基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法及监控系统

1.一种基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
步骤(1)利用无线传感器在施工隧道内开始采集数据，不同类型数据按照各自预先设定的刷新周期，上传至监控中心；采集数据类型分为环境量、工程量和人员定位三类；
步骤(2)判断是否有数据超过预先设定的安全阈值，如果超过，则称该超过安全阈值的数据为报警数据，进入步骤(3)，否则，转入步骤(1)继续采集；
步骤(3)将所有类型数据的刷新周期调整至8秒以内，继续采集数据，对采集的报警数据，进行数据滤波，如果报警数据偏离其平均值5％-10％，则发出检查状态异常点的设备和施工作业情况的通知，并进入步骤(4)，否则转入步骤(1)；
步骤(4)启动安全评估服务，其具体过程为：
(4.1)选取最近的一段时间t的报警数据，绘制报警数据变化趋势曲线，t的初始值设为T，T为预先设定的单元时间的大小；
(4.2)判断报警数据变化趋势曲线的变化趋势是否明显，如果是进入步骤(5)，否则，进入步骤(4.3)；
(4.3)判断t是否大于等于的预先设定的安全评估时间阈值，如果是，表示不存在安全隐患，进入步骤(1)，否则令t＝t+T，转入步骤(4.1)；
步骤(5)按照数据关系模型，进行相关性计算，得到报警数据对应的报警事件类型发生的综合概率，进入步骤(6)；
步骤(6)按照报警事件类型的综合概率，查询对应的报警等级，采取相应的防护手段后，转至步骤(7)，
步骤(7)判断事故态势是否蔓延，如果是，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)；
步骤(8)监控系统启动社区联动服务，转入步骤(9)；
步骤(9)判断是否所有出现报警的监测单元中的采集数据最终回落到安全阈值范围内，若是，则转至步骤(1)继续数据采集；否则，转至步骤(7)，跟踪事故蔓延态势；
步骤(5)具体包括下述过程：
(5.1)预先建立所有采集数据的专家规则库；
(5.2)分析规则中包含的前提条件的相关性；
(5.3)按照报警数据类型及其数据关系模型，计算报警数据所对应的报警事件的综合概率；
步骤(7)中，按照下述过程判断事故态势是否蔓延：
(7.1)预先将隧道划分成连续的检测单元，所有监测单元进行编号，使每一个监测单元与其编号一一对应；
(7.2)缩短报警数据所在的及其相邻监测单元的数据刷新周期至8s以内，并开始绘制实时数据曲线，至60分钟-120分钟结束绘制；
(7.3)采用步骤(3)所述过程，判断报警数据发生点的相邻监测单元是否出现新报警数据，如果出现，则为事故态势蔓延，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在于，步骤(5.3)中，
综合概率的计算中涉及的两条计算规则解释如下：
关系“与(AND)”规则，以求取由前提事件a、b引起的事件c发生的综合概率为例说明(IF a AND b THEN c)
Pc＝(1-(1-Pa)×(1-Pb))×100％
上式中Pa、Pb、Pc依次为事件a、b、c发生的概率；
关系“或(OR)”规则，以求取由前提事件d、e引起的事件f发生的综合概率为例说明(IF d OR e THEN f)
Pf＝(Pd+Pe)×100％
上式中Pd、Pe、Pf依次为事件d、e、f发生的概率；
(5.3.1)判断报警数据是否为温度、氧气、烟雾和一氧化碳四种数据中一种，如果是，计算火灾报警的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入(5.3.2)判断此刻报警数据类型；
(5.3.2)判断报警数据是否为甲烷，二氧化碳和粉尘三种数据中一种，如果是，计算有毒有害气体报警的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入步骤(5.3.3)判断此刻报警数据类型；
(5.3.3)判断报警数据是否为排水沟水位数据，如果是，计算突水报警的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入步骤(5.3.4)判断此刻报警数据类型；
(5.3.4)判断报警数据是否为地表沉降值和运动加速度值，如果是，根据当前时刻，地表沉降值和地表运动加速度的报警概率值，计算岩土层异动报警的综合概率的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入步骤(5.3.5)判断此刻报警数据类型；
(5.3.5)判断当前施工人员的位置坐标，如果不在规定其职责工作区域，或者处于火灾、有毒有害气体、突水或者岩土层异动报警区域，则发出进入危险区域报警，否则，转入步骤(5.3.6)判断此刻报警数据类型；
(5.3.6)判断施工监测点的光照强度是否满足施工作业要求，如果超过安全值上限，产生照明设备异常报警；否则，转入步骤(5.3.1)判断此刻报警数据类型。
3.一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于，该系统包括位于施工隧道口附近的一种监控中心、远离施工隧道的救援指挥中心和位于隧道内的多个监控单元；
监控中心负责收集来自监控单元采集的各种类型数据，提供人机交互接口，接收现场执行器的控制命令，发送到各监控单元中；在事故蔓延，启动社区联动服务的情况下，监控中心与救援指挥中心实现现场信息实时同步；
救援指挥中心负责接收和处理来自监控中心的数据库数据，并提供授权的界面给不同部门的终端用户，通过移动远程网络，根据同步的现场信息，向监控中心发送控制指令；
各监控单元将隧道划分成相同大小的监控区域，每个监控单元内通过网关节点汇集该区域内环境量、工程量和人员定位三类数据，上传至监控中心，同时接收来自监控中心的控制命令和网络配置信息，转发到相应的节点中。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，监控中心包括决策支持引擎、监控用户平台和移动服务器；
决策支持引擎主要负责数据滤波以及对报警数据进行安全评估，通过与监控用户平台中的数据库接口，读取报警数据，根据预先存储的数据关系模型，进行报警事件类型的综合概率计算，根据相应的报警等级，将综合概率计算结果以及推荐的安全操作手段，发送给监控用户平台；
监控用户平台主要负责隧道施工监控系统管理员和用户的登录；
移动服务器负责建立和维护与指挥中心的通信链路，发送现场采集数据和网络状态属性到远程移动客户端，同时监听客户端的请求功能，接收远程指挥人员登录信息和隧道现场节点的控制信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，救援指挥中心包括移动客户端和应急救援信息共享平台；
移动客户端使用移动网络接收来自移动服务的现场信息，同时接收应急救援信息共享平台的登录信息和控制指令，发送到监控中心的移动服务器；移动客户端是有授权等级控制的移动服务器接口，保证监控用户平台的数据库信息，经过加密后提供给应急信息共享平台；
应急救援信息共享平台作为实现隧道施工现场统一救援指挥决策以及系统远程控制的人机交互入口，接收移动客户端加密的现场信息，按照授权等级进行分类后，发送到各个登录用户，等待接收远程操作指令。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，各监控单元中分别均包括网关节点，数据采集节点集，定位节点集，控制器节点集；
网关节点作为无线传感网络与以太网的数据网关，完成无线报文和以太网协议报文之间的转换；一方面负责一个监控单元的环境量、工程量和人员定位数据的收集，收集的数据上传至监控中心；另一方面，将监控中心的控制或配置命令，解析后发送到相应地址的节点中；
数据采集节点集按照预先配置的数据刷新周期，周期性的将环境量和工程量数据发送到各自监控单元的网关节点中；
定位节点集分为两类，定位锚节点和移动节点，定位锚节点存储实际的地理位置信息，并周期性的寻找进入其射频范围内的移动节点，与其建立连接关系，发送位置坐标信息给移动节点；移动节点寻找定位锚节点发出的射频信号，接收坐标信息，计算位置结果，并返回给各自监控单元的网关节点中；
控制器节点集接收到网关节点发出的控制命令，控制相应的设备完成动作，并反馈设备状态回各自监控单元的网关节点中。

基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法及监控系统 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及隧道施工安全监控以及无线通信领域，特别是一种基于传感器网络的隧道安全防护方法及监控系统。 \n背景技术\n[0002] 随着我国经济的快速发展，隧道的建设项目与日俱增，隧道施工安全和隧道安全运营问题显得越来越突出。隧道施工安全是一个复杂的系统工程，中间任何一个环节没有做好都可能酿成巨大的事故。 \n[0003] 目前，随着施工的进展，监测的环境量会不断增加。如果采用有线监测手段会存在弊端：1)布线会很复杂，增加施工的难度，而且隧道内线路的繁多，会增加事故发生的可能性；2)有线监测手段无法很好的满足监测量的增加，它的使用会增加工程成本。在这种情况下，项目将一种完全脱离有线束缚，能够实现自主控制和动态数据管理的无线传感器网络用于施工隧道监测，充分发挥其独特优势实现对隧道的监测。然而，由于隧道施工环境的电磁环境复杂，主流的ZIGBEE短距离无线通信协议广泛应用于室内通信，但在隧道监测中，缺乏确定性实时通信保障机制。WIA-PA(Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation)是中国制定的用于过程自动化的工业无线网络规范，基于低开销的精确时间同步机制，提供了实时数据传输机制和自适应调频机制，保障了隧道空间内传输距离的可靠性。 \n[0004] 发明专利申请(200510071143.2)公开了“一种基于传感器网络的井下安全监测系统、装置及方法”，设计了一个适合在煤矿井下实现出、入井人员考勤，人员和移动车辆区域定位，并能够实现井下瓦斯浓度动态监测。 \n[0005] 发明专利申请(200710063697.7)公开了“一种煤矿井下人员定位与瓦 斯浓度动态监测方法及系统”，设计使用有线通信与无线通信相结合的方法，将采集的数据信息与矿井人员信息传输至隧道外主控中心。 \n[0006] 上述专利申请未考虑在灾害发生情况下，无线通信网络的数据链路可靠性问题，并且瓦斯浓度的动态监测系统仅隧道安全施工环境中一个环节，现今的工程施工，对无线传感器网络部署的灵活性和可靠性，以及现场数据的多样性和实时性，提出了更高的要求。 发明内容\n[0007] 本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的施工隧道安全监控系统，该系统不仅能提高施工效率，而且能够有效减少漏警，增强预警，突破原有系统报警滞后于事故的限制，减少灾害或二次灾害对人员造成的影响。 \n[0008] 本发明提供的一种基于无线传感器网络的施工隧道安全防护方法，其特征在于，该方法包括下述步骤： \n[0009] 步骤(1)利用无线传感器在施工隧道内开始采集数据，不同类型数据按照各自预先设定的刷新周期，上传至监控中心；采集数据类型分为环境量、工程量和人员定位三类； [0010] 步骤(2)判断是否有数据超过预先设定的安全阈值，如果超过，则称该超过安全阈值的数据为报警数据，进入步骤(3)，否则，转入步骤(1)继续采集； \n[0011] 步骤(3)将所有类型数据的刷新周期调整至8秒以内，继续采集数据，对采集的报警数据，进行数据滤波，如果报警数据偏离其平均值5％-10％，则发出检查状态异常点的设备和施工作业情况的通知，并进入步骤(4)，否则转入步骤(1)； \n[0012] 步骤(4)启动安全评估服务，其具体过程为： \n[0013] (4.1)选取最近的一段时间t的报警数据，绘制报警数据变化趋势曲线，t的初始值设为T，T为预先设定的单元时间的大小； \n[0014] (4.2)判断报警数据变化趋势曲线的变化趋势是否明显，如果是进入步骤(5)，否则，进入步骤(4.3)； \n[0015] (4.3)判断t是否大于等于的预先设定的安全评估时间阈值，如果是，表示不存在安全隐患，进入步骤(1)，否则令t＝t+T，转入步骤(4.1)； \n[0016] 步骤(5)按照数据关系模型，进行相关性计算，得到报警数据对应的报警事件类型发生的综合概率，进入步骤(6)； \n[0017] 步骤(6)按照报警事件类型的综合概率，查询对应的报警等级，采取相应的防护手段后，转至步骤(7)， \n[0018] 步骤(7)判断事故态势是否蔓延，如果是，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)； [0019] 步骤(8)监控系统启动社区联动服务，转入步骤(9)； \n[0020] 步骤(9)判断是否所有出现报警的监测单元中的采集数据最终回落到安全阈值范围内，若是，则转至步骤(1)继续数据采集；否则，转至步骤(7)，跟踪事故蔓延态势。 [0021] 实现上述方法的系统包括位于施工隧道口附近的一种监控中心、远离施工隧道的救援指挥中心和位于隧道内的多个监控单元； \n[0022] 监控中心负责收集来自监控单元采集的各种类型数据，提供人机交互接口，接收现场执行器的控制命令，发送到各监控单元中；在事故蔓延，启动社区联动服务的情况下，监控中心与救援指挥中心实现现场信息实时同步； \n[0023] 救援指挥中心负责接收和处理来自监控中心的数据库数据，并提供授权的界面给不同部门的终端用户，通过移动远程网络，根据同步的现场信息，向监控中心发送控制指令； \n[0024] 各监控单元将隧道划分成相同大小的监控区域，每个监控单元内通过网关节点汇集该区域内环境量、工程量和人员定位三类数据，上传至监控中心，同时接收来自监控中心的控制命令和网络配置信息，转发到相应的 节点中。 \n[0025] 本发明克服了以往隧道监控系统存在的问题，具体说明如下： \n[0026] 一是隧道施工安全防护方法实现了本地安全防护和社区联动服务的有机结合，改变了原有无线系统“只监不控”的局面，为现场设备(如，PLC)提供基于WIA-PA和移动网络标准的无线控制以及访问功能。 \n[0027] 二是监控系统实现了网络化和综合化的隧道监控调度、环境量和工程量监测、以及人员定位功能，并配合决策支持分析功能，突破以往类似专利中系统分散，信息单一的监控系统受限问题。 \n[0028] 三是监控系统的传感网络节点硬件平台上，采用模块化通用接口设计，支持不同传感器任务的实现，通信协议上采用中国的工业无线标准WIA-PA，相比传统ZIGBEE传感网络，可靠性和实时性上都有大大提高。 \n附图说明\n[0029] 图1是一种隧道施工安全防护方法图； \n[0030] 图2是用于实施隧道施工安全防护方法的数据关系模型图； \n[0031] 图3是监控系统整体结构图； \n[0032] 图4是传感器网络节点通用硬件平台结构图； \n[0033] 具体实施方式\n[0034] 下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。 \n[0035] 如图1所示，建立一种隧道施工安全防护方法，在隧道入口附近建立监控中心，在远离施工隧道位置，以县(区)为最小单位建立救援指挥中心，通过分层的安全防护体系，保障施工隧道的人员安全，防止事故危险扩散。具体步骤如下： \n[0036] 步骤(1)无线传感器网络在施工隧道内开始采集数据，不同类型数据按照各自的刷新周期，上传至监控中心。根据《公路隧道施工技术规范》 要求，采集数据类型分为环境量、工程量和人员定位三类，环境量数据包括温度、湿度、风速、排水沟水位、照明、噪声、甲烷、一氧化碳、二氧化氮、烟雾、粉尘；工程量数据包括隧道开挖过程中的地表运动加速度和地表沉降量；人员定位数据指佩戴在隧道内人员身上节点的实时位置坐标。采集数据的刷新周期，可以根据施工环境自由设定，如表1所示，给出实施例某地铁施工段的环境量和工程量数据的刷新周期设定情况。 \n[0037] 步骤(2)判断是否有数据超过设定的安全阈值，如果数据超过，则称该超过安全阈值的数据为报警数据，进入步骤(3)，否则，转入步骤(1)继续采集。各采集数据均有其安全阈值，该安全阈值根据隧道施工相关规范和以往类似工程经验，在系统运行前预先确定，例如，参考《公路隧道施工技术规范》，关宝树主编的《隧道工程施工——要点集》和彭立敏主编的《交通隧道工程》。如表1所示，给出实施例某地铁施工段的环境量和工程量数据的安全阈值设定情况。 \n[0038] 步骤(3)将无线传感器网络中所有类型数据的刷新周期调整至8秒以内，继续采集数据，对采集的报警数据，进行数据滤波，如果报警数据偏离平均值5％-10％，则发出检查状态异常点的设备和施工作业情况的通知，并进入步骤(4)，如果报警数据没有偏离平均值5％-10％，则转至步骤(1)，进行正常数据采集。平均值指报警数据预先设定的一段时间(如15至20分钟)内的历史数据的平均数。 \n[0039] 步骤(4)启动安全评估服务，其具体过程为： \n[0040] (4.1)选取最近的一段时间t(t的初始值设为T)的报警数据，绘制报警数据变化趋势曲线；T为单元时间的大小，由用户根据需求或经验设定，通常为60分钟至120分钟。 [0041] (4.2)判断报警数据变化趋势曲线的变化趋势是否明显，即计算时间段t内的数据的极大-极小值之差与极小值的百分比，如果超过一定幅值(通常取5％至10％)，进入步骤(5)；否则，进入第(4.3)步； \n[0042] (4.3)判断t是否大于等于的预先设定的安全评估时间阈值，如果是，表示不存在安全隐患，进入步骤(1)，否则令t＝t+T，转入步骤(4.1)；安全评估时间阈值指用于进行报警数据决策分析预先设定的一段时间，表征安全评估所需要的历史数据的上限，其大小通常为24小时至72小时。 \n[0043] 步骤(5)按照数据关系模型，进行相关性计算，得到报警数据对应的报警事件类型发生的综合概率，进入步骤(6)。 \n[0044] 相关性计算方法，具体过程如下： \n[0045] (5.1)预先建立所有采集数据的专家规则库。例如，规则可以用“与(AND)”和“或(OR)”关系描述，形如“IF风速＜正常值下限AND温度＞正常值上限THEN火灾报警”，IF表示前提，THEN表示结论，本规则可解释为：如果风量偏小且温度偏大则可能出现火灾报警。\n注意规则中的“正常值上限”、“正常值下限”参考表1中的安全阈值设定，可以根据工程经验学习和调整。 \n[0046] (5.2)分析规则中包含的前提条件的相关性。以火灾报警为例，前提条件的相关性定义为，对应导致火灾的结论都有多个前提，如果随着某个前提条件概率增大，火灾报警可能性增大，则表示该前提与火灾报警结论正相关，反之，表示该前提与结论负相关。按照习惯，通常将规则表达为正相关的描述方式。各采集数据超过正常值上限(或下限)引起对应类型报警的概率服从平均分布的原则，分布范围为1％-100％，定义当前时刻达到上限(或下限值)，该时刻的采集数据引起对应报警事件的概率为1％；超过上限(或下限)值的10％定义为，该时刻的采集数据值将引起对应报警事件出现的概率为100％。 [0047] (5.3)按照报警数据类型及其数据关系模型，计算报警数据所对应的报警事件的综合概率。综合概率的计算中涉及的两条计算规则解释如下： \n[0048] 关系“与(AND)”规则，以求取由前提事件a、b引起的事件c发生的综合概率为例说明(IF a AND b THEN c) \n[0049] Pc＝(1-(1-Pa)×(1-Pb))×100％ \n[0050] 上式中Pa、Pb、Pc依次为事件a、b、c发生的概率。 \n[0051] 关系“或(OR)”规则，以求取由前提事件d、e引起的事件f发生的综合概率为例说明(IF d OR e THEN f) \n[0052] Pf＝(Pd+Pe)×100％ \n[0053] 上式中Pd、Pe、Pf依次为事件d、e、f发生的概率。 \n[0054] (5.3.1)判断报警数据是否为温度、氧气、烟雾和一氧化碳四种数据中一种，如果是，计算火灾报警的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入(5.3.2)判断此刻报警数据类型；火灾报警的综合概率的计算过程如下： \n[0055] (5.3.1.1)判断此刻风速是否低于正常值下限，若低于正常值下限，发出排除风机故障的通知，等待风速正常后(或收到报告风机正处于正常停机状态)，进入步骤(5.3.1.2)；否则，风速采集数据正常，直接进入步骤(5.3.1.2)； \n[0056] (5.3.1.2)根据当前时刻，温度、氧气、烟雾和一氧化碳数据的概率值，计算火灾报警的综合概率，转入步骤(6)。火灾报警规则描述为：“IF温度＞正常值上限AND氧气＜正常值下限AND烟雾浓度＞正常值上限AND一氧化碳＞正常值上限THEN火灾报警的概率＝(结果值)”，结果值通过关系“与(AND)”公式计算得到。 \n[0057] (5.3.2)判断报警数据是否为甲烷，二氧化碳和粉尘三种数据中一种，如果是，计算有毒有害气体报警的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入步骤(5.3.3)判断此刻报警数据类型；有毒有害气体报警综合概率的计算过程如下： \n[0058] (5.3.2.1)判断风速是否低于正常值下限，若低于正常值下限，发出排除风机故障的通知，等待风速正常后(或收到报告风机正处于正常停机状态)，进入步骤(5.3.2.2)；否则，风速采集数据正常，直接进入步骤(5.3.2.2)； \n[0059] (5.3.2.2)判断噪声是否超过正常值上限(如，80dB)，如果超过(说明隧道处于开挖状态，挖掘机开动)，发出开挖点加大风速和喷水雾的通知，进入步骤(5.3.2.2)。如果没有超过，则转至(5.3.2.4)。 \n[0060] (5.3.2.3)在预先设定的一段时间(通常取10分钟至15分钟)内，甲烷，二氧化碳和粉尘三者中的报警数据，没有下降，则进入步骤(5.3.2.4)，否则，转入步骤(5.3.4)； [0061] (5.3.2.4)根据当前时刻，甲烷、二氧化碳和粉尘浓度的报警概率值，计算有毒有害气体报警的综合概率，并按照三者中报警概率最大值，给出相应的有毒有害气体危险源类型，转入步骤(6)。有毒有害气体报警规则描述为“IF甲烷＞正常值上限OR二氧化碳＞正常值上限OR粉尘浓度＞正常值上限THEN有毒有害气体报警的概率＝(结果值)”。结果值通过关系“或(OR)”公式计算得到。 \n[0062] (5.3.3)判断报警数据是否为排水沟水位数据，如果是，计算突水报警的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；否则，转入步骤(5.3.4)判断此刻报警数据类型；排水沟水位报警的综合概率的计算过程如下： \n[0063] (5.3.3.1)判断此刻地表沉降量是否大于正常值上限，若大于正常值上限，进入步骤(5.3.5)；否则，风速采集数据正常，直接进入步骤(5.3.1.2)； \n[0064] (5.3.3.2)根据当前时刻，水位和地表沉降值的报警概率值，计算突水报警的综合概率，转入步骤(6)。突水报警规则描述为：“IF地表沉降值＞正常值下限AND水位＞正常值上限THEN突水报警的概率＝(结果值)”，结果值通过关系“与(AND)”公式计算得到。 [0065] (5.3.4)判断报警数据是否为地表沉降值和运动加速度值，如果是，根据当前时刻，地表沉降值和地表运动加速度的报警概率值，计算岩(土)层异动报警的综合概率的综合概率，得到综合概率后，转入步骤(6)；岩(土)层异动报警的规则：“IF地表沉降值＞正常值上限OR地表运动加速度＞正常值上限THEN突水报警的概率＝(结果值)”，结果值通过关 系“与(OR)”公式计算得到。否则，转入步骤(5.3.5)判断此刻报警数据类型。 [0066] (5.3.5)判断当前施工人员的位置坐标，如果不在规定其职责工作区域(如未授权进入电气设备保护区域)，或者处于火灾、有毒有害气体、突水或者岩土层异动报警区域，则发出进入危险区域报警。否则，转入步骤(5.3.6)判断此刻报警数据类型。该类型报警无需进行综合概率计算。 \n[0067] (5.3.6)判断施工监测点的光照强度是否满足施工作业要求，如果超过安全值上限，产生照明设备异常报警。否则，转入步骤(5.3.1)判断此刻报警数据类型。该类型报警无需进行综合概率计算。 \n[0068] 步骤(6)按照报警事件类型的综合概率，查询对应的报警等级，执行表2中给出的对应报警等级的安全防护动作，转至步骤(7)，该过程称为安全操作。如表2所示，报警等级分为四个级别：1级(存在隐患)、2级(危险处理)、3级(紧急避险)和4级(灾害救援)，每个等级对应报警类型采取的安全防护手段见表2的各个对应项目，其中，每个表项含义为随报警等级提高需要额外增加的防护动作。例如，4级(灾害救援)防护等级最高，需要在1级、2级和3级描述防护动作基础上，增加启动社区联动服务(该服务描述如步骤\n8所述)。 \n[0069] 步骤(7)判断事故态势是否蔓延，其过程如下： \n[0070] (7.1)预先将隧道划分成连续的检测单元，所有监测单元进行编号，使每一个监测单元与其编号一一对应；可以设置监测单元为长方体，长方体的长取30米-50米，宽取1米-2米； \n[0071] (7.2)缩短报警数据所在的及其相邻监测单元的数据刷新周期至8s以内，并开始绘制实时数据曲线，至60分钟-120分钟结束绘制； \n[0072] (7.3)采用步骤(3)所述过程，判断报警数据发生点的相邻监测单元是否出现新报警数据，如果出现，则为事故态势蔓延，转至步骤(8)；否则，转至步骤(9)。 [0073] 步骤(8)：监控系统启动社区联动服务，转入步骤(9)。社区联动服务指在现场监控中心和远程救援指挥中心间建立通信链路，实时传输隧道事故现场信息，信息内容包括报警范围、报警等级、报警数据、易燃易爆点设备状态及控制指令，以及向医疗、交通和消防部门发出的求援信号。 \n[0074] 步骤(9)：判断是否所有出现报警的监测单元中的采集数据最终回落到安全阈值范围内，若是，则转至步骤(1)继续数据采集；否则，转至步骤(7)，跟踪事故蔓延态势。 [0075] 如图3所示，本发明基于无线传感器网络的施工隧道安全监控系统，该系统用于实施上述安全防护方法。包括位于施工隧道口附近的监控中心1、远离施工隧道的救援指挥中心2和位于隧道内的监控单元3.1、3.2、...、3.m三部分，m为正整数(m＜256)，表示监控单元的个数。 \n[0076] 监控中心1负责收集来自监控单元3.1、3.2、...、3.m采集的各种类型数据，提供人机交互接口，接收现场执行器的控制命令，发送到监控单元3.1、3.2、...、3.m中；在事故蔓延，启动社区联动服务的情况下，监控中心1与救援指挥中心2实现现场信息实时同步，配合应急救援行动顺利开展。 \n[0077] 救援指挥中心2负责接收和处理来自监控中心1的数据库数据，并提供授权的界面给不同部门的终端用户，通过移动远程网络，根据同步的现场信息，向监控中心1发送控制指令。 \n[0078] 监控单元3.1、3.2、...、3.m将隧道划分成相同大小的监控区域，每个监控单元内通过网关节点汇集该区域内环境量、工程量和人员定位三类数据，上传至监控中心1，同时接收来自监控中心1的控制命令和网络配置信息，转发到相应的节点中。 \n[0079] 监控中心1包括决策支持引擎1.1、监控用户平台1.2和移动服务器1.3。 [0080] 决策支持引擎1.1主要负责数据滤波以及对报警数据进行安全评估，通过与监控用户平台1.2中的数据库接口，读取报警数据，根据预先存储的数 据关系模型，进行报警事件类型的综合概率计算，根据相应的报警等级，将综合概率计算结果以及推荐的安全操作手段，发送给监控用户平台1.2。 \n[0081] 监控用户平台1.2主要负责隧道施工监控系统管理员和用户的登录，包括身份认证模块，交互界面模块、WIA-PA网络管理模块、数据库模块和移动服务器连接模块五个主要功能组件。身份认证模块根据预先设置的权限，允许系统管理员、网络管理员和临时用户三种级别的登录，系统管理员拥有权限查看并修改数据库、WIA-PA网络以及移动网络的属性，网络管理员没有修改数据库的权限，临时用户权限没有任何的修改权限。交互界面模块支持监控单元的各种采集数据的实时显示、趋势图绘制、人员定位、电子地图、监控单元内各节点的加入和离线管理。WIA-PA网络管理模块，将各个网关节点发送上来的数据，进行应用类型分组，并协调网关控制的监控单元的工作状态，分类存储到数据库模块中保存，如果采集数据超过安全阈值，发送到决策支持引擎1.1，接收决策支持引擎1.1发送的控制器节点的操作命令，打包发送到WIA-PA网路对应的监控单元中。数据库模块完成采集数据的存储、查询和打印功能，并接收来自交互模块的各种类型网络配置指令，如读取网络ID号，读取加入网络的密钥，读网关MAC地址，读设备主路径信息，读取网络设备列表，连接网关，连接移动服务器，移动服务器同步数据类型及权限，设置传感器节点(指下述说明中的数据采集节点、定位节点和控制器节点)的数据刷新率等，保存更新的网络属性后发送到WIA-PA网络管理模块和移动服务器连接模块。移动服务器连接模块，完成数据库与移动服务器的同步，根据远程用户的权限，配置需要同步的采集数据类型以及其它隧道施工现场信息。 \n[0082] 移动服务器1.3负责建立和维护与指挥中心2的通信链路，发送现场采集数据和网络状态属性到远程移动客户端，同时监听客户端的请求功能，接收远程移动客户端2.1的数据。 \n[0083] 救援指挥中心2包括移动客户端2.1和应急救援信息共享平台2.2。 \n[0084] 移动客户端2.1由手机或者其它移动监控设备组成，使用GSM或者3G移动网络，接收来自移动服务器1.3的现场信息，同时接收应急救援信息共享平台2.2的登录信息和控制指令，发送到监控中心的移动服务器1.3。移动客户端2.1是有授权等级控制的移动服务器1.3接口，保证监控用户平台1.2的数据库信息(即现场信息)，经过加密后提供给应急信息共享平台2.2。 \n[0085] 应急救援信息共享平台2.2是实现隧道施工现场统一救援指挥决策以及系统远程控制的人机交互入口，接收移动客户端2.1加密的现场信息，按照授权等级进行分类后，发送到各个登录用户(总指挥室、消防、交通、医疗、环保等职能部门人员)的监控界面中显示，等待接收远程操作指令，如设备打开、关闭、添加、删除、现场呼叫、发布通知等。 [0086] 监控单元3.1、3.2、...、3.m中分别包括网关节点4.1、4.2、...、4.m，数据采集节点集5.1、5.2、...、5.m，定位节点集6.1、6.2、...、6.m，控制器节点集7.1、7.2、...、7.m。 [0087] 网关节点4.1、4.2、...、4.m，作为WIA-PA无线传感网络与以太网的数据网关，完成WIA-PA无线报文和以太网协议报文之间的转换。一方面负责一个监控单元的环境量、工程量和人员定位数据的收集，收集的数据上传至监控中心1；另一方面，将监控中心1的控制或配置命令，解析后发送到相应地址的节点中。 \n[0088] 数据采集节点集5.1、5.2、...、5.m，按照预先配置的数据刷新周期，周期性的将环境量和工程量数据发送到各自监控单元的网关节点中。 \n[0089] 定位节点集6.1、6.2、...、6.m，分为两类，定位锚节点和施工人员佩戴的移动节点，定位锚节点存储实际的地理位置信息，并周期性的寻找进入其射频范围内的移动节点，与其建立连接关系，发送位置坐标信息给施工人员佩戴的移动节点；佩戴在施工人员身上，进入施工隧道后，移动节点寻找定位锚节点发出的射频信号，接收坐标信息，利用两点定位算法，计算位置结果，并返回给各自监控单元的网关节点中。 \n[0090] 控制器节点集7.1、7.2、...、7.m由符合WIA-PA标准的无线PLC控制器构成，PLC控制器连接各自监控单元中的各种现场执行器，如风机、水泵等，接收到网关节点发出的控制命令，控制相应的设备完成动作，并反馈设备状态回各自监控单元的网关节点中。 [0091] 如图4所示，传感器网络节点通用硬件平台通过模块化的组合方式，构成隧道内的监控单元3.1、3.2、...、3.m的各类型节点，包括网关节点4.1、4.2、...、4.m，数据采集节点集5.1、5.2、...、5.m，定位节点集6.1、6.2、...、6.m，控制器节点集7.1、7.2、...、7.m。 [0092] 1)节点管理模块、射频通信模块和电池/DC电源模块作为WIA-PA网络传感器节点的基础模块。在实际应用中，基础模块是通信节点核心模块，三个组件缺一不可。 [0093] 节点管理模块：包括中央处理器，存储单元和通用外设接口模块三部分，中央处理器负责WIA-PA网络协议与其它类型应用协议的数据转换服务，通用外设接口模块由通用I/O接口组成，应用时被配置成特殊功能模式，存储单元存储接口配置信息，支持掉电保护。 [0094] 射频通信模块：包括无线收发模块，功率放大模块和WIA-PA协议处理器模块，无线收发模块完成物理信号的调制解调，功率放大模由功率放大芯片完成(如CC2591)，提高信号强度，和传输距离，WIA-PA协议处理器模块，实现WIA-PA协议包的封装和解析，提供网络时钟同步，TDMA调度机制，路由维护和紧急实时数据通道等网络服务。 \n[0095] 电池/DC电源模块：支持直流电DC和电池两种供电方式，负责节点各个模块的电源休眠唤醒以及各芯片电压转换的管理。 \n[0096] 2)以太网通信模块，定位模块，数据采集模块，PLC接口模块属于可选外设模块。\n基础模块和任何一种可选外设模块，都可以构成某一特定类型的WIA-PA传感器网络节点，在部署监控网络前，需要在计算机配置节点管理模块的应用模式和定义通用外设接口进行重配置。 \n[0097] 网关节点由上述三个基础模块和以太网通信模块组成。数据采集节点由上述三个基础模块和数据采集模块组成。定位节点集由上述三个基础模块和定位模块组成。控制器节点由上述三个基础模块和PLC接口模块组成。 \n[0098] 以太网模块：包括以太网接口和以太网协议处理器，以太网协议处理器与节点管理模块对接，构成WIA-PA网关。以太网接口收到的以太网数据包，通过某种类型的工业以太网协议处理器(如EtherCAT从站协议控制器芯片)，解包成应用层数据帧，并通过通用外设接口模块(如，串口)，将数据发送至节点管理模块的中央处理器单元，中央处理器单元，打包成WIA-PA应用层对象帧格式发送到WIA-PA协议处理器，通过无线收发模块，发送到传感器网络中。相反，从无线收发模块收到的WIA-PA网络数据，也在中央处理器中解包出应用数据，通过通用外设接口模块(如，串口)，在以太网协议处理器中打包成以太网帧，返回给监控中心。 \n[0099] 定位模块：包括射频接口和TOF(Time of Flight)定位模块，TOF定位模块与节点管理模块对接，构成射频定位锚节点和由施工人员佩戴的移动节点。锚节点和移动节点都安装了TOF定位模块，TOF定位模块采用英国JENNIC公司的JN5148模块，通过硬件完成点到点的测距功能，类似上述以太网协议处理器的数据流程，JN5148负责将TOF测距结果，打包成WIA-PA应用层对象帧格式发送到WIA-PA协议处理器，通过无线收发模块发送出去。 [0100] 数据采集模块：包括传感器和数据处理模块，数据处理模块与节点管理模块对接，构成传感器节点。传感器模块采集各种类型的环境和工程量数据，类似上述以太网协议处理器的数据流程，数据处理模块采用独立计算的CPU单元，负责AD转换等功能，并将传感器数据打包成WIA-PA应用层对象帧格式发送到WIA-PA协议处理器，通过无线收发模块发送出去。 \n[0101] PLC接口模块：包括RS232接口和PLC应用层协议模块，PLC应用层协议模块与节点管理模块对接，控制器节点。RS232接口用于PLC扩展人 机界面，或者其它串口数据，类似上述以太网协议处理器的数据流程，一方面通过无线模块接收控制命令解析成PLC的输出端口控制指令，另一方面将PLC设备状态数据打包成WIA-PA应用层对象帧格式发送到WIA-PA协议处理器，通过无线收发模块发送出去。 \n[0102] 在上述详细的具体实施方式中，尽管以具有一定程度特性的优选形式对本发明进行了描述，但是，在不背离其宗旨和范围的前提下实施本发明的各种明显不同实施例，应理解为，在不偏离权利要求的范围的情况下，发明不限于具体实施例。 \n[0103] 表1实施例某地铁施工段环境和工程量监控参数设定表 \n[0104] \n[0105] \n[0106] 注：g为重力加速度 \n[0107] 表2报警等级及防护动作表 \n[0108]