你還在用傳統管制牌嗎?

一般潛盾施工時,所有作業都集中在工作井範圍,以2或3班連續24小時施工,每班約4~5人。工作井一般深達10數公尺以上,隧道隨鑽掘之進行長度可達上千公尺,進出工作井人員的門禁管理方式,傳統上係於工作井入口上方設置「人員進出管制牌」,如圖1所示,工作人員必須取下個人名牌,而後安放於「進」或「出」的位置,長久以往,這種管理方式的缺點便暴露出來,包括:

工作人員常因疏忽未將名牌掛放正確,導致管制難以落實。
人員進入管制區後,即無法掌握其行蹤。
無法管制未授權人員進入管制區。
為真正落實安全管控且避免上述問題之發生,台北市某工程特別開發一套以無線網路技術ZigBee為主之電子式管制系統,可達到如下之控管目的:

系統自動登錄,落實工作人員進出管制,必要時可查詢歷史紀錄。
自動檢核是否為許可之工作人員。
加值定位功能,可掌握工作人員所在位置。
隨身攜帶式電子識別證,可緊急按鈕呼叫救援。


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圖1 傳統人員進出管制牌


什麼是ZeeBee?

早期的無線通訊技術主要為大家所熟知的「藍芽」,可應用於點到點之網路傳輸,包括音訊、螢幕圖表、圖像及檔案。這種技術在需要傳輸大量資訊的工業應用有其局限,因為1 Mbps的資料傳輸數率,根本無法滿足需求,且由於藍芽設備複雜且功耗較大,與工業控制領域所要求的低功耗、高可靠性相去甚遠。

針對這些缺陷,近年來無線通訊技術往兩個主要應用領域分開,包括:(1) 針對大量資料傳輸需求之工業運用領域,以及(2) 滿足低資料率、低功耗、低成本及高可靠性等控制領域。前者即為傳輸速率可達11 Mbps的Wi-Fi(802.11b標準)系統,後者則於2000年12月成立工作組,用以定義一種較為廉價,可用於固定、便攜或移動設備使用的低速率無線連接技術,ZigBee便是這種技術的商業化命名。正式的IEEE802.15.4協議於2003年7月發佈,ZigBee聯盟則由英國Invensys、日本三菱電氣、美國摩托羅拉以及荷蘭飛利浦半導體等公司組成,符合標準的正式晶片已由Chipcon As公司推出。

由於ZigBee技術是一種結構簡單、低功耗、低資料速率、低成本和可靠性高的雙向無線網路通信技術,因此,適用於各種自動控制領域,並支援定位功能,其相對優點包括:

省電:可確保兩顆5號電池支援長達6個月到2年左右的使用時間。

可靠:採用「碰撞避免機制」,同時為需要固定頻寬的通信業務,預留了專用時隙,避免發送資料時的競爭和衝突。
成本低:是同類產品的幾分之一甚至十分之一。    
時延短:針對時延敏感的應用做了優化,通信時延和從休眠狀態啟動的時延都非常短。
網路容量大:可支援達65,000個節點。  
安全:提供資料完整性檢查和鑒權功能,加密演算法採用通用的AES-128。
工業應用上,使用者可考慮以下條件,通常符合其中之一時,便可採用:  

傳輸的資料量是否相對較小。   

設備空間不便放置較大的充電電池或者電源模組。

缺乏充足的電力支援,只能使用一次性電池。

無法頻繁地更換電池或充電。

需要較大範圍的通信覆蓋,網路中的設備較多,但僅僅用於監測或控制。

ZigBee與工地管理

為達到工地管理的目的,主動式ZigBee電子標籤,結合在特定區域內佈置之定位器、讀取器,並搭配使用網路傳輸機制,便能在管理區內,針對人員行動、物件流通、或是車輛移動等,進行管制。

以施工人員之管控而言,當攜帶ZigBee電子標籤的人員,進入定位器之偵測範圍內,ZigBee電子標簽將被喚醒,並主動發出訊號,定位器偵測到訊號之後,再將該人員的資料傳送至讀取器,而後根據軟體判讀人員所在位置。與一般常用於物流管理之RFID被動式電子標籤加以比較,不同的地方在於,ZigBee能主動發出訊號,電子標籤附加的電源,能使傳輸距離較為長遠,因此,大幅降低讀取失誤率,當然,區域內定位器佈置數量的多寡,也將影響讀取率的高低和判讀的精度。

有關系統之整體架構示意如圖2所示,主要係根據短距ZigBee與長距WiFi無線通訊網路所組成,可追蹤管理營建工地內之人員及設備,若搭配後端GIS、定位引擎與管理等資料庫,可確實達到降低工安事故、監控環境及工地管理等目的。

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圖2 ZigBee系統架構示意圖

實務案例簡介

本工程案例位在臺北市內,用於連接松山、南港及內湖等地區之輸水幹管工程,由臺北自來水事業處主辦,自位於民權東路、民權公園旁設置雙發工作井,以潛盾方式向東南轉光復北路,到達民生東路口之加壓站,設計長度為610m;向西則沿著民權東路直行,通過基隆河後來到高灘地,設計長度為1,446m,全段路線如圖3所示。本工程於95年9月25日以統包方式發包,經初設、細設並取得河川公地使用許可後,於96年10月初正式開始施工,其主體工程包括內徑為φ2,400mm之潛盾,以及內部φ1,500mm之DIP管。

1. ZigBee系統

本系統特性及安裝方式說明如圖4所示,在Zigbee架構下,以電子識別證(TAG)與基地或中繼台(NOD)組成區域性無線網路,由於隧道為線型空間,其網路佈置較為單純。由於TAG係主動發出訊號,與一般被動FRID電子標籤不同,因此,可以傳輸簡單訊息以告知管理單位,譬如本系統所開發之「緊急求救」按鈕,設置於電子識別證之背面,一旦發生任何意外狀況,工作人員按下該按鈕3秒後,工作井上方及工務所內之主機立即發出警報訊號,管理人員可於第一時間詢問發生狀況並進行必要之措施。

 

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圖3 案例工程佈置平面
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圖4 電子式人員管制系統裝置及操作示意圖



2. 硬體設備

本系統使用之電子硬體說明如下(詳如圖5所示):

 (1) 電子識別證(TAG):體積如名片大小,平時處於休眠狀態,收到基地台的觸發訊號時才開始工作,因此相當省電,每次充電可連續工作7天以上,長期休眠狀態之電力可維持半年。每名工作人員均配發一張。

 (2) 基地或中繼台(NOD):使用2.4GHz(資料傳輸)及125KHz(觸發裝置)兩種波段,其主要功能是對收訊範圍內的裝置收受、轉發訊息封包。裝置於工作井上方入口、隧道鏡面,以及隧道內每隔80m各設置一處,可依據軟體判定工作人員行進方向(進入或離開),以及隧道內之定位。

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圖5 裝置單元:(a)電子識別證;(b)警急求救按鈕;(c)工作井上方之基地台(NOD)及紅外線偵測器;(d) 工作井下方隧道進口處之基地台

3. 軟體架構

本系統開發之軟體功能包括:

(1) 當電子識別證向最近的兩座基地台發送識別資料時,兩座基地台各自將資料傳回管理站,並加上各自接收到的訊號強度,軟體程式即依據訊號強度估算ID與兩座基地台之距離,藉以決定電子識別證之所在位置。

(2) 工作井入口處另外設置紅外線偵測儀,其訊號輸入伺服主機處理,當人員通過時,軟體將同時比對紅外線及基地台之訊號,並對未攜帶電子識別證之進入訊號發出警報。

(3) 每日工作人員必須先行輸入隧道內氣體偵測資料,而後主機方能顯示當日日期,因此,可根據主機板上之日期得知當日隧道氣體狀況,目前仍以人工操作方式執行,未來可更改為自動偵測輸入。

 (4) 主機軟體另開發作為工作人員之電子簽到簿,並可與進入隧道之工作人員資料互相比對。

4. 未來發展方向

由於ZigBee系統之雙向溝通特性,可持續開發並擴充其他功能,包括廣播、數位通訊、施工及環境監測等,因此,工作人員於進入隧道前,便預先得知隧道內之作業環境,而無須如目前以固定式和手攜式氣體偵測器,依人工讀取方式進行判讀,同時對於管理者而言,可隨時掌握地面下之相關環境參數,一旦有任何狀況或危險,可以廣播或數位通訊的方式告知施工人員採取必要之措施。除此之外,由於隧道工作一般均為持續作業,若能將相關資訊連接網際網路,便能提供遠端監控,達到24小時全面掌控之目的。

結論與展望

本文所介紹之ZigBee電子管理系統,具備低功耗、低成本、可靠性高以及雙向無線溝通之特點,可即時偵測特定區域範圍內之人員行動及位置,若結合主動式電子標籤、RFID讀取器,以及各種不同附加偵測功能的感測器,並搭配使用Wi-Fi或是其它網路傳輸機制,可針對控制區域內人員、物流、車輛行動等,達到全面、即時偵測和監控的目的。

工程管理上,ZigBee系統已大量應用於礦坑作業人員的定位,但國內至今仍未見相關應用。有鑑於潛盾工程之傳統人員出入之管制方式,常因施工人員疏忽,以及未授權人員的無法管制而發生問題,且人員無法掌握行蹤而難以通訊,因此,特別引用ZigBee技術,安裝完成「電子式人員管制系統」,並依實際需求開發出人員簽到簿、警急求救等軟硬體,以掌握施工人員之出入工作井動態,同時也以紅外線偵測儀配合管制非工作人員。目前案例工程之潛盾工作已全部完工,Zigbee系統使用正常且發揮預期效果,達到工程零災害之目標。

本文所介紹之隧道工地,因定點進出且屬線性施工,其施工方式較為單純,動線也不複雜,非常適合作為ZigBee應用之簡單使用例。推廣至較複雜之營建工地,譬如工區遼闊、介面複雜,或人員機具進出頻繁而動線交錯,無論勞安或進度管理對管理者都是一大考驗,除必須於工程初始便先設計規劃出有效的管控模式外,若能引進電子系統作為輔助工具,譬如施工人員、機具均加裝、攜帶識別證,工區範圍內安置適當之基地台以形成綿密之網狀架構,則不僅可一目了然的掌握所有人員機具之動線行程,達到安全控管的目的,且經結合軟體設計,亦可有效的管理施工進度,對管理者而言,絕對是事半功倍的一大利器!

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