盾构隧道有限空间安全作业防护预警系统与预警方法与流程

本发明涉及隧道作业安全，具体而言涉及一种盾构隧道有限空间安全作业防护预警系统与预警方法。

背景技术：

1、盾构隧道施工是目前隧道施工中广泛应用的施工方式，随着盾构隧道技术的发展，在地底隧道、海底水导、江底隧道等超级隧道工程上，隧道埋深(水深)已达数百米，甚至在水工隧道(如引水洞)中的最大埋深达到千米以上，对施工的难度和施工过程的管理提出极高的要求。

2、隧道内施工属于有限空间施工的范畴，空间有限并与外界相对隔离，进出口受限制，施工场所内部的环境相对恶劣，采光、照明、通风、潮湿多水等地下不良条件并行，给施工人员的安全带来较大的隐患，而且由于施工过程中累积的有害气体、粉尘无法在传统的大气环境下扩散，而是在地底有限的施工环境下累积，尽管施工区域均配套新风系统和通风条件，但随着施工过程的推进和隧道空间的延伸，对内部换气过程和效果均存在不稳定因素，尤其是二氧化碳、甲烷、硫化氢等有毒气体，对施工环境的安全和施工人员健康造成严重的影响，容易发生，容易造成有毒有害、易燃易爆物质积聚或氧含量不足，产生中毒、燃爆和缺氧风险。

3、而且，在发生爆炸、渗漏水、坍塌导致的安全事故时，一方面由于盾构隧道施工有限空间因封闭、部分封闭、进出口受限的原因，影响搜救的时间和进度，另一方面在危险发生后只能基于图纸进行定位或者基于设计的bim模型进行定位和搜救，而且受制于事故现场的复杂环境，对于逃离人员的统计以及需要搜救人员的统计、定位也是难点，难以进行高效、定向的快速搜救，而且难以进行事前的监测预警和提前撤离。

技术实现思路

1、鉴于现有技术存在的缺陷与不足，本发明目的的第一方面，提供一种盾构隧道有限空间安全作业防护预警系统，包括：

2、由盾构隧道作业施工人员携带的rfid标签，每个rfid标签与施工人员一一对应；

3、在施工人员所佩戴安全帽中集成的蓝牙定位标签，每个蓝牙定位标签与施工人员一一对应；

4、身份管理服务器，被设置用于存储每个施工人员的身份id以及与身份id关联的人脸特征、rfid标签信息、蓝牙定位标签信息以及施工区域信息；

5、在盾构隧道有限空间内布置的环境监测系统，配置有多个传感器组件，用于监测盾构隧道有限空间内的温湿度以及空气质量；

6、在盾构隧道有限空间内部署的蓝牙信标系统，所述蓝牙信标系统包括按照多个蓝牙信标，每个蓝牙信标具有作为唯一标识符的信标id，以及以盾构隧道入口为原点所建立笛卡尔坐标系下的坐标值；

7、设置位于盾构隧道入口的uhf读卡器，用于读取进入盾构隧道作业的施工人员携带的rfid标签，初步定位施工人员身份；

8、设置位于盾构隧道入口的人脸识别系统，用于对经过入口处进入盾构隧道有限空间的施工人员进行人脸图像采集并进行人脸识别与登记，并统计进入盾构隧道有限空间的施工人员总数；

9、环境安全预警系统，用于根据实时监测的温湿度以及空气质量，并根据安全阈值范围进行施工预警；

10、基于rssi的指纹库，用于存储盾构隧道有限空间内的选定的多个参考点的指纹数据，每个指纹数据包括参考点在所述笛卡尔坐标系下的坐标值以及其所对应的rssi值；

11、蓝牙信标定位系统，与蓝牙信标系统、基于rssi的指纹库连接；所述蓝牙信标定位系统被设置成根据蓝牙定位标签扫描到的位于其周围蓝牙信标的rssi值，并基于所述指纹库内多个参考点的指纹数据进行位置估计，确定每个施工人员在盾构隧道有限空间内的位置及其动态变化；

12、人员安全预警系统，与所述蓝牙信标定位系统连接，被设置成基于每个施工人员在盾构隧道有限空间内的位置及其变化状态进行预警。

13、作为可选的实施方式，每一个施工人员所被分配的rfid标签与蓝牙定位标签均被集成在施工人员所佩戴安全帽中，并与施工人员身份id建立一一对应的关联关系。

14、作为可选的实施方式，所述uhf读卡器被设置成通过读取进入盾构隧道作业的施工人员携带的rfid标签确定uhf读卡器的天线辐射场范围内的施工人员身份，并根据读取到的rfid标签对应的施工人员身份，将对应的施工人员身份信息存储到缓存库中。

15、作为可选的实施方式，所述人脸识别系统包括用于获取人脸图像的摄像头以及根据摄像头采集到的施工人员人脸图像进行身份识别的边缘计算系统，所述边缘计算系统根据所述采集到的施工人员人脸图像与所述缓存库内存储的施工人员身份信息进行1:1方式的人脸识别，确定进入施工区域的施工人员身份并进行登记与统计，汇总进入的盾构隧道有限空间的施工人员总数。

16、作为可选的实施方式，所述基于rssi的指纹库被设置成通过离线选取参考点并对参考点进行rssi数据采集与记录而构建，其中：

17、从盾构隧道入口位置开始向盾构隧道有限空间内施工区域延伸，按照相邻参考点之间相距预设间隔的方式设置参考点，并且对通风口、不同地质条件边界位置、施工设备位置、隧道边界、高压电区域均配置参考点；

18、对于每个参考点，使用一参考蓝牙定位标签静置并测量在其周围的蓝牙信标的rssi值，参考蓝牙定位标签对其扫描范围内的每个可见的蓝牙信标进行多次rssi测量，并计算平均值作为该参考点对某个蓝牙信标的rssi值；

19、对每个参考点，记录其在所述笛卡尔坐标系下的坐标值；

20、将每个参考点的坐标值与每个参考点对应的蓝牙信标的rssi值一一对应地存储，构建出初始的指纹库。

21、作为可选的实施方式，通过对所述初始的指纹库进行异常值检测与剔除，以及高斯平滑处理，获得最终的指纹库，用于进行施工人员在盾构隧道有限空间内的位置及其动态变化的估计。

22、作为可选的实施方式，所述蓝牙信标定位系统被设置成根据蓝牙定位标签扫描到的位于其周围蓝牙信标的rssi值，并基于所述指纹库内多个参考点的指纹数据进行位置估计，确定每个施工人员在盾构隧道有限空间内的位置，包括：

23、当施工人员在盾构隧道有限空间内携带蓝牙定位标签移动时，蓝牙定位标签实时测量周围的蓝牙信标的rssi值，并按照预定的周期上报至蓝牙信标定位系统；

24、蓝牙信标定位系统根据多次测量取平均值的方式确定施工人员的蓝牙定位标签测量的每个蓝牙信标的rssi值；

25、蓝牙信标定位系统根据每个施工人员对应经过均值处理后的每个蓝牙信标的rssi值，与所述指纹库内的指纹数据进行匹配，估计出每个施工人员的实时位置，并基于实时位置的时序变化动态判断施工人员的运动状态以及安全预警。

26、作为可选的实施方式，所述蓝牙信标定位系统根据每个施工人员对应经过均值处理后的每个蓝牙信标的rssi值，与所述指纹库内的指纹数据进行匹配，估计出每个施工人员的实时位置，包括：

27、以每个施工人员对应经过均值处理后的每个蓝牙信标的rssi值作为实时rssi向量，计算实时rssi向量与指纹库中每个参考点的rssi向量之间的相似度；

28、根据所计算的相似度，确定与实时rssi向量最相似的k个参考点；

29、计算最相似的k个参考点中的每个参考点的权重；

30、根据每个参考点的权重，基于加权平均的方法确定施工人员的位置估计值，作为其在盾构隧道有限空间内实时的位置坐标。

31、作为可选的实施方式，所述基于实时位置的时序变化动态判断施工人员的运动状态以及安全预警，包括：

32、通过分析施工人员的位置估计值及其动态变化判断施工人员的运动状态，如果在连续多个定位周期内，施工人员的位置坐标不变或者变化值在预设幅度范围内，则判断该施工人员处于静止状态；反之，如果位置坐标变化超过预设幅度范围，则判断施工人员处于运动状态；

33、根据盾构隧道有限空间内预先划分的不同的区域，并预先设定每个区域的边界坐标；当施工人员的位置坐标显示其进入或离开预设的特定区域时，立即发出相应的警报，并在监控中心的屏幕上突出显示该施工人员的位置和相关信息；

34、记录施工人员在各个区域的停留时间，当施工人员在某一特定区域停留时间超过系统安全阈值时间，则发出预警提示信息，提醒管理人员或者与其距离最近的施工人员关注该人员是否遇到困难或出现异常情况，并在监控中心的屏幕上突出显示该施工人员的位置和相关信息。

35、作为可选的实施方式，所述实时rssi向量与指纹库中每个参考点的rssi向量之间的相似度，以欧氏距离、曼哈顿距离或余弦相似度作为相似度的度量标准。

36、根据本发明目的的第二方面，还提出一种盾构隧道有限空间安全作业防护预警方法，包括以下步骤：

37、(1)在离线阶段完成蓝牙信标部署、参考点选取以及指纹库建立，包括以下操作：

38、步骤1.1、按照施工区域和施工长度布置多个蓝牙信标，每个蓝牙信标具有作为唯一标识符的信标id，以及以盾构隧道入口为原点所建立笛卡尔坐标系下的坐标值；按照从盾构隧道入口开始向内延伸的方式，按照10～20m距离安装蓝牙信标，蓝牙信标安装高度为1.5～2.5m；在安装每个蓝牙信标时通过测量仪器准确测量和记录其位置坐标，即以盾构隧道入口为原点所建立笛卡尔坐标系下的坐标值；

39、步骤1.2、测试与配置蓝牙信标的发射功率与广播频率；

40、步骤1.3、从盾构隧道入口位置开始向盾构隧道有限空间内施工区域延伸，按照相邻参考点之间相距预设间隔的方式设置参考点，并且对通风口、不同地质条件边界位置、施工设备位置、隧道边界、高压电区域均配置参考点；

41、步骤1.4、对于每个参考点，使用一参考蓝牙定位标签静置并测量在其周围的蓝牙信标的rssi值，参考蓝牙定位标签对其扫描范围内的每个可见的蓝牙信标进行多次rssi测量，并计算平均值作为该参考点对某个蓝牙信标的rssi值；

42、步骤1.5、对每个参考点，记录其在所述笛卡尔坐标系下的坐标值，并将每个参考点的坐标值与每个参考点对应的蓝牙信标的rssi值一一对应地存储，构建出初始的指纹库。

43、步骤1.6、对所述初始的指纹库进行异常值检测与剔除，以及高斯平滑处理，获得最终的指纹库，用于进行施工人员在盾构隧道有限空间内的位置及其动态变化的估计；

44、(2)在线实时监测施工人员的运动状态并进行安全预警，包括以下操作：

45、步骤2.1、当施工人员在盾构隧道有限空间内移动时，其所携带的蓝牙定位标签将测量到的蓝牙信标rssi值和信标标识信息进行打包处理，并按照上报频率发送至蓝牙信标定位系统，每个数据包包含蓝牙定位标签的标签id、测量时间、信标id以及对应的rssi值；

46、步骤2.2、蓝牙信标定位系统根据接收到每个施工人员对应蓝牙定位标签上报的数据包，根据多次测量取平均值的方式确定施工人员的蓝牙定位标签测量的每个蓝牙信标的rssi值；

47、步骤2.3、蓝牙信标定位系统以每个施工人员对应经过均值处理后的每个蓝牙信标的rssi值作为实时rssi向量，计算实时rssi向量与指纹库中每个参考点的rssi向量之间的相似度，以欧氏距离、曼哈顿距离或余弦相似度作为相似度的度量标准；

48、步骤2.4、根据所计算的相似度，确定与实时rssi向量最相似的k个参考点并计算最相似的k个参考点中的每个参考点的权重；

49、步骤2.5、根据每个参考点的权重，基于加权平均的方法确定施工人员的位置估计值，作为其在盾构隧道有限空间内实时的位置坐标；

50、步骤2.6、根据施工人员的实时位置的时序变化动态判断施工人员的运动状态以及安全预警。

51、作为可选的实施例，所述根据施工人员的实时位置的时序变化动态判断施工人员的运动状态以及安全预警，包括：

52、通过分析施工人员的位置估计值及其动态变化判断施工人员的运动状态，如果在连续多个定位周期内，施工人员的位置坐标不变或者变化值在预设幅度范围内，则判断该施工人员处于静止状态；反之，如果位置坐标变化超过预设幅度范围，则判断施工人员处于运动状态；

53、根据盾构隧道有限空间内预先划分的不同的区域，并预先设定每个区域的边界坐标；当施工人员的位置坐标显示其进入或离开预设的特定区域时，立即发出相应的警报，并在监控中心的屏幕上突出显示该施工人员的位置和相关信息；

54、记录施工人员在各个区域的停留时间，当施工人员在某一特定区域停留时间超过系统安全阈值时间，则发出预警提示信息，提醒管理人员或者与其距离最近的施工人员关注该人员是否遇到困难或出现异常情况，并在监控中心的屏幕上突出显示该施工人员的位置和相关信息。

55、结合以上实施例的盾构隧道有限空间安全作业防护预警系统与预警方法，其显著的优点在于：

56、(1)本发明的盾构隧道有限空间安全作业防护预警系统通过设置位于盾构隧道入口的uhf读卡器，读取施工人员携带的rfid标签初步定位施工人员身份后能够初步划定进入人员的范围，利于后续进行人脸识别登记时采用1：1的方式进行人脸识别，而非1：n的识别方式，提高人脸识别的效率和准确性；结合rfid标签识读系统与人脸识别系统进行人脸图像采集和进入施工区域的施工人员识别登记，通过双重身份验证方式可以更准确地核实进入人员身份，有效保障了施工区域的安全性，并且利于后续在人员撤出以及发生危险时的定点、定人的高效救援；

57、(2)由于在盾构隧道复杂的环境中难以准确获取施工人员位置和进行安全预警，提前规避和发现安全问题，本发明的安全防护预警系统通过在施工人员安全帽中集成蓝牙定位标签，并结合盾构隧道内部署的蓝牙信标系统，利用基于rssi的指纹库进行位置估计，相比现有方法，能够更精确地确定每个施工人员在盾构隧道有限空间内的位置及其动态变化，提前感知多种意外、特殊情况下的处置，有助于在发生危险情况之前发现问题并快速进行就近预警，并快速定位人员以及通知最邻近施工人员进行安全确认和干预，提前预警减少危险的发生，并提高救援效率；

58、(3)与仅能监测环境参数但缺乏有效预警机制的现有系统不同，本发明的安全防护预警系统设计环境安全预警系统，通过接收实时监测的温湿度和空气质量数据，例如二氧化碳含量、硫化氢/甲烷等有害气体含量、氧含量等，并根据安全阈值范围进行施工预警，使得施工人员可以及时采取措施应对环境变化，如通风换气、调整施工进度或者提前安全撤离施工区域等，从而保障施工安全；

59、(4)本发明设计的人员安全预警系统与蓝牙信标定位系统连接，能够基于每个施工人员在盾构隧道有限空间内的位置及其变化状态进行预警，例如，当施工人员靠近危险区域或者在危险区域停留时间过长时，可以及时发出警报，实现更具针对性和动态性的人员安全预警。

60、应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

61、结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。