隧道精确定位系统解决方案设计.docx

第一章 引言
自十一五以来，我国加大了基础设施建设力度，中国交通建设事业进入了快速发展轨道。尤其在高速公路、铁路、城市轨道方面的建设突飞猛进。在公路、铁路建设方面，道路建设路线逐渐由平原、微丘向山区高原挺进，隧道、桥梁等结构物占线路的比重越来越大，隧道建设工程数量持续增长；在城市轨道建设方面，地铁具有节省土地、减少噪音、减少污染、节省资源等优点，成为各城市解决拥堵、提升城市交通运输能力的重要手段。由于隧道及城市地铁建设的造价高、运营管理相对复杂、施工环境恶劣、事故发生频率较高，常要求对隧道中人员数量进行统计、对施工现场环境进行监控。
目前市场上隧道安全监控系统中都没有与外界直接通话的无线通信系统，在遇到突发事故，如崩塌、涌水涌泥等事故，不能及时向隧道监控室汇报，很容易贻误抢险时机。如果有无线通信系统，施工人员在隧道中工作，可随时将隧道的掘进和安全情况汇报到隧道监控室，便于调度和及时处理突发事故。
当遇到隧道突发事故，对隧道施工人员的抢救缺乏可靠的位置信息，也缺乏语音通信手段，抢险救灾、安全救护的效率仍然不高，效果不理想。由于通信网络不畅，通信手段单一，网络承受能力差，往往造成领导层信息不畅通，指挥不足，数字不准，不利于事故的抢险，极易造成事故损失的扩大。隧道对利用相应的人员跟踪定位设备，全天候对施工人员进行实时自动跟踪和考勤，随时掌握每个员工在隧道的位置及活动轨迹、全隧道人员的位置分布情况等需求迫切。
深圳 科技致力于隧道安全建设，通过深入研究我国隧道现状，推出了“隧道安全综合监测系统”。
1.1 系统简介
本系统着重在综合隧道管理各项资源，在保证既定的系统功能正常应用的前提下，利用先进zigbee技术对系统进行整合利用。包含视频监控、人员考勤和实时精确定位管理、人员/车辆门禁系统、LED大屏同步系统等。最大限度的利用资源将隧道工作、管理提升到更搞水平的管理平台上。
1.2 设计原则与依据
总体设计原则
总体以客户的需求为基本原则，并充分结合现有成熟完善的技术进行设计。
隧道综合应用系统是一个涉及视频监控技术、传感技术、LED显示技术、射频识别技术等多方面领域的先进技术，因此总体方案设计必须具有可靠性、安全性、先进性、灵活扩充性、经济实用性、操作和维护的方便性，更要具有前瞻性的建设全局统一管理的平台。
在规划设计过程中，系统设计以保障安全生产、提高企业效率，提升企业管理品质为目标，以高质量服务管理者和使用者为基本原则和设计思路。
系统设计原则
首先根据企业实际需要结合隧道区域现场具体情况，放置一定数量的信息传输分站，形成系统的传输主干网络。然后根据企业实际需要布置读卡主站（用于人员定位），典型情况下每隔800米布置一台读卡主站，可保证网络覆盖范围内无线手机及人员定位卡。典型情况下在隧道入口及锚喷面附近各放一台通信基站，可保证网络覆盖范围内无线通信；在隧道口附近放置一个读卡主站，可实现精确考勤管理，在隧道内放置读卡主站，可实现精确定位。
为需要定位的人员佩带一个定位卡，当人员进入隧道以后，只要在隧道网络覆盖范围内，在任何时刻任意一点 ，基站都可以感应到信号，并上传到信息工作站，经过软件处理，得出各具体信息（如：是谁，在哪个位置，具体时间），同时可把它动态显示（实时）在监控中心的电脑上或隧道外的LED大屏幕上，并作好备份。监管人员可随时了解隧道中人员的状态。
管理者也可以根据电脑上的分布示意图查看某一区域，计算机即会把这一区域的人员情况统计并显示出来。管理者能实时的观察到隧道内工作人员的即时区域位置，实现隧道内人员精确定位。另外一旦隧道内发生事故，可根据电脑中的人员定位分布信息马上查出事故地点的人员情况，以便帮助营救人员以准确快速的方式营救出被困人员。
一旦隧道内发生突发情况，隧道内人员可通过所携带的定位仪（识别卡）发出警报。 隧道内人员只要按定位仪上的报警按钮即可发出报警。在监控室的动态显示界面会立即弹出红色报警信号。
另外，系统还具有以下特性：
先进性：系统硬件应具有先进性,避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高或者过早淘汰。
可靠性：在充分考虑先进性的同时,硬件系统应立足于用户对整个系统的具体需求，应优先选择先进、适用、成熟的技术， 最大限度地发挥投资效益。
开放性：计算机网络选择和相关产品的选择要以先进性和适用性为基础,同时考虑兼容性。
扩充性：系统数据采集设备采用模块化结构和总线通信方式，在系统规模扩展时，不需较大的改造，增加相应的模块即可。
设计依据标准
设计标准、依据严格遵守国家或部委或地方相关的执行标准
Q/YRKJ001-2009 科技隧道、煤矿人员管理系统企业标准
Q/YRKJ006-2009 科技隧道、矿用无线通信系统企业标准
GB4208-2008 外壳防护等级（IP代码）
GB/T191-2008 包装储运图示标志
GB/T 2423.1-2001 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验A：低温
GB/T 2423.2-2001 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法 试验B：高温
GB/T 2423.4-2008电工电子产品环境试验 第2部分: 试验方法 试验Db 交变湿热（12h＋12h循环）
GB/T 2423.5-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击
GB/T 2423.8-1995 电工电子产品环境试验 第2部分：试验方法试验Ed：自由跌落
GB/T 2423.10-2008 电工电子产品环境试验 第2部分: 试验方法 试验Fc: 振动(正弦)
GB/T10111-2008 随机数的产生及其在产品质量抽样检验中的应用程序
GB/T2829-2002 周期检验计数抽样程序及表 (适用于对生产过程稳定性的检验)
GB/T 9969-2008 工业产品使用说明书总则
AQ1043-2007 本安产品安全标志标识
MT209-90 煤矿通讯、检测、控制用电工电子产品通用技术要求
MT210-90 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法
MT/T286-92 煤矿通信、自动化产品型号编制方法和管理方法
MT 1007-2006 本安信息传输接口
MT 1005-2006 本安基站
MT/T 772-1998 煤矿监控系统主要性能测试方法
MT/T899-2000 矿用信息传输装置
第二章 系统组成及工作原理
2.1 系统组成
隧道综合监测系统主要有人员考勤和精确定位管理系统、人员/车辆门禁系统、LED同步显示系统、视频监控系统组成。
人员进出定位管理系统
l 考勤管理
l 精确定位管理
人员/车辆门禁通道系统
l 门禁道闸管理
l 人员/车辆刷卡管理
视频监控系统
l 隧道口视频监控
l 掌子面视频监控
LED大屏同步显示系统
l 实时隧道内人员显示

2.2 系统应用总体平台架构
◇ 以本地系统为基础，实现各功能模块数据通信；
◇ 可以拥有远程中心，可实时查询当前隧道的相关安全信息；
◇ 采用包括前端工点监控、中间通讯层、后台调度监控的三层体系架构
◇ 前端工点监控（人员进出定位管理系统、视频监控、人员/车辆门禁管理）以及后台调度（远程 中心机房、服务器以及部分外部对接平台）采用B/S应用架构。
2.3 系统网络结构拓扑图
2.4人员进出定位管理系统
1) 系统能够覆盖隧道大部分区域。
2) 系统能可靠识别静态或≤80Km/h的高速移动目标。
3) 单台基站可同时识别200张以上的人员标识卡。
4) 人员定位标识卡采用有源工作方式（独立供电），超低能耗设计，一次充电可使用3个月，可充电500次，并具有欠压指示功能，出现欠压报警指示后定位卡可以正常工作3天。
5) 系统具有强大实用的隧道人员应急救援功能：
A、当隧道内人员遇险时，可触发“求救”按钮，当工人发现隧道塌方、涌水涌泥时，也可通过定位卡按键向监控中心发出对应报警信号，监控中心将及时报警，并可查询显示是谁、在什么时间、什么地点发出的报警
6) B、在隧道内某区域有危险需要撤离人员时，在监控中心的调度人员或系统管理人员可向隧道内危险区域人员群发紧急撤离通知，隧道内人员即可通过定位卡震动或声音、指示灯及时收到“撤离”信号；
7) 能准确地统计全隧道及某个区域（如：掌子面）的人员数量。
8) 可实时跟踪查询、打印当前及某时间段隧道内人员数量、活动轨迹及分布情况。
9) 基站和人员定位标识卡具有完全独立的发射与接收部件，其核心技术均由嵌入式微处理器和嵌入式软件组成。
10) 人员定位标识卡采用高级嵌入式微处理器，在嵌入式软件的控制下，实现编码、解码、通信及信息碰撞处理等功能。
11) 系统软件具有人员标识卡电池管理功能。
12) 自动识别功能：乘车出入的工作人员无需下车，在车辆进入监测区域后，就可自动完成人员考勤及定位功能。
13) 隧道人员定位基站与监控中心站失去联系时，基站仍能独立工作，自动存储人员监测数据，当通讯恢复后监控主机可提取数据自动完成数据修复，存储数据不小于2小时。
14) 系统在进行实时数据采集时，可进行记录、显示、查询、编辑、人工录入、网络通信等。
15) 系统中心站及网络终端可以联网运行, 使网上所有终端在使用权限范围内都能共享监测信息，查询、打印各类数据报表。
16) 报警功能：可以对进入隧道人员限制出入时间及地点，如果超过授权时间会触发报警设备发出警示，以便控制人员迅速做出反映，采取安全措施。
17) 系统可自动生成人员信息数据库，实现考勤作业的统计与管理等方面的报表资料，提高管理效益。
18) 系统具有自诊断功能。当系统中基站等设备发生故障时，报警并记录故障时间和故障设备，可供查询及打印。
2.4.1精确定位系统拓扑图
精确定位系统拓扑图
精确定位系统设备清单：
序号
名称
图片
型号规格
品牌/产地
单位
数量
1
5.0网络型读卡主站-隧道

KJ571-F
深圳
台
12
2
电源适配器

KJ571-F1
国产
台
20
3
定位卡

KJ571-K
深圳
张
200
4
系统软件

精确定位监控软件
深圳
套
1
5
无线网桥

ZoneFree 5014
国产
台
28
6
交换机
TP-Link TL-SF-1008+
国产
台
8
7
电源排插

四孔
国产
个
8
8
网线

超六类
国产
箱
4
9
电源线

RVV2*1.5
国产
米
400
10
监控主机

计算机
国产
台
2
11
辅材

定制
国产
批
1
2.4.2精确定位系统功能：
人员实时定位：运用无线ZigBee识别技术实现对人员实时位置的监控。基于实时位置信息，实现人员实时管理。 人员实时定位可提供人员实时位置信息，方便观察其在岗情况，或者方便寻找所需对象；另可对区域进行分类管理，限制未经授权的人进入危险区域，防止意外事故的发生。
人员考勤：通过给隧道人员佩带定位卡，地面监控人员可在隧道地图实时观测到所有隧道人员的真实分布情况、数量、姓名，可对人员进行定位，从而可进行人员考勤管理。
人员轨迹回放：系统通过对采集的数据进行存储，形成了人员历史轨迹数据，该数据可动画显示人员历史行进路线，其主要作用在于：为已发生的事故提供基础数据；另一个方便主要是为人员管理提供基础数据，如有无脱岗现象、巡查人员是否按时巡查等，以提升企业管理效率，提高服务水平。
人员统计：人员定位系统具有数据实时统计功能，可实时统计出人员总数、各区域内人员数量及各班组的人员数量。
该功能通过对人员分布的统计分析，为管理者对人员的合理调配提供基础数据。
求救报警：当员工遇到紧急情况时，可按下定位卡上的求救报警按钮，报警信息可以立刻传送到监控室，并进行声光报警提示，管理人员可根据报警信息及报警位置，迅速做出响应。
区域超时报警：系统根据监控区域的不同，可设置人员停留在监控区域的时间。如系统监控到员工在危险区域停留时间过长，可能会出现危险时，会向系统发出报警信息，以提示管理人员注意查看。
2.4.3精确定位系统主要产品介绍：
本安型读卡主站
1）、设备描述
读卡主站用于隧道内人员考勤、定位，可接收、存储标识卡的无线信号，通过传输分站上传到隧道外，读卡主站也可向标识卡发送无线信号。
2)、设备特点
l 大范围内同时快速、可靠地识别大量标识卡。
l 微功率、识别率高、高抗干扰性、稳定可靠。
l 小巧，轻便，非常便于安装和维护。
3)、技术参数
工作电压
DC 12V
工作电流
≤200mA
接口
1 个天线接口
1 个12VDC电源接口
1个远程供电接口(给读卡辅站供电)
1个百兆网口
外形尺寸
280mm x 190mm x 136mm
外壳材质
冷轧钢
重量
1.8kg
防爆型式
矿用本质安全型
防爆标志
ExibI
读卡主站与标识卡通信：
无线频段
2.4GHz
通信协议
ZigBee(IEEE802.15.4)
发射功率
不大于+18dBm
接收灵敏度
≤-85dBm
无线通信距离
500米（可视距离）
并发识别
200张卡
最大位移速度
20m/s
调制方式
O-QPSK
KJ571-K 标识卡
1)、设备描述
定位卡相当于“隧道内身份证”，所有隧道内人员和机车各携一张，该卡不断地自动向读卡主站发送信号，报告其实时地理位置信息，使系统全程掌握人员的活动路线和时间。
2)、定位卡特点
l 功耗低，并且可充电。
l 与读卡主站通信距离远，直线可达500米。
l 双向通讯，可向隧道外报警。
l 具有低电报警功能。
l 防水、防尘设计；无辐射伤害。
3)、技术参数
工作电压
DC 3.7V
无线频段
2.4GHz
通信协议
ZigBee(IEEE802.15.4)
电池类型
锂聚合物充电电池
电池规格
600mA/H
电池寿命
充满电使用1个月,充电最大次数：500次
外形尺寸
55 mm×45 mm×15 mm
外壳材质
阻燃ABS塑脂
重量
55g
携带方式
穿在皮带上，贴在安全帽内
2.5 人员/车辆门禁通道系统
门禁通道系统主要利用自动刷卡机制限制人员的进出，保障禁止非工作人员私自进出施工区域，同时也可用来来保障数据的真实性和有效性，避免因人为因素而导致考勤失效，或是管理出错。车辆的门禁可以提升对现场车辆的及时管控，做到更加有效的车辆利用率
主机（现场服务器）：负责整个系统设备及人员检测数据的管理、通讯、统计存储
以及屏幕显示、查询打印、画面编辑、网络通讯等任务。
控制板：实时采集接收人员卡的信息，并及时通过通信线路实时反馈到系统当中并生成控制摆闸的指令，根据数据有效性就行控制，保证人员进出正常。
道闸：主要安装在入口处，对车辆进出限制作用
地感检测器：及时检测是否有车辆经过，并发送信息至控制系统，产生相关联动
三辊闸：也安装在隧道入口处，对人员进出限制作用
读卡器：远距离读卡器，通过靠近自动刷卡方式，获取人员/车辆携带的电子标签卡信息，并传输到后台控制中央去。
人员/车辆门禁通道 示意图
利用人员/车辆门禁通道系统可以实现进出人车分流通过，保证一定的进出安全，只要给人员和车辆配置相关电子标签即可。当人员携带人员卡（即电子标签），靠近人员门禁通道也即三辊闸的时候，内置的读卡器可以及时读取卡片信息，并送交后台核实，运行通过，则发送命令给三辊闸，开启放行，否则不变化。而对于车辆门禁系统，也需要给每一辆车配置车辆卡，车辆经过通行区域的时候，会触发读卡，同时也有地感触发，当同时读卡和地感触发的时候，系统将判定车辆允许通行，则开启道闸放行。单单的读卡或是单一的地感触发，系统统一认为不允许通过。
2.5.1人员/车辆门禁通道系统清单
系统
序号
名称
图片
型号规格
品牌/产地
单位
数量
道闸（手动控制）
1
道闸

6米
国产
台
4
2
12V3A电源

控制器用电源
国产
个
4
3
遥控器

国产
个
4
三棍闸
4
三棍闸

国产
台
4
5
控制器

KB-2000A
国产
个
4
6
ID读头

AR-485R
国产
个
8
7
门禁专用电源

国产
个
4
8
发卡器

国产
个
2
9
ID卡

国产
个
200
辅材
10
线材

线缆
国产
米
200
11
辅材

国产
套
1
人员/车辆门禁通道 原理图
2.6 视频监控系统
网络视频监控系统包括前端视频采集设备、网络视频编解码、通讯传输设备，以及后端的监控接收客户端软件。安装在隧道各主要的监控点执行信号采集传输，软件主要是安装在监控室电脑上，两者之间通过平台管理中心系统授权，对其前端视频点进行多点对多点的实时监控管理。如：视频、云台、放大、录像、等功能，有管理权限的用户还可以对任何点的录像进行设置、下载、实时点播录像等操作；系统还可以通过PC浏览器进行监控。
由此可以看出，网络监控系统采用的是监控摄像机对隧道施工现场各视频点进行24小时的实时监控。对于一些关键视频点可启动视频移动侦测功能和报警功能，系统根据图像移动情况自动识别、触发，并进行录像（有预先录制机制，预录时长能提前20秒以上）；同时系统将图像、声音、报警等实时数据传送到监控室电脑，管理人员可以通过本地监视、远程IE监视、WEB 网页客户端等方式随意切换前端任意监控点的视频，能直观地了解和掌握施工各视频监控点的实时情况，从而达到随时随地及时准确地对其进行监管。
施工面监控
料场监控
工地现场监控
拌合站监控
机房中心管理
洞口监控

在实际的隧道现在，一般在在掌子面以及洞口附近分别安装摄像头，实时显示查看监控区域的情况，让管理者更直接的了解现场情况。
系统组成：服务器、摄像机、视频服务器、传输数据接口转换器以及通讯传输部分
服务器：监控平台终端，对系统返回的信息进行显示，并通过平台软件对各个监控点位的摄像机进行操控，以及提供录像、播放视频、云台控制等多个功能。
摄像机：前段监测设备，实时采集信号。提供云台设备，实现摄像角度的改变，提供全方位式立体式监控。
视频服务器：主要是实现将声音图像的模拟信号转换成数字信号进行传输，通过通讯线路回传给监控平台。
传输数据接口转换器：包括一些信号转换器，主要实现对信号的转换以便系统更好的接收处理数据。
通讯传输：主要是一些RVVP线缆和网线构成，实现视频信号的及时传输。
2.6.1视频监控系统清单
序号
名称
图片
型号规格
品牌/产地
单位
数量
1
网络高清球型摄像机

DS-2DE7174-A
国产
台
8
3
无线网桥

ZoneFree 5014
国产
台
0
4
网络硬盘录像机

DS-8616N-ST
国产
台
2
5
显示器

22寸
国产
台
2
6
2T硬盘

ST2000VX000
国产
个
4
7
网线

超六类
国产
箱
2
8
电源线

RVV2*1.5
国产
米
400
9
辅材

定制
国产
项
1
2.6.2视频监控系统主要产品介绍：
网络高清球型摄像机
电源：AC24V(仅-A型号支持)
　　30W max(其中加热6W max，红外9W max)
　　工作温度和湿度：-40℃-65℃(室外)
　　湿度小于90%
　　防护等级：IP66(室外球)
　　TVS 4000V 防雷、防浪涌、防突波，符合GB/T17626.5 四级标准
　　安装方式：多种安装方式可选根据应用环境进行选择
　　尺寸：Φ220(mm)×353.4(mm)(室外)
　　重量：5.5kg
2.7 LED大屏同步系统
主要功能
LED大屏幕安装于隧道口，用于实时显示隧道施工人员的信息，使管理先进化，透明化。
显示的内容包括：姓名，工种、部门、进入隧道时间，隧道总人数等，领导及监管人员不用进入隧道，也不必查看监控中心主机就能及时了解隧道内施工人员信息。
LED大屏幕系统不仅可以使洞内各区域内施工人员信息形象、直观、一目了然的体现出来，而且，在领导视察或开隧道现场会时，可在大屏幕上显示各种欢迎标语、宣传标语；在平时可以通过大屏幕提示施工人员注意施工安全，有雨雪、冰冻等恶劣天气时可以及时进行温馨提示。这些都能充分体现隧道施工管理上的人性化、现代化、科学化。
系统界面：
可对界面显示内容进行编辑，支持多种显示方式。
数据调取
LED同步控制系统与监控主机实时通讯，从监控主机调取实时监测信息，同步显示于LED大屏幕上。
显示内容
显示的内容包括：姓名，工种、部门、进入隧道时间，隧道总人数等。
同步显示
第三章 系统功能特点
3.1核心功能特点
系统可实现在建铁路全线隧道管控，从总指挥部到各项目部再到各隧道驻地，逐级权限管理。由总指挥部统一发卡，统一装备，统一管理，高清远程视频上墙统一显示，及时性隧道人员信息数据集中监控。
本系统遵循"统一发发卡、统一装备、统一管理"的原则，按准许隧道洞内工作人员和班组实行"一人一卡"制，该感应器可视为"上岗凭证"或"隧道准入证"。
（1）在建铁路全线隧道管控
l 各驻地，各隧道均与中心平台对接，数据及时上传；
l 总指挥部可以及时查询任意一驻地或隧道当前工作状态及相关数据；
l 可视化电视墙及高性能服务器，提供直观的数据以及图像信息
（2）洞内危险气体监测功能：
l 可以及时预防，做到早发现，早处理，保证员工健康安全；
l 及时性数据强，便利的时间段数据报表显示；
（3）洞内工作人员实时动态显示功能：
l 任一时间洞内某个地点作业人员人数，作业人员人数具体信息；
l 查询一个或多个人员现在的洞内实际位置；
l 记录有关人员在任一地点的到/离时间和总工作时间等一系列信息，可以督促和落实重要巡查人员是否按时、到点的进行实地查看，或进行各项数据的检测和处理，从根本上尽量杜绝因人为因素而造成的相关事故
l 实现多点共享供多个领导同时在不同地点查看。
（4）自动报警功能：
    可以设定特殊的禁区，如果有人员进入，实时声音报警，并显示进入禁区的人员；或是设定特殊危险地段，当工作人员超过规定数目时自动发出警报，并把警告信息及时发送高级管理人员。
（5）人员轨迹查询：
    可查找某个人在某个时间段内所经历的路径，并在图中画出线路轨迹
（6）丰富的考勤能力：
    可对出入洞口工作人员进行统计，实现工作人员考勤记录，建立人员出入隧道的各种信息报表（如：进出洞时间报表、出勤月报表、加班报表、缺勤报表等等）
（7）灾后急救信息：
    一旦发生各类事故，上位机上立即能显示出事故地点的人员数量、人员信息，人员位置等信息，大大提高抢险效率和救护效果
（8）车辆及设备管理：
车辆的出入统计、定位以及其他重要设备的具体位置
3.2 系统特点
1、安全、稳定性高：健康资质认证，具有防爆防尘、抗干扰的特点
2、多卡快速识别：50米范围内可同时识别100个卡信息，识别物体速度可达到200公里/小时
3、适应性强：可以配合现在各种传输网络比如光强、以太网、485总线等
4、丰富的查询报表：最大程度上方便管理人员操作
5、双向报警功能：施工人员可以通过标签按钮来向监控中心呼叫；监控中心也可以向标签发信息。（双向卡的功能，单向卡没有这个功能）
6、远程接入：可以在任何一台可以上网的电脑上远程查看隧道的实时情况，无须到现场。
7、视觉性强：通过外置的超大LED屏幕显示，可以随时知道目前洞内现在有多少人，这些人是谁