公路高瓦斯隧道施工人员定位及管理系统研究(硕士论文).pdf

分类号 密缴 u 4 5 9 单位代码 学号 o 名煮交通大乎 硕士学位论文 公路高瓦斯隧道施工人员 定位及管理系统研究 研究生姓名：扬晓遮 导师姓名及职称：昱进鏖量9 塾撞 1 0 6 1 8 1 1 1 0 8 0 2 8 申请学位类别王堂亟学位授予单位 重迭童通太堂 一级学科名称交通运输工程论文提交日期2 q ! 垒生q 鱼旦逝旦 二级学科名称道路墨筮鲎工猩论文答辩日期2 鱼! 垒生逝旦鳗目 2 0 1 4 年0 6 月0 7 日 c o n s t r u c t i o np e r s o n n e l p o s i t i o n i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e mo fh i g h w a yg a st u n n e l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f m a s t e r c a n d i d a t e ：x i a o b oy a n g s u p e r v i s o r ：p r o f w uj i n l i a n g c h o n g q i n gj i a o t o n gu n i v e r s i t y , c h o n g q i n g ，c h m a 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：物1 晓赴日期：勿伸年彩月7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中 国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并 进行信息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人 保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：易虢彩l 日期：勿f 中年衫月刀日 指导教师签名： 日期：刎伊年 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程 规定享受相关权益。 学位论文作者签名：蜴政姣 日期：汐眇年钐月：刁日 指导教师签名： 日期：勿吵年钐 片 右 递h r弘月 摘要 瓦斯是隧道工程的一个主要地质隐患。穿越煤系地层的公路、铁路隧道在逐 年增多，而我国目前瓦斯隧道的施工人员管理现状大多数还停留在传统的安全员 巡查阶段，人工作业仍然占据绝大比重，信息化程度比较低。信息采集依然只是 单纯地依靠手工输入，无法将信息系统与隧道在班人员真正地关联起来。鉴于瓦 斯事故发生的突发性，后果的惨重性，对利用信息化手段提升瓦斯隧道尤其高瓦 斯隧道施工人员信息化、智能化管理的研究尤为重要。r f i d 技术在国内的急速发 展给高瓦斯隧道的智能化管理带来了新的机遇。为提高高瓦斯隧道管理工作的信 息化水平，推动高瓦斯隧道旋工人员管理工作向制度化、规范化、实时化发展， 确保高瓦斯隧道施工安全、稳定，逐步实现高瓦斯隧道施工智能化、全方位定位 奠定了坚实基础。 本文依托丹景山2 # 高瓦斯隧道工程，以重庆交通大学丹景山高瓦斯隧道监控 量测组与重庆开瑾公司共同研发设计的人员定位管理系统作为高瓦斯隧道施工的 管理平台，对该系统在高瓦斯隧道施工人员区域定位、员工考勤、安全预警、救 灾援助、日常管理等方面的实际应用进行了研究，并提出了对该系统的补充、完 善意见，同时也为四川地区高瓦斯隧道施工人员信息化、智能化管理积累了经验。 高瓦斯隧道施工人员定位及管理系统主要运用了射频识别技术一r f i d 。通过 在隧道内外布设信号接收与定位终端，为施工人员配置标识卡，实现对施工人员 身份识别、定位跟踪、以及及时报警等功能。管理者可以实时地把控现场施工人 员的分布状况及其运行轨迹，进行合理的调度和安全监管。事故救援过程中，救 援人员依据系统提供的数据、图形等信息，可以迅速定位被困人员的位置，制定 正确的救援措施，提升救援效率，有助于减少人员伤亡率。实践证明该系统能有 效地防止高瓦斯隧道内旌工人员工作陋习，保障旌工人员的人身安全，全面提高 高瓦斯隧道旌工的安防管理水平。 关键词：高瓦斯隧道；人员定位及管理； r f i d a b s t r a c t g a si sam a j o rg e o l o g i c a ld i s a s t e r i nt u n n e lp r o j e c t t h er o a da n dr a i lt u n n e l s t h r o u g ht h ec o a l b e a t i n gs t r a t ay e a r l yi n c r e a s ew h i l ei ng a st u n n e lc o n s t r u c t i o ni nc h i n a , p e r s o n n e lm a n a g e m e n ti ss t i l ls t u c ki nt h es t a g eo fs o - c a l l e ds e c u r i t yp a t r o l sw h i c hi s m a i n l yb a s e do nm a n u a lo p e r a t i o n 、 ，i t hl o wd e g r e eo fi n t a b l e a t i o n i n t a b l e a t i o n c o l l e c t i o ns i m p l yr e l yo nm a n u a le n t r ya n di su n a b l et oa s s o c i a t ei n t a b l e a t i o ns y s t e m s w i t l lt u n n e lc r e wr e a l l y i nv i e wo ft h es u d d e na n ds e v e r ec o n s e q u e n c e so fg a sa c c i d e n t r e s e a c ho fi m p r o v i n gg a st u n n e li n t a b l e a t i z a t i o na n di n t e l l i g e n tm a n a g e m e n tb y i n t a b l e a t i o nm e a n si si m p o r t a n te s p e c i a l l yt oh i g hg a st u m n e l t h er a p i dd e v e l o p m e n to f r f i dt e c h n o l o g yi nc h i n ah a sb r o u g h t o p p o r t u n i t i e s t o g a st u n n e li n t e l l i g e n t m a n a g e m e n ta n dl a i das o l i df o u n d a t i o n f o rr a i s i n gt h ei n t a b l e a t i z a t i o nl e v e lo fg a s m n n e lm a n a g e m e n t ，p r o m o t i n gm a n a g e m e n to fg a st u n n e lc o n s t r u c t i o nw o r k e r st ot h e i n s t i t u t i o n a l i z e d ，s t a n d a r d i z e da n dr e a l t i m ed e v e l o p m e n t ，e n s u r i n gt h es a f e t ya n d s t a b i l i t yo fg a st u n n e l ，a c h i e v i n gi n t e l l i g e n to m n i d i r e c t i o n a lp o s i t i o n i n go fg a st u n n e l t h i s a r t i c l e ，r e l y i n g o ns i c h u a nd a nj i n g s h a nh i g hg a st u n n e lw o r k s ，u s i n g p e r s o n n e lp o s i t i o n i n gm a n a g e m e n ts y s t e md o n eb yc h o n g q i n gt r a f f i cu n i v e r s i t ya s m a n a g e m e n tp l a t t a b l eo fg a st u n n e lc o n s t r u c t i o n ，r e s e a r c ht h ea c t u a la p p l i c a t i o no f m a n a g e m e n ts y s t e mi ng a st u n n e lc o n s t r u c t i o np e r s o n n e la r e ap o s i t i o n i n g ，p e r s o n n e l a t t e n d a n c e ，s e c u r i t yw a r n i n g ，r e s c u ea f t e rd i s a s t e ra n dd a i l ym a n a g e m e n ta n dp u tf o r w a r d a d d e d ，s o u n da d v i c et ot h em a n a g e m e n ts y s t e mw h i l ea l s oa c c u m u l a t e de x p e r i e n c eo f c o n s t r u c t i o np e r s o n n e li n t a b l e a t i o n ，s m a r to f m a n a g e m e n ti ng a st u n n e li ns i c h u a na r e a g a st u n n e lc o n s t r u c t i o np e r s o n n e lo r i e n t a t i o na n dm a n a g e m e n ts y s t e mu s e sr a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y - - 一r f i d i tl a i e ss i g n a lr e c e i v e r sa n dl o c a t o ri nt u n n e l a n dw e a r sc o n s t r u c t i o nw o r k e r si d e n t i f i c a t i o nc a r d st or e a l i z et h ef u n c t i o no f c o n s t r u c t i o np e r s o n n e li d e n t i f i c a t i o n ，l o c a t i n ga n dt r a c k i n g ，r u l ec o n t r o la n dt i m e l y a l a r m m a n a g e m e n ts t a f fc a nk e e pa b r e a s to f t h ec o n s t r u c t i o ns i t ep e r s o n n e l ，e q u i p m e n t d i s t r i b u t i o n ，m o v e m e n to fp e r s o n n e la n de q u i p m e n ta n df a c i l i t a t em o r er a t i o n a l m a n a g e m e n ta sw e l la ss a f e t ym o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t w h e na na c c i d e n to c c u r s ， r e s c u ew o r k e r sc o u l dq u i c k l yu n d e r s t a n dt h ep o s i t i o no ft h ep e r s o nc o n c e m e d ，t a k e a p p r o p r i a t er e l i e fm e a s u r e si nat i m e l ym a n n e ra n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe m e r g e n c y r e s c u ew o r ka c c o r d i n gt ot h ed a t aa n dg r a p h i c sp r o v i d e db yt h es y s t e m p r a c t i c e p r o v e dt h a tt h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tb a dh a b i t so fg a st u n n e lc o n s t r u c t i o n i i w o r k e r s ，p r o t e c tp e r s o n a ls a f e t ya n di m p r o v et h eo v e r a l lg a st u n n e ls a f e t ym a n a g e m e n t l e v e l k e y w o r d s ：h i g hg a st u n n e l ；p e r s o n n e ll o c a t i o na n dm a n a g e m e n t ；r f i d 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究目的与意义2 1 2 1 定位及管理系统对现场进行科学化的管理2 1 2 2 定位及管理系统有利于降低工程事故的发生以及提高救援效率2 1 。3 研究现状2 1 3 1 国外相关研究现状2 1 3 2 国内相关研究现状3 1 4 本文主要研究内容与技术路线4 1 4 1 本文研究的主要内容4 1 4 2 本文研究的技术路线5 1 5 研究目标5 第二章人员定位识别技术7 2 1 射频技术r f i d 7 2 1 1r f i d 的基本概念7 2 1 2 射频技术特点和分类8 2 1 3r f i d 系统组成和工作原理9 2 2 射频技术方案的确定1 0 2 2 1 影响隧道内定位的主要因素1 0 2 2 2 几种定位技术的比较1 0 2 3 本章小结，1 2 第三章定位及管理系统总体设计1 3 3 1 系统设计原则1 3 3 1 1 先进性原则1 3 3 1 2 可靠性、灵活性原则1 3 3 1 3 方便、广泛、可扩充性原则1 4 3 1 4 易维护、安全性原则1 4 3 1 5 操作简单方便原则1 4 3 1 - 6 多功能原则1 4 3 2 系统设计安全规范与目标1 5 3 3 系统总体设计：1 6 3 4 定位及管理系统组成1 8 3 4 1 系统特点1 8 3 4 2 主要设备性能及参数1 9 3 4 3 视频监控系统2 8 3 4 3 1 视频监控系统设计思路2 9 3 4 3 2 视频监控系统主要设备3 0 3 4 3 3 视频监控系统主要功能3 1 3 4 3 4 视频监控供电系统3 4 3 4 4 定位及管理系统3 5 3 4 4 1 定位及管理系统设计思路3 5 3 4 4 2 定位及管理系统主要功能3 6 3 4 4 3 定位及管理供电系统4 2 3 5 本章小结4 3 第四章定位及管理系统的工程应用4 4 4 1 工程概括4 4 4 2 系统部署4 4 4 2 1 视频监控系统4 4 4 2 2 定位及管理系统4 5 4 3 系统应用4 7 4 3 1 视频监控系统5 0 4 3 2 定位及管理系统5 2 4 4 应急措施5 3 4 5 本章小结5 4 第五章结论与展望5 5 5 1 结论5 5 5 2 展望5 5 致谢5 7 参考文献；5 8 在学期间发表的论著及取得的科研成果6 1 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 隧道安全是隧道施工正常进行的保障。我国的隧道建设随着国家经济的迅猛 发展而发生着一日千里的变化。国家不断地加大城市地铁、铁路隧道以及高速公 路隧道的建设力度，带来的是路线技术指标的日渐完善，路程及行驶时间的大大 缩短，运营效益的极大提高。然而，隧道建设的自身特点如高成本，管理操作复 杂等，使得各地相关部门高度重视隧道施工不敢漠然置之。而其中，位于煤层 中的瓦斯隧道不断出现，施工过程中发生的瓦斯事故也不断增加。例如，2 0 0 5 年 】2 月2 2 日，都汶高速董家山隧道因开挖面塌方，导致瓦斯聚集从而引发了瓦斯爆 炸，致“人死亡，1 1 人受伤”。 目前我国大部分高瓦斯隧道施工人员管理仕1 采用传统的手工方式记录人员每 日的出勤情况，无法掌握洞内人员的位置、行踪等更详细的信息。这种方式繁琐 且容易出错准确性、透明度以及实时性都差，受人为因素的影响较大，增大了 单位人力资源成本。同时使用传统的人工记录的方式进行考勤管理容易出现疏漏， 甚至会出现考勤监管人员因为人情而导致考勤不平等的情况，造成人员心存侥幸， 无法解决代考和脱岗的问题，不利于人员管理。有部分高瓦斯隧道施工虽然采用 了远程信息管理系统，然而往往都只是对施工文件资料的管理，而难以实时地获 取施工信息，更谈不上对施工现场信息有一个全面、及时、准确的把握，给隧道 事故发生埋下了诱因。高瓦斯隧道施工管理迫切地需要利用先进的信息技术，建 设高效率的信息管理系统，使各类信息能及时地、有效地、准确地传递及处理， 节省人力、物力、财力。为此，各地相关部门高度重视高瓦斯隧道建设中的安全 问题，并采取了一系列措施不断加强安全生产。因此，一套集瓦斯隧道灾害预防、 事故救援、信息化管理于一体的先进的管理手段，实现对瓦斯隧道施工人员的身 份识别、定位跟踪、规则管制和及时报警等功能，让管理人员可以实时把控施工 现场人员的分布状况及其运行轨迹，以便于更加合理地进行调度管理、安全监管， 尤其当事故发生后，能让救援力量迅速定位被困人员的位置，及时地做出正确的 救援决策提升救援效率，减少人员伤亡率的系统将是高瓦斯隧道安全建设的必 然选择，也是扭转高瓦斯隧道箍工h 中落后的安全监管模式，实现向现代化、信息 化、智能化管理转变的重要课题。 重庆交通大学丹景l 隧道监控组与重庆开瑾公司h 1 共同研发了一套视频监控、 有害气体监控、旌工人员定位及管理的综台系统，无论足技术还足实用性方面皆 重庆交通大学硕士毕业论文 处于同行业领先水平，在高瓦斯隧道旄工安全监控中是一套非常适用的系统。本 系统是为了更好地对高瓦斯隧道施工过程中的安全监督管理、隧道建设过程中的 实时检测、预警，保证施工更加安全的实施。使隧道施工调度管理更加合理，隧 道施工安全监控管理更加高效，使隧道施工安全管理再上新台阶。同时，重庆交 通大学作为交通部隧道施工技术规范拍3 及隧道施工监控量测调研报告的 编写和修订单位，无疑对该项目推进有较大技术优势。在遇到重大技术问题，有 必要的话，我们可以调动、汇集交通大学的各类专家、教授作本课题的技术支撑 和咨询顾问，为隧道顺利施工保驾护航。 1 2 研究目的与意义 1 2 1 定位及管理系统对现场进行科学化的管理 人员定位及管理系统可以按需要输出各种类型的报表，省去了传统的繁琐的 统计工作，节约时间。系统自动考勤准确无误，解决了以往出现的疏漏问题，系 统记录的是人员的实时考勤信息，大幅提高准确度和可靠度，同时使人为因素的 影响减到最小。同时，配合l e d 点阵面板n 1 的应用，对隧道内人员的相关信息一 目了然。因此使用人员定位及管理系统可以节约大量的人力、物力，提高科学管 理水平，为存在许多危险因素的高瓦斯隧道施工带来便利。 1 2 2 定位及管理系统有利于降低工程事故的发生以及提高救援效率 人员定位及管理系统能实时追踪隧道内的人员并对其定位，监控洞内视线不 能到达的区域，随时清楚掌握每个洞内作业人员的位置及活动轨迹，同时，通过 洞内视频系统阻1 可以及时发现并制止、纠正施工人员的违规操作、危险动作。发生 事故后，被困人员的数量、具体位置等信息就能从监控计算机上查询到，从而科 学地指导救援工作，将人员损失、经济损失减少到最小m 。 1 3 研究现状 1 3 1 国外相关研究现状 1 9 9 1 年南非德比尔公司o0 i 使用了隧道自动测位系统。该系统在隧道的关键位 茕的侧墙上布置安装红外线邻近效应探测器，红外线发射器安装在安全帽上，当 2 第一章绪论 人员通过某个探测器时，探测器就会收到发射器发送的识别码。并将该数码通过数 据电缆传输到控制调度的中央计算机一f 。构成此套系统的设备成奉高，且红外线探 测器之间的灵活性较差。 1 9 9 5 年澳大利亚芒特艾萨公司开发了一套利用射频识别技术监测矿山危险 地带的人员探测系统。在应急救援中该系统能够发挥很好的作用，然而系统的成本 高昂。 在2 0 0 1 年9 1 l 事件中，应消防总署的要求，加利福利亚大学伯克利分校研 发了火灾信息与救护设备系统( f l r e ) 。该系统能将被困人员的位嚣、数量等信息 提供给营救人员。系统以f i r e 系统为平台，整合了z i g b e e 无线通信技术“”和r f i d 技术，前者主要是部署网络信息节点，后者则完成定位感知。该系统集通信、定位、 监测于一体，功能完备n ”。 1 3 2 国内相关研究现状 我国在隧道人员定位及管理系统“帕方面的研究起步较晚，从2 0 0 0 年才开始引 入，但因市场较大，技术发展迅猛。在发展之初，为实现隧道通信，我们采取了有线 通信的方式，如利用公用电话网( p s t n ) n 副、数字数据网( d d n 专线) 以及通讯电 缆等。这种方式工作稳定性高，信号传输速率快，但是线路铺设的工作量大且繁琐， 严重影响隧道正常施工，投资浪费亦很严重。更重要的是，在事故发生的时候，几 乎所有的有线通讯中断，系统瘫痪，无助于救援工作的及时开展，更谈不上实现对 人员的定位了。 红外线技术引应用在国内隧道建设的时间较早，技术相对成熟。主要用来测量 隧道瓦斯浓度，洞内温度等。该技术以小角度发射的红外线具有较高的传输安全 性，是一种无线短距离视距传输“毗，即传输数据时，相关的设备在应保持视觉对准， 避免设各之间出现阻挡物。人员的流动使得红外线技术不适合用来定位隧道施工 人员。 目前，监控系统基本上采用的都是r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 射频识 别技术“晰，利用射频信号自动识别目标对象，获取数据，可在恶劣环境下工作。 2 0 11 年，周纯奈、黄雄峰等从无线传感器网络的结构灵话、易于布局等优点 出发，提出了无线传礴器网络隧道旆工监控系统设计方案啪1 ，克服了有线监控系统 的不足。文章讨论了如何实现节点的软硬件，如何对无线传感器组网，如何选择 网关，如何设计监控软件及如何整合成隧道旅工监控系统u “。 夏林园等人提出了一种基于w i f i 的施工现场内人员定位系统，并应用于广州 一盾构隧道施工现场。 3 重庆交通火学硕士毕业论文 我国的隧道建设随着国家经济的迅猛发展而发生着一日千里的变化。城市地 铁、铁路隧道以及高速公路隧道完善了路线技术指标、缩短了路程及行驶时问， 提高了运营效益。而目前，与隧道建设配套的隧道远程信息管理系统啦3 1 基本都只是 针对施工文件资料的管理，对施工现场的实时信息无法获取，更不能全面、及时、 准确的把控施工现场人员的信息，从而导致很多事故的发生。集事故预防、事故 救援、信息化管理于一体的管理手段将是隧道建设的必然选择。 1 4 本文主要研究内容与技术路线 1 4 1 本文研究的主要内容 目前公路高瓦斯隧道旌工人员定位及管理系统的功能单一、信息化程度低、 功能综合化程度不高，主要集中在人员定位系统的研究。本文以成都第二绕城高 速丹景山2 # 高瓦斯隧道为背景，对信息化的、多功能的、具有远程实时监控功能 的人员定位及管理系统进行研究。 首先，通过对公路高瓦斯隧道旌工环境特点、隧道内作业人员情况、施工作 业方式、管理模式进行分析，从保证高瓦斯隧道施工安全和提高管理效率的基础 上，提出定位及管理系统的功能和建立的必要性。 其次，通过实际需求分析高瓦斯隧道施工人员定位及管理软件具有的特点、 功能、用户类型和特征、软硬件问的通讯方式。详细说明人员管理、人员动态定 位、视频监控软件模块的控制及通信方式和软件功能，给出各个软件模块的设计 图表。 最后，具体介绍高瓦斯隧道施工人员定位及管理的软件与硬件在成都第二绕 城高速丹景山2 高瓦斯隧道中的具体设计和应用，指出用其实现隧道施工人员定 位及管理系统的可行性，实现公路隧道施工人员定位、管理的主要功能，分析公 路隧道施工人员定位及管理系统在实践应用中的优点，给出隧道施工人员定位及 管理软件未来发展的方向。 主要研究内容如下： 第一章：绪论。介绍了论文研究背景，开展公路高瓦斯隧道旌工人员定位及 管理系统研究的必要性和研究意义，国内外相关研究现状，给出了本文的主要研 究内容。 第二章：人员定位识别技术。本章通过查阅相关文献，介绍了本系统采用的 定位技术的相关知识，通过与其他定位技术的比较再结合工程实际给出了本系统 采用r f i d 定位技术的原因，同时结合现场调研，分析了瓦斯隧道施工中影响人员 定位的主要因素。 4 第一章绪 论 第三章：定位及管理系统总体设计。根据成都第二绕城高速丹景山2 # 高瓦斯 隧道实际施工要求，结合安全规范提出了系统设计的原则，瓦斯隧道人员定位及 管理系统的整体功能要求，给出了系统的总体方案和组成设计。 第四章：定位及管理系统的工程应用。分析成都第二绕城高速丹景山2 # 高瓦 斯隧道的工程地质条件，施工特点，对本系统在该隧道安装及实际运行情况作了 介绍。总结了系统在隧道上使用的成败得失，并根据使用过程中业主、设计及旌 工方对系统提出的宝贵意见和建议对系统进行了改进和完善。展示了系统在实际 使用中的主要成果。 第五章：结论与展望。对全文所作的工作和研究成果作了总结和概括。 1 4 2 本文研究的技术路线 论文依托成都第二绕城高速丹景山2 并高瓦斯隧道项目，对该隧道的人员定位 及管理系统进行分析研究。首先，针对公路高瓦斯隧道施工特点，查询相关的r f i d 技术应用在工程上的文献资料，收集r f i d 定位技术的技术标准。其次与研发该系 统的重庆开瑾公司的技术开发人员交流、探讨以及进行相关试验。最后到成都第 二绕城高速丹景山2 # 高瓦斯隧道实地进行实习，参与到系统的实际应用中去，同 时追踪国内外在相关方面的最新研究成果以指导本文的研究进展。下图1 1 是本 文研究的技术路线图。 1 5 研究目标 图1 - 1 技术路线图 通过本课题的研究，开发出一套用于指导公路高瓦斯隧道施工，确保公路高 瓦斯隧道安全的、多功能的、信息化的人员定位及管理系统，系统由视频实时监 控系统、定位管理系统组成，并与瓦斯自动监测断电系统、风速自动监测系统组 合成多功能、信息化监控综合系统。并且将论文的研究成果应用于成都第二绕城 5 重庆交通大学硕十毕业论文 高速丹景山2 抖高瓦斯隧道的工程实践。系统可以实时对隧道内的施工过程中相关 的现场信息进行采集、传输、监控，经过处理后作出相应反馈指令，确保施工环 境以及施工人员的安全；极大地提高施工的信息化程度，提高现场管理的有效性 和约束力；确保施工质量和安全。 6 第二章人员定位识别技术 第二章人员定位识别技术 定位识别技术主动识别、采集信息数据并传入电脑。近几十年来，定位识别 技术船们在各国迅猛发展，逐渐形成了包括条码识别技术、射频识别技术、生物识别 技术、光学字符识别技术以及磁卡识别技术等在内的- - f l 综合性的技术学科。 r f i d 技术是定位识别技术大家庭中的一员。在定位识别技术的众多分支中， 最具市场竞争力的就是r f i d 技术，凭借迅猛的发展势头，采用r f i d 技术的产品 市场已经成为信息产业中增长最快的市场之一。随着无线电技术以及大规模集成 电路技术的发展、普及，r f i d 技术逐渐成为一项先进的自动识别和数据采集技术。 它能脱离工作人员的辅助操作，通过射频信号能自动识别目标，更可以很快地获 取数据，可以在各种恶劣条件下工作。不仅对一些较小变化的物体进行识别，它 还能对处于高速运动中的物体进行识别，以及对处于平行状态的若干的识别卡做 出识别，操作也是极其简单方便。随着射频识别技术自身的不断更新，r f i d 已被 广泛应用在诸如交通运输管理控制、商业自动化、工业自动化等众多领域。射频 识别能够完成的自动高速识别工作的同时可灵活设计设各的几何尺寸，而且还能 重复利用系统和设备，射频识别的这些特点能极大提高各类工程的经济性。 2 1 射频技术r f i d 2 1 1r f i d 的基本概念 无线电射频识别r f i d 哺h 2 刀是一种利用无线电的非接触的信息识别技术。r f i d 技术就是利用射频信号的空间耦合特性，实现对目标物体的自动识别。r f i d 技术 所依托的技术包括了集成电路技术、计算机硬件和软件技术、数据库技术以及无 线电技术。 各种r f i d 系统的组成大同小异，基本都有射频卡( 标签) 和读卡器( 阅读器) 。 射频卡由耦合元件和芯片组成，其中包含加密逻辑、串行电可擦除、可编程只读 存贮器、微处理器以及射频收发电路。射频卡能智能读写信号并对通信进行加密， 数据交换以无线电波形式进行，工作动力由读卡器发出的射频信号提供。读卡器 有时也称为查询器、读写器或读出装置，组件包括无线收发模块、天线、控制模 块及接口电路等。读卡器在主机与射频卡间起上传下达的作用，同时将二者往来 的数据信号加密、解密。 7 重庆交通大学硕士毕业论文 2 1 2 射频技术特点和分类 无线射频识别技术按不同方式有以下几种分类： 根据标签的供电形式可以把标签分成有源标签脚h 矧、无源标签咖和半有源 标签口“。有源标签自带电池，其电能充足，工作稳定性高，信号可远距离传送。其 缺点主要是射频卡的工作期限随着电池能量的消耗而衰减，信号传送的距离也跟 着衰减，最终导致系统无法正常运作。无源标签没有自带电池，其正常工作依赖 外界的能量提供。理论上讲，无源标签具有永久的使用寿命，因此无源标签可支 持长时问的数据传输和永久性的数据存储，常常用在读写频繁的地方。无源标签 的电能来自外界的电磁感应，电能就比较弱，这些都会限制数据传输的距离和信 号的强度，需要灵敏度比较高的信号接收器才能可靠识读。 根据射频卡的工作频率可以分为低频卡、中频卡、高频卡脾1 。低频卡工 作频率范围为3 0 k h z 3 0 0 k h z ，典型工作频率有1 2 5 1 r i t z 和1 3 3 k h z 。低频卡特点就是 标签内部可存储的数据规模较少，识别距离比较短。低频卡主要用在动物识别、 酒店门锁系统应用、容器识别、工具识别、自带加油系统应用、电子闭锁防盗等 处。中频卡的工作频率一般为3 1 v l h z 3 0 m t t z ，典型工作频率是1 3 5 6 m t l z 。中频卡主 要应用在门禁系统和传送数据规模比较大的系统中。中频卡主要用在电子车票、 电子身份证、电子遥控闭锁防盗控制器等。高频卡工作频率为4 3 3 9 2 m h z 、 8 6 2 9 2 8 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 。高频卡特点是成本较高，无论是射频卡还是读卡 器的成本都比低频、中频的较高，但是高频卡内可存储较大规模的数据，而且可 识别的距离也较远( 一般可达到十几米) ，在识别高速运行的目标时，系统能保持 良好的性能。高频段电子标签典型应用包括火车监控、航空包裹管理、高速公路 收费1 等。 根据标签的工作方式可分为主动式嘲哪! 、被动式和半主动式。 根据标签的可读性嘲分为可读写( r e a da n dw r i t e ，r w ) 标签、一次写入多 次读出( w r i t eo n c er e a dm a n y , w o r m ) 标签和只读( r e a do n l y , r o ) 标签。 根据射频卡的存储容量分成标识卡和便携式数据文件嗍。标识卡中仅保存 标识号码，对人、物、地点等作标识。在与系统相连接的数据库中可查询到被标 识物的详细信息。 8 第二章人员定位识别技术 2 1 3r fld 系统组成和工作原理 r f i d 的基本组成部分有射频识别标签，射频阅读器和数据管理系统。 射频识别标签( t a g ) 作为r f i d 系统真正的数据载体，射频识别标签由在标签和阅读器问传递射频 信号的天线( a n t e n n a ) 和专门保存目标信息的存储器以及标签芯片组成。射频识 别标签必须能将存储的需要识别和传送的信息自动或在外力驱动下发射出去。射 频识别卡可被编程，按特定的程序随时读取和改写。存储在射频识别卡中的相关 人员数据信息可分别进行管理，还能根据不同的需要制作新标签。存储器的容量 可大可小，识别卡的编号、相关属性等信息都可存放在其中。识别卡的参数随应 用的要求可灵活变动。射频卡主要功能就是接受和发生信号、分析处理数据信息 等，其主要优点在于对外围相关要求较少，消耗功率较低同时即便是低电压下也 能正常工作。 阅读器( r e a d e r ) 读写标签信息是阅读器的主要功能，它可以手持使用也可以固定安装使用： 能单独完成数据的读写、显示以及处理，也能与电脑或者其他系统作互联，共同 完成对标签的操作。阅读器的复杂程度随标签的类型和功能之不同而不同。阅读 器还能控制信号状态、校验奇偶错误、更正奇偶错误。 数据管理系统 作为起核心作用的数据管理系统，主要存储数据信息，管理数据信息和控制 识别卡的读写。写入数据就是在识别卡中将相关信息进行编辑，比如姓名、工号 及隶属部门等。这些工作一般都在识别卡投入实际应用前就做好了。 射频识别系统其技术本质就是利用无线电波完成信息的读写操作。其识别的 距离范围小至几十厘米，大到几米甚至更远。射频识别系统以不同的方式可以传 送成千成兆字节的信息而同时又能确保传送过程中信息的安全性。 r f i d 定位系统的工作原理n ”：携带射频卡的人员进入读卡器的识读范围，射 频卡的卡号即被识读、记录；根据识读到该射频卡的读卡器位置来反应人员的位 置。如图2 1 所示： 9 重庆交通大学硕士毕业论文 2 2 射频技术方案的确定 图2 - 1 盱i d 系统工作原理 2 2 1 影响隧道内定位的主要因素 多径传播 因为射频信号的多径传播，使得利用角度和时间来定位的方法将产生误差。 直射路径信号用来测量收发双方的实际距离和方位，而多径传播n 订的存在就会干 扰直射路径信号的角度和时延。在各种无线环境下如何进一步提高对多径信号的 时延估计和到达角度估计仍需要做进一步的研究。 多址干扰h 羽 该因素将主要影响系统的性能，给系统容量带来限制。测量定位信号会受到 多址干扰的影响，从而对测量结果产生干扰。目前大多数效果较好的多用户检测 算法在用户数量较多的情况下，其运算量庞大，实现比较困难。系统使用性能随 着系统用户的增多而大幅下降。 信号同步误差 估计信号时间延迟n 3 1 时，其估计结果的精度视参考信号与接收信号问的同步 程度而异。在于多径传播环境下，能否检测到真正的信号峰值点，以及如何获取 更好的相关峰值点很重要。接收信号与参考信号的同步程度较差，则相关波形会 展宽，同时出现较为严重的旁瓣，这些对估计的影响都很大。 2 2 2 几种定位技术的比较 红外线室内定位技术 红外线技术具有较高的室内定位精度，然后因为红外线受阻挡物影响很大， 1 0 第二章人员定位识别技术 这就使得红外射线只能是小范围的视距传播，所以红外线定位精度大打折扣。当 标识在有遮挡的情况下，系统就无法正常工作，需要在相应位置额外安装接收天 线，导致成本增加。因此，红外线仅用在短距离传播上，加上受环境影响程度大， 限制了其在精确定位中的使用。 蓝牙技术 蓝牙技术在小范围内定位时功耗很低。在室内安装蓝牙局域网接入点，把网 络配置成多用户的无线网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点自始至终都是这 个微网( p i c on e t ) 的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用在如 单层大厅、仓库等小范围的定位上。蓝牙室内定位的设备体积小，很容易推广、 普及。集成了蓝牙功能的移动终端设备，在开启蓝牙后，蓝牙定位系统就能够对 其进行位置锁定。采用该技术做为室内短距离定位“6 3 的最大好处就是设备间的信 号传送不受视距的影响。但是蓝牙相关硬件设备成本高，且蓝云系统工作稳定性 受外界干扰大。 射频识别技术- r f i d r f i d 利用射频信号进行双向通信并交换数据从而实现定位功能。这种技术作 用距离一般可达几十米。它的定位精度高且信号传输范围广，硬件成本低，加上 是非接触的，不受阻挡物影响，射频识别技术已成为室内定位技术的优选技术。 当前，有许多企业，如：上海约翰芬雷自动化系统有限公司、北京七星飞行电子 有限公司、上海潘登电源有限公司等，已经研发出了形式多样的基于射频识别技 术的定位系统。 其他系统 其他定位的技术还有计算机视觉、光跟踪定位h ”、基于图像分析m 3 、磁场以 及信标定位n 町等。此外，还有用g s m 、c d m a 咖1 移动终端的设备，这些系统兼备 地面移动通信系统的所有功能，此外调度灵活，不仅仅用来通话，还可以传输数 据。 对现存的几种方案的对比可以看出：使用r f i d 进行定位是比较符合实际，具 有成本低、效率高的优点。 重庆交通大学硕士毕业论文 2 3 本章小结 本章介绍了r f i d 的技术特征和优点，通过和其他无线技术的比较，可以看出， 非接触式的r f i d 自动识别技术通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。 它具有功耗低，成本低，网络容量大，时延短，安全，工作频段灵活等特点，将 在家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、医疗护理，工程建设等领域发挥重要作 用。 本章的主要目的就是选出了r f i d 技术作为定位及管理系统的基本定位技术。 1 2 第三章定位及管理系统总体设计 第三章定位及管理系统总体设计 我国的隧道建设随着国家经济的迅猛发展而发生着日新月异的变化。由于城 市地铁、铁路隧道以及高速公路隧道完善了路线技术指标、缩短了路程及行驶时 问，提高了运营效益，因此国家在不断地加大隧道的建设力度：然而隧道建设的 自身特点如高造价、复杂的运营管理等，使得各地相关部门对隧道建设都十分重 视，绝不敢掉以轻心。目前，应用在隧道建设中的远程信息管理系统往往都只是 对施工文件资料的管理，而不能获取施工实时信息，更谈不上全面的、及时的、 准确的掌握施工现场人员的信息，因而导致了很多事故的发