程走势一般呈“W”状的情况，逃生时若不慎进入积水越来越深的路段，其风险较高，本实施例提出了水位深度比来判断逃生路线前方积水深度的变化趋势。

此外，本发明还可以根据手持终端上传的逃生人员实时位置和突水突泥事故点，自动计算剩余逃生时间，并生成最优疏散路线下达手持终端和引导灯，指导工作人员撤离。

实施例2

在该实施例中，公开了隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散方法，包括：

获取隧道内不同位置处水体的流速信息、水体的液位信息和人员所处的位置信息；

根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势；

根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；

根据事故的危险等级进行显示报警。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，包括：

流速传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的流速信息；

浸没传感器，用于获取隧道内不同位置处水体的液位信息；

手持终端，用于获取人员所处的位置信息；

警情处理器，用于根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势，根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；

引导灯，用于根据事故的危险等级进行显示报警。

2.如权利要求1所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，警情处理器获取的液位变化趋势包括液位上升速度和液位深度比变化趋势，液位深度比通过人员所处位置的液位信息及逃生路线前方位置的液位信息计算获得。

3.如权利要求1所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，沿隧道边墙垂直方向间隔设置多个浸没传感器，并沿隧道轴向间隔设置多排浸没传感器；

警情处理器根据沿隧道边墙垂直方向设置的浸没传感器获取液位信息的时间差，获取液位上升速度。

4.如权利要求1所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，警情处理器，还用于根据人员所处的位置信息和水体在隧道内到达的位置信息，获得人员距水体的距离；根据人员距水体的距离和水体的流速信息，获取剩余逃生时间。

5.如权利要求4所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，根据不同位置处浸没传感器的液位信息，确定水体在隧道内到达的位置信息。

6.如权利要求4所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，警情处理器还根据人员所处的位置信息及隧道全局空间模型，获取人员逃生的全部路径；分析影响人员通行的因素，获得每条路径的当量长度；根据每条路径的当量长度确定最优疏散路径。

7.如权利要求6所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，手持终端还用于对剩余逃生时间和最优疏散路径进行显示。

8.如权利要求1所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，所述系统还包括报警器和手动报警装置；

报警器，用于事故发生时发出报警；

手动报警装置，用于手动报警。

9.如权利要求1所述的隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散系统，其特征在于，流速传感器、浸没传感器、手持终端和引导灯均通过数据通信模块与警情处理器连接。

10.隧道突水突泥灾害联动报警及人员智能疏散方法，其特征在于，包括：

获取隧道内不同位置处水体的流速信息、水体的液位信息和人员所处的位置信息；

根据不同位置处水体的液位信息，获取不同位置液位变化趋势；

根据不同位置水体的液位信息、流速信息和液位变化趋势，确定事故的危险等级；

根据事故的危险等级进行显示报警。

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