一种基于物联网的隧道监控与预警系统及方法与流程

1.本发明涉及隧道施工监控技术领域，尤其涉及一种基于物联网的隧道监控与预警系统及方法。


背景技术：

2.随着企业和施工人员安全意识的提高，安全作业是隧道施工重点关注的问题。隧道施工状态监控和危险预警是早期根据现场实况发现险情、及时组织人员疏散和减轻甚至避免危险的有效措施，极大地保障了施工安全。由于监控对象众多、数据处理量巨大、信号传输距离较远，当前隧道施工状态监控还采用人工观察对应仪表的监控模式。这种监控模式响应速度慢、综合分析能力差、容易出现误读或误判的情况，不利于及时发现并处置险情，无法满足隧道施工的监控需求。因此，亟需提高隧道施工的自动化、智能化程度，以提高隧道施工安全。
3.随着大数据、云计算等技术的飞速发展，物联网技术近年来取得了长足的进步，并在智能电网、智能物流、智能农业、智能交通、智能家居、智慧城市等领域取得了较好的应用。物联网能同时连接众多不同的传感器和执行装置，通过处理众多的实时数据对突发事件制定可行的解决方案。为了监控隧道施工现场复杂的状态信息、及时准确对施工危险进行预警，利用物联网技术是切实可行的方法。利用物联网技术，可在远程实时监控隧道的施工情况，根据各种可能的施工风险制定有效的应对措施，减低甚至避免施工危险，为人员和设备安全提高坚实保障。同时，物联网技术也能为远程监控室提供安全、舒适的工作环境，有利于提高监控人员的工作效率，进而保障隧道施工的安全。基于物联网的隧道监控与预警系统可以尽可能全面、实时地感知隧道施工状态数据，实现对施工状态的准确、全面评价和对施工危险进行合理、有效地预测。
4.因此，本发明根据隧道施工发展的需求，设计一种基于物联网的隧道监控与预警系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种基于物联网的隧道监控与预警系统及方法。
6.基于物联网的隧道监控与预警系统，其特征在于，所述系统包括远程监控室安装设备和隧道施工现场安装设备；
7.所述远程监控室安装设备包括监控室信息测量设备、远程控制器、上位机和显示器；所述监控室信息测量设备包括空调、第一除湿器、第一增湿器、空气净化器、智能门窗、噪声探测器、第一预警指示灯、第一监控摄像头、第一热成像仪、第一激光雷达、第一温度传感器、第一湿度传感器、空气质量探测器、第一烟雾探测器；
8.所述隧道施工现场安装设备包括施工现场信息测量设备和现场控制器；所述施工现场信息测量设备包括新风系统、第二除湿器、第二增湿器、设备状态灯、uwb定位系统、预警广播、第二预警指示灯、第二监控摄像头、第二热成像仪、第二激光雷达、第二温度传感
器、第二湿度传感器、有毒有害气体传感器、第二烟雾探测器。
9.所述远程控制器收集所述监控室信息测量设备的测量信息，并将此测量信息实时传输到上位机；所述现场控制器收集所述施工现场信息测量设备的测量信息，并将收集到的测量信息通过4g网络实时传输给上位机；上位机将远程控制器和现场控制器的测量信息通过显示器实时显示。
10.基于物联网的隧道监控与预警系统的监控与预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.步骤1：系统启动与自检；上位机收到启动指令之后，启动远程控制器、现场控制器、显示器、监控室信息测量设备和施工现场信息测量设备；上位机检测远程控制器、现场控制器和显示器的工作状态，若发现异常，则在上位机中提示操作者以解决异常问题，若未发现异常，则继续工作；上位机控制远程控制器和现场控制器，对监控室信息测量设备和施工现场信息测量设备分别进行工作状态检测，若发现异常，则在显示器上显示异常设备的类型、数量及原因，对应的第一预警指示灯或第二预警指示灯亮起进行预警，若未发现异常，则继续工作；若系统正常启动，则在显示器上显示系统正常启动；
12.步骤2：根据远程监控室和隧道施工现场的测量信息进行隧道监控与预警；对于远程监控室，具体包括：
13.步骤a1：人脸识别；远程控制器根据提前录制好的人脸数据，建立人脸数据库，对比第一监控摄像头拍摄的室内人员的人脸信息，确认工作人员信息，然后转到步骤a2；
14.步骤a2：入侵检测；当第一监控摄像头拍摄的室内人员的人脸信息与人脸数据库不匹配时，则系统自动判定遭到非法入侵，远程控制器结合第一监控摄像头的信息，利用第一热成像仪和第一激光雷达确定入侵者的具体位置信息，并将此位置信息实时显示在显示器上，若未发现非法入侵，则继续工作；然后转到步骤a3；
15.步骤a3：烟雾探测；远程控制器控制第一烟雾探测器自动检测室内的烟雾信息；然后转到步骤a4；
16.步骤a4：空气质量检测；远程控制器控制远程监控室内分布的空气质量探测器实时检测室内的空气质量，若空气质量异常，则远程控制器自动开启空气净化器；若空气质量正常，则转到步骤a5；
17.步骤a5：温度状态检测；温度传感器自动监测室内的温度，远程控制器根据天气和季节信息，自动设定温度的阈值；若温度异常，则远程控制器自动控制空调以调节室内温度；若温度正常，则转到步骤a6；
18.步骤a6：湿度状态检测；湿度传感器自动监测室内的湿度，远程控制器根据天气和季节信息，自动设定湿度的阈值；若湿度异常，则远程控制器自动控制第一除湿器或第一增湿器调节室内湿度；若湿度正常，则转到步骤a7；
19.步骤a7：噪声状态检测；远程监控室的噪声探测器实时监测噪声信息，若室外存在施工噪声，则远程控制器控制智能门窗自动关闭；若室外不存在施工噪声，则转到步骤a8；
20.步骤a8：显示状态信息；远程控制器将室内温度、湿度、噪声、空气质量和人员位置信息实时传输给上位机处理，再将其展示在显示器上；再转到步骤a9；
21.步骤a9：关闭远程控制系统；上位机收到关闭指令后，通过远程控制器关闭监控室信息测量设备和显示器；若关闭指令正常执行，则在显示器中显示关闭状态，否则在显示器
中显示关闭失败的设备；最后上位机自动关闭，监控与预警结束；若系统未关闭，则转到步骤a1；
22.对于隧道施工现场，具体包括：
23.步骤b1：人脸识别及定位；在隧道施工现场，现场控制器根据提前录制好的人脸数据，建立人脸数据库，对比第二监控摄像头拍摄的施工人员的人脸信息，确认工作人员信息；现场控制器通过控制uwb定位系统确定关键人员和设备的精确位置信息；然后转到步骤b2；
24.步骤b2：入侵检测；当第二监控摄像头拍摄的施工人员的人脸信息与数据库不匹配时，系统自动判定遭到非法入侵，则现场控制器结合第二监控摄像头的信息，利用第二热成像仪和第二激光雷达确定入侵者的具体位置信息；若未发现非法入侵，则继续工作；然后转到步骤b3；
25.步骤b3：烟雾探测；现场控制器控制第二烟雾探测器自动检测施工现场的烟雾信息；然后转到步骤b4；
26.步骤b4：气体检测；现场控制器控制隧道施工现场分布的有毒有害气体传感器实时检测施工现场的有毒有害气体的含量，若有毒有害气体超标，则现场控制器自动开启新风系统换气，并通过预警广播通知现场施工人员撤离；若气体检测正常，则转到步骤b5；
27.步骤b5：温度状态检测；温度传感器自动监测施工现场的温度，现场控制器根据天气和季节信息，自动设定温度的阈值；若温度状态异常，则现场控制器自动控制新风系统调节现场温度；若温度状态正常，则转到步骤b6；
28.步骤b6：湿度状态检测；若湿度状态异常，则现场控制器自动控制第二除湿器或第二增湿器调节现场湿度；若湿度状态正常，则转到步骤b7；
29.步骤b7：设备状态检测；现场控制器监控施工现场各个设备的运行状态，若发现设备运行异常，则自动亮起设备状态灯提示异常并提醒现场施工人员；若设备状态正常，则转到步骤b8；
30.步骤b8：显示状态信息；现场控制器将隧道施工现场的温度、湿度、空气质量、人员位置和设备运行状态信息实时传输给上位机处理，再将其展示在显示器上；再转到步骤b9；
31.步骤b9：关闭现场控制系统；上位机收到关闭指令后，通过现场控制器关闭施工现场信息测量设备；若关闭指令正常执行，则在显示器中显示关闭状态，否则在显示器中显示关闭失败的设备；最后上位机自动关闭，监控与预警结束；若系统未关闭，则转到步骤b1。
32.所述步骤a1和步骤b1中的人脸识别具体包括以下步骤：
33.步骤r1：通过第一监控摄像头或第二监控摄像头获取所有工作人员的脸部图像信息；
34.步骤r2：将步骤r1获得的脸部图像信息利用人工智能算法进行滤波、人脸检测和图像分割，并通过特征提取得到所有工作人员的脸部特征；
35.步骤r3：将步骤r2获得的脸部特征导入到数据库中，根据实际情况为各个工作人员输入权限等级；
36.步骤r4：当第一监控摄像头或第二监控摄像头监控到有人员出入时，则实时获取出入人员的人脸图像信息；第一监控摄像头和第二监控摄像头分别将测得的人脸图像信息实时传输到远程控制器和现场控制器中；
37.步骤r5：远程控制器和现场控制器对人脸图像信息进行滤波、人脸检测和图像分割，并将处理后的人脸图像信息与数据库的工作人员的脸部特征进行比对，判断该出入人员是否为工作人员；
38.若为工作人员，则在数据库中查询其权限等级，将第一监控摄像头或第二监控摄像头的安装位置、脸部特征比对结果和权限等级输出到上位机中；进一步根据该工作人员的权限等级和位置信息进行比对，如果该工作人员的权限等级与其出入位置匹配，则记录该出入信息，如果该工作人员的权限等级与其出入位置不匹配则第一预警指示灯或第二预警指示灯报警，并将报警信息发送给相关负责人和安保人员；
39.若为非工作人员，则第一预警指示灯或第二预警指示灯报警，并将报警信息发送给相关负责人和安保人员。
40.本发明的有益效果在于：
41.1、根据远程监控室的温度、湿度、噪声等状态信息，自动控制仪器调节上述状态信息，提供安全、舒适的远程监控环境；
42.2、根据隧道施工现场的温度、湿度、有毒有害气体等状态信息，自动对施工危险进行预警，避免施工事故的发生；
43.3、实时检测、录制远程监控室人员的出入信息、运动信息和工作状态，检测非法入侵、记录检测信号；
44.4、实时检测、录制隧道施工现场的出入信息、运动信息及敏感人员和设备的精确位置信息，便于管理施工人员和设备；
45.5、根据远程监控室和施工现场的各种危险信号，自动制定解决方案并自动执行解决方案，降低甚至避免危险的发生。
附图说明
46.图1为本发明的基于物联网的隧道监控与预警系统的硬件组成示意图；
47.图2为本发明的远程监控室的控制框架示意图；
48.图3为本发明的隧道施工现场的控制框架示意图；
49.图4为本发明的上位机的控制框架示意图；
50.图5为本发明的系统控制流程图；
51.图6为本发明中人脸识别的流程图。
具体实施方式
52.本发明提出一种基于物联网的隧道监控与预警系统及方法，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
53.图1为本发明的基于物联网的隧道监控与预警系统的硬件组成示意图；在远程监控室装有：空调用以调节室内温度；除湿器用以降低室内湿度；增湿器用以升高室内湿度；空气净化器用以提高室内空气质量；智能门窗用以调节光照强调、调节空气交换效率、降低室外噪声影响；噪声探测器用于检测工作环境噪声；预警指示灯用以对危险信号进行预警；监控摄像头用以监控出入人员信息；热成像仪用于监控人员在室内的运动信息；激光雷达用于监控敏感区域的人员接近信息；温度传感器用于检测室内温度；湿度传感器用于检测
室内湿度；空气质量传感器用于检测室内空气质量；烟雾探测器用于检测室内的烟雾信息；远程控制器收集上述传感器的测量信息，控制空调、除湿器、增湿器、空气净化器、智能门窗、预警指示灯等工作，并将监控信息实时传输给上位机；上位机将关键的状态信息在显示器中实时显示出来。
54.在隧道施工现场装有：新风系统用以调节隧道温度和空气流动；除湿器用以降低隧道湿度；增湿器用以升高隧道湿度；设备状态灯显示隧道内施工设备的运行状态；uwb定位系统确定关键人员和设备的精确位置信息；预警广播用于实时播报隧道施工状态、提示潜在的施工危险；预警指示灯用以对危险信号进行预警；监控摄像头用以监控出入人员信息；热成像仪用于监控人员在隧道的运动信息；激光雷达用于监控敏感区域的人员接近信息；温度传感器用于检测隧道施工现场温度；湿度传感器用于检测隧道施工现场湿度；有毒有害气体传感器用于检测隧道的有毒有害气体；烟雾探测器用于检测室内的烟雾信息；现场控制器收集上述传感器的测量信息，控制新风系统、除湿器、增湿器、设备状态灯、uwb定位系统、预警广播和预警指示灯工作，并将监控信息通过4g网络实时传输给上位机。
55.如图2、图3、图4和图5所示，基于物联网的隧道监控与预警系统的工作过程详述如下：
56.上位机收到启动指令之后，控制继电器等从而启动远程控制器、现场控制器、显示器、传感器等；远程控制器、现场控制器、显示器、启动之后，上位机检测远程控制器、现场控制器、显示器的工作状态，若发现异常，则在上位机中提示操作者以解决异常问题，若未发现异常，则继续工作；上位机控制远程控制器，对远程监控室的仪器进行工作状态检测，若发现异常，则在显示器中显示异常传感器的类型、数量及可能的原因，对应的指示灯亮起预警，协助解决异常问题，若未发现异常，则继续工作；上位机控制现场控制器，对隧道施工现场的仪器进行工作状态检测，若发现异常，则在显示器中显示异常传感器的类型、数量及可能的原因，对应的指示灯亮起预警，协助解决异常问题，若未发现异常，则继续工作；若系统正常启动，则在显示器上显示系统正常启动。
57.在远程监控室，远程控制器根据提前录制好的人脸数据，建立人脸数据库，对比监控摄像头拍摄的室内人员的人脸信息，确认工作人员信息；当监控摄像头拍摄的室内人员的人脸信息与数据库不匹配时，则控制系统自动判定遭到非法入侵，否则继续工作；若发现非法入侵，则远程控制器结合监控摄像头的信息，利用热成像仪和激光雷达确定入侵者的具体位置信息，并将上述信息实时显示在显示器上，若未发现非法入侵，则继续工作；烟雾探测器在远程控制器的控制下，自动检测室内的烟雾信息，避免火灾的发生；分布在远程监控室的各个部位的空气质量探测器在远程控制器的控制下，实时检测室内的空气质量，若空气质量不达标，则远程控制器自动开启空气净化器，用以改善室内的空气质量；温度传感器和湿度传感器自动监测室内的温度和湿度，远程控制器根据天气和季节信息，自动设定温度和湿度的阈值；若温度不达标，则远程控制器自动控制空调以调节室内温度；若湿度不达标，则远程控制器自动控制除湿器或加湿器调节室内湿度；远程监控室的噪声传感器实时监测噪声信息，若室外的施工噪声对室内影响较大，则远程控制器控制智能门窗自动关闭，以减小噪声的影响；最后，远程控制器将室内温度、湿度、噪声、空气质量、人员位置等关键信息实时传输给上位机，上位机经过处理之后将上述信息展示在显示器上。
58.在隧道施工现场，现场控制器根据提前录制好的人脸数据，建立人脸数据库，对比
监控摄像头拍摄的施工人员的人脸信息，确认工作人员信息；当监控摄像头拍摄的施工人员的人脸信息与数据库不匹配时，则控制系统自动判定遭到非法入侵，否则继续工作；若发现非法入侵，则远程控制器结合监控摄像头的信息，利用热成像仪和激光雷达确定入侵者的具体位置信息，并将上述信息实时显示在显示器上，若未发现非法入侵，则继续工作；uwb定位系统在现场控制器的控制下，确定关键人员和设备的精确位置信息；烟雾探测器在现场控制器的控制下，自动检测施工现场的烟雾信息，避免火灾的发生；分布在隧道施工现场的各个部位的有毒有害气体检测器在现场控制器的控制下，实时检测施工现场的有毒有害气体的含量，若有毒有害气体超标，则远程控制器自动开启新风系统换气，并通过预警广播通知现场施工人员撤离；温度传感器和湿度传感器自动监测施工现场的温度和湿度，现场控制器根据天气和季节信息，自动设定温度和湿度的阈值；若温度不达标，则远程控制器自动控制新风系统以调节现场温度；若湿度不达标，则现场控制器自动控制除湿器或加湿器调节现场湿度；现场控制器通过监控施工现场各个设备的运行状态，若发现设备运行异常，则自动亮起设备异常指示灯，提醒监控和现场施工人员；
59.远程监控室的噪声传感器实时监测噪声信息，若室外的施工噪声对室内影响较大，则远程控制器控制智能门窗自动关闭，以减小噪声的影响；最后，远程控制器将室内温度、湿度、噪声、空气质量、人员位置等关键信息实时传输给上位机，上位机经过处理之后将上述信息展示在显示器上；最后，现场控制器将室内温度、湿度、空气质量、人员位置、设备运行状态等关键信息实时传输给上位机，上位机经过处理之后将上述信息展示在显示器上。
60.上位机收到关闭指令之后，控制继电器等从而关闭远程控制器、现场控制器、显示器、传感器等；通过现场控制器关闭隧道施工现场的仪器；通过远程控制器关闭远程监控室的仪器；若上述关闭指令正常执行，则在显示器中显示关闭状态，否则在显示器中显示关闭失败的仪器；上位机通过控制指令控制远程控制器、现场控制器和显示器关闭；最后上位机自动关闭，系统完成关闭。
61.图6为本发明中人脸识别的流程图。首先，通过监控摄像头获取所有工作人员的脸部图像信息；其次，将所有的图像信息利用人工智能算法进行滤波、人脸检测、图像分割等处理，并通过特征提取获取所有工作人员的脸部特征；接着，将所有工作人员的图像信息和识别的脸部特征导入到数据库中；然后，最高权限管理者根据实际情况为各个工作人员输入权限等级；当监控摄像头监控到有人员出入时，则实时获取出入人员的人脸信息图像；摄像头将测得的人脸图像信息实时传输到远程控制器或者现场控制器中，控制器对人脸图像信息进行滤波、人脸检测和图像分割等预处理；将处理之后的人脸信息与数据库的工作人员的脸部特征进行比对，判断该出入人员是否为工作人员，若为工作人员则在数据库中查询其权限等级；将摄像头安装位置、特征比对结果和权限等级输出到上位机中；若检测到出入人员为非工作人员，则预警指示灯报警，并将报警信息发送给相关负责人和安保人员；若检测到出入人员为工作人员，则进一步根据该工作人员的权限等级和位置信息进行比对，如果该工作人员的权限等级与其出入位置匹配则记录该出入信息，如果该工作人员的权限等级与其出入位置不匹配则预警指示灯报警，并将报警信息发送给相关负责人和安保人员。
62.此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。