摘要：本文针对地铁下料口施工数据采集和传递不及时、信息分析和利用不充分等问题，提出一种基于微波雷达的地铁吊车施工安全监测系统。该系统采用多个微波雷达实时监测下料口上方的吊运物资情况，利用短距无线网络实现数据的传递，然后综合分析多点数据，最后通过声光电的方式对施工人员警示，有效保证了地铁下料口的施工安全。
关键词：系统设计；微波雷达；监控系统
1研究背景
地铁施工主要集中在地下隧道，大量的重型设备和各种物资都需要使用吊车才能运输到地下隧道，地铁吊车施工现场示意图如图1所示。如图1所示，在地铁站点留有几十平米的下料口，吊车通过该下料口将大量的物资从地面运输到地底隧道上。由于下料口两边都是隧道，里面随时都有人员及施工车辆进出，人员和车辆无法看到下料口上方的吊运物资的情况，吊车往下运输物资，极易与隧道内的进出人员和车辆相撞，发生安全事故。现有的吊车施工安全监测都是依靠人工，这种方式一是需要相互协调各个工种的施工任务顺序，二是消耗较多的人工，三是无法对吊车施工现场进行全方位的监测和安全提醒指示。由上可知，现有的依靠人工监测的吊车施工监测方式极易发生安全事故。基于此，本文研发了一种基于微波雷达的地铁吊车施工安全监测系统。该系统将对下料口内的移动物体进行实时监测，并采用声光电的方式对隧道内的施工人员进行安全警示，防止事故发生。
2系统设计
2.1功能设计
本系统从地铁下料口的实际环境出发，功能设计框图如图2所示。本系统采用多组微波雷达全面覆盖下料口，雷达数据通过zigbee无线系统传输到雷达信号处理机中，然后对多组雷达信号进行信号处理和融合得到告警信息，最后将告警信息传输到安全警示系统中，警示系统分别通过声光电等方式对隧道内的人员进行警示。具体功能如下：（1）微波雷达探测功能。系统利用多普勒雷达探测技术，通过检测物体反射的微波来识别物体的移动情况，同时识别目标并不局限于人体，还有很多非生命类物体。这种探测方式具有无接触、抗干扰、功率小、速度快等优点。（2）基于自组织网络的无线通信功能。系统所处的下料口环境特殊，一方面不易布线，另一方面现有的移动网络地下信号强度有限。故基于zigbee的自组织无线网络进行整个系统的数据传输，既可以独立运行，又避免了拉线布线的麻烦。（3）系统自检功能。系统包括传感器的自检和信号通道自检，在传感器和信道均正常的情况下，系统每隔15s发一个脉冲，一旦在大于15s(20s)时间仍接不到脉冲时系统就立即报警，从而提高了系统的可靠性。（4）安全警示功能。采用三种警示方式：报警灯警示、语音提醒和LED显示屏警示，使系统人机界面更趋友好。报警灯能够对远处的使用者通过这三种方式即可知道当前系统的工作状态和具体检测信息。（5）便携式功能。内置充电电池，直接展开即可部署。
2.2系统实现原理
整个项目采用多组微波雷达全面覆盖下料口，雷达数据通过Zigbee无线系统传输到雷达信号处理机中，处理就对多组雷达信号进行信号处理和融合得到告警信息，然后再通过告警信息传输到安全警示系统中，警示系统分别通过声光电等方式对隧道内的人员进行警示。根据系统功能框图可以将本系统分为四个子系统进行实现，分别为微波雷达探测子系统、Zigbee无线通信子系统、雷达信号处理终端子系统以及安全报警子系统，如图3所示。下面将对每个子系统的实现原理进行说明：（1）微波雷达探测子系统。本系统采用多个微波雷达传感器，全面、无死角地覆盖下料口，采用的微波雷达探测范围为360°+180°的半球形范围，探测距离2-10m可调，探测方向通过下方的万向节可调。多个雷达分别放在下料口两侧，根据下料口深度，适当调节雷达探测距离、相互间的距离探测方向，可以保证对下料口上方空间的覆盖。同时雷达下方带有可升降固定支架，不仅便于移动、固定，而且可以防止下方施工人员的干扰。（2）Zigbee无线通信子系统。由于地铁下料口不易布线，并且微波雷达所测信息需要实时传输出来进行处理，因此采用无线传输技术是必要、合理的。结合地下环境、实用性和成本，采用了具有自组织性和一主多从的Zigbee网络，不依靠现有网络就能完成装置之间的通信，更具优势。（3）雷达信号处理终端子系统。采用类似于表决器原理的方法，来对各个微波雷达的检测信息进行融合、处理。如处理4部雷达检测到的信息，在数字电路中，只有0和1，假设微波雷达在检测到下料口内有物体移动时状态为1，未检测有物体移动时状态为0，因此根据0、1状态，可以对下料口上方是否有移动物体做出判决。
3结束语
本文研究的基于微波雷达的地铁吊车施工安全监测系统综合利用现代微波雷达、Zigbee无线自组织网络以及声光电报警等技术，结合地铁下料口实际环境，实现了一套基于微波雷达的地铁吊车施工安全监测系统，具备微波雷达探测、无线通信、系统自检、安全警示、便携等功能，能够为地铁下料口的施工人员提供安全保障，具有一定的实际应用和推广价值。
作者:罗李 单位:中国铁建电气化局集团第五工程有限公司
