KW41大赛作品-基于KW41的“隧道施工安全监测系统”

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KW41大赛作品-基于KW41的“隧道施工安全监测系统” [复制链接]

Ø  项目背景

隧道施工涉及国家基础建设的各个方面，例如铁路、高速公路、地铁、机场，以及军事设施等等，当前国内隧道施工平均伤亡率为3人/公里，远远高于国外同类施工的死亡率。

由于中国是一个多山国家，在进行一些基础设施建设中，开完隧道成为众多工程中不可避免的部分，例如高铁的施工，国内某条高铁线路全长303公里，其中隧道段为236公里，隧道里程占总里程的78%。由于中国从东到西存在多个大型断裂带，因此造成隧道施工段的地质结构极为复杂，也因此造成隧道施工的死亡率居高不下。

2017年3月份我司承接了某隧道施工集团的“隧道施工安全监测系统”的预研项目，项目的测试地点位于中国西南某省，由于项目公司在过去的类似地区同类项目因为死亡率过高问题曾受到国家安监局的严重警告，不但严重影响到公司的经济利益，同时也严重影响到公司的市场竞争力，因此计划率先启动具有针对性的“隧道施工安全监测系统”。

Ø  系统设计

1、  系统要求

1)       准确检测隧道岩层应力变化；

2)       准确检测隧道透水压力；

3)       检测隧道形变；

4)       建立事故模型，并提供事先报警。

2、  主要研发内容

1)       适合隧道施工使用的岩层应力传感器；

2)       适合隧道施工使用的透水压力传感器；

3)       适合隧道施工使用的形变传感器；

4)       数据传输系统；

5)       事故模型系统；

6)       整体系统的集成。

3、  系统难点

a)        传感器的研发；

b)       数据传输系统的研发；

c)        事故模型的建立。

4、  系统拓扑图

l  硬件设计

1、  传感器

<由于不涉及NXP相关产品，本部分省略>

2、  数据传输系统

数据传输系统包含有线网络和无线网络两部分：

a)        有线网络

<由于本部分采用现有产品进行集成，因此本部分省略>

b)       无线网络

无线网络是指从传感器至有线网络部分，本部分采用基于NXP公司的KW41芯片Thread网络系统。

1)       传感器网络系统

2)       边界路由器系统

l  软件设计

1.        系统管理软件

<此部分省略>

2.        传感器系统

3.        边界路由器系统

Ø  项目测试

在项目正式开始前，我公司先对基于KW41的Thread网络系统进行了测试。

1、  测试环境

a)        云南省某在开挖隧道；

b)       隧道已开挖长度：3.16公里；

c)        隧道内湿度：90～100%；

d)       隧道宽度（平均）：8.27米；

e)        隧道高度（平均）：7.3米；

f)        隧道内温度（平均）：35℃；

g)       电磁辐射强度（工频）：>3mW/平方厘米（远高于国家相关标准，原因是开挖隧道使用很多大功率的以电力方式驱动的机械设备）。

2、  测试流程

本测试使用KW41开发板进行测试。

使用两台笔记本电脑分别连KW41 Freedom开发板，由测试人员在隧道内徒步移动，分段测试KW41 Freedom的有效通信距离。

3、  测试结果

序号	隧道深度（米）	平均有效通讯距离（米）
1	0～300	60
2	300～600	50
3	600～900	30
4	900～1200	30
5	1200～1500	17
6	1500～1800	20
7	1800～2100	30
8	2100～2400	21
9	2100～2700	20
	2700～3000	20

              在系统设计时，期望基于KW41的Thread网络的通讯距离达到100米以上，但是实际测试距离与期望相差很远，具体分析原因如下：

1)       空气湿度过大，造成信号衰减（隧道内到处都在渗水，有些区段呈小瀑布状）；

2)       隧道内空间狭窄，造成信号衍射；

3)       最重要的是隧道内电磁干扰太大，造成系统工作不稳定；

Ø  项目总结与展望

由于设备工作环境过于恶略，当前本项目计划放弃Thread网络方案，正在研究其他的解决方案。

当前公司正在启动“智慧养牛场”项目，根据现场考察结果，并对基于KW41的Thread网络系统进行了初步测试，结果是比较满意的，公司计划在“智慧养牛场”项目中采用基于KW41的Thread 网络系统。