隧道專用設備指揮中心及遠程操控系統(tǒng)設計

蓋 琛，夏毅敏，邢 泊，杜孟超

（1.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016；2.中鐵工程裝備集團隧道設備制造有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000；3.中南大學，湖南 長沙 410083）

1 引言

近年來，隧道專用設備逐漸開始普及，但依然存在施工質(zhì)量不一、受限于施工人員水平、作業(yè)環(huán)境差等缺陷，這些問題對于海拔較低的施工工地沒有凸顯，但對于川藏鐵路高質(zhì)量建設而言，其施工場點多，占線長，跨越不同的氣候、地理、地質(zhì)區(qū)域，施工地段一般為山區(qū)或者丘陵，甚至穿越極端地區(qū)，常遇到極端條件，施工人員面臨前所未有的困難，對人員安全保障形成巨大的挑戰(zhàn)。針對這些問題，基于信息通信、視頻傳輸、數(shù)據(jù)交互等技術，在常規(guī)隧道專用設備的基礎上，本文設計了一種隧道專用設備指揮中心及遠程操控系統(tǒng)，操作人員可在指揮中心控制遠程操控系統(tǒng)實現(xiàn)對隧道專用設備的遠程操控，可實現(xiàn)各系統(tǒng)協(xié)同工作，具備很好的機動性和環(huán)境適應性，是未來隧道施工的發(fā)展方向。

2 指揮中心設計

隧道專用設備指揮中心主要由底盤、上裝、電氣系統(tǒng)、中控系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)組成。指揮中心是移動式的，自帶行走動力。車廂底部布置有液壓支腿，以保證整車工作的穩(wěn)定性，同時自帶市電和光纖電纜盤，車廂自帶制氧機、電加熱器、多媒體等功能。在指揮中心內(nèi)部，設計了遠程操控系統(tǒng)，作為監(jiān)控與控制中心，可實現(xiàn)對施工作業(yè)圖像實時采集、處理、傳輸和存儲，可通過對應設備工位的操作臺實現(xiàn)對隧道專用設備的遠程操控，同時開發(fā)了數(shù)據(jù)智能管控系統(tǒng)對不同工序的隧道設備進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。指揮中心內(nèi)部布局設計圖如圖1 所示。

圖1 指揮中心內(nèi)部布局設計圖

2.1 指揮中心電氣系統(tǒng)設計

指揮中心電氣系統(tǒng)有兩種供電方式，可以由市電或發(fā)電機進行供電。如果指揮中心執(zhí)行定點任務，當指揮車周圍50m 范圍內(nèi)能夠取到市電220VAC 電源，且此電源接口能夠提供大于8kW的容量時，優(yōu)先采用市電供電，發(fā)電機作為備用；如果指揮中心在行進中執(zhí)行任務，可以直接使用發(fā)電機進行供電；當發(fā)電機發(fā)生故障，還可以通過UPS 臨時給指揮中心內(nèi)部重要設備提供短時間供電。

2.2 指揮中心中控系統(tǒng)設計

指揮中心中控系統(tǒng)由工業(yè)電腦、顯示屏、集中控制主機等組成。中控系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸主要分為圖像信號數(shù)據(jù)和人機交互數(shù)據(jù)。為提高傳輸效率和穩(wěn)定性，采用兩路獨立光纖傳入指揮中心外設網(wǎng)絡接口。圖像信號數(shù)據(jù)包括隧道專用設備車載端攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)和指揮中心工業(yè)電腦上位機界面數(shù)據(jù)，視頻信號數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼器處理后、與工業(yè)電腦界面一起可以實現(xiàn)任意切換顯示屏畫面進行投屏，便于負責隧道安全的人員更加清晰觀察施工局部細節(jié)和指導工作。同時配套開發(fā)了平板電腦操作軟件，實現(xiàn)對視頻矩陣、硬盤錄像機等設備的控制。

人機交互數(shù)據(jù)包括遠程操控平臺輸出的控制信號數(shù)據(jù)和接收到的隧道專用設備車載控制器采集處理后的整機工作狀態(tài)顯示數(shù)據(jù)。每臺工業(yè)電腦對應著各自操控平臺，可實現(xiàn)對施工設備進行同步操控，無線網(wǎng)橋用于隧道內(nèi)沒有有線網(wǎng)絡時進行數(shù)據(jù)傳輸，無線路由器可通過4G/5G 上網(wǎng)卡實現(xiàn)訪問互聯(lián)網(wǎng)功能。指揮中心中控系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 指揮中心中控系統(tǒng)示意圖

3 遠程操控系統(tǒng)設計

隧道專用設備指揮中心包含濕噴臺車遠程操控系統(tǒng)、鑿巖臺車遠程操控系統(tǒng)、錨桿臺車以及拱架臺車遠程操控系統(tǒng)，本文以濕噴臺車遠程操控系統(tǒng)為例對遠程操控系統(tǒng)設計進行簡要介紹。整個遠程操控的過程本質(zhì)上是指揮中心、傳輸媒介和濕噴臺車三者數(shù)據(jù)交互的過程，數(shù)據(jù)流鏈路框圖如圖3 所示。遠程操控系統(tǒng)按功能模塊劃分為：操控模塊、通信模塊、車載控制模塊。

圖3 遠程操控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流鏈路框圖

3.1 操控模塊

操控模塊分為硬件和軟件兩部分。濕噴臺車遠程操控平臺硬件建模設計圖如圖4 所示，高清曲面顯示屏可以清晰顯示三個攝像頭畫面以及施工設備重要參數(shù)。操作平臺上布置有信號使能元器件，包括工業(yè)級鈕子開關、按鈕、電位器和手柄等電氣元件。工業(yè)電腦內(nèi)置嵌入式數(shù)據(jù)單元，用于采集本地操作平臺上的使能信號并發(fā)送相關操作指令，接收遠端設備采集的視頻和狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對濕噴臺車臂架動作和泵送相關的遠程控制。考慮安全性，操作模式可靈活切換遠程/近控兩種操控模式，可針對洞內(nèi)復雜情況自由切換，當需要施工作業(yè)人員介入時，可以從遠程模式切到近控模式，在設備端進行操作，靈活施工。

圖4 濕噴臺車遠程操控平臺建模設計圖

軟件界面分為視頻分區(qū)、操控分區(qū)、后臺數(shù)據(jù)分區(qū)，分區(qū)之間的顯示可通過翻頁功能進行切換。視頻分區(qū)顯示濕噴臺車臂架位置、駕駛室上方以及料斗送料處攝像頭監(jiān)控畫面，可通過鍵盤對攝像機方向、畫面大小、焦距進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對設備整體的畫面監(jiān)控，如圖5 所示；操控分區(qū)顯示濕噴操作人員在作業(yè)過程中最關心的工作參數(shù)，如混凝土噴射方量、速凝劑添加量、速凝劑占比壓力、速凝劑流量、液壓油溫及風壓值等數(shù)據(jù)，界面如圖6 所示。后臺數(shù)據(jù)分區(qū)用于顯示傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、故障查詢以及通信狀態(tài)，同時具備所有輸出控制狀態(tài)的指示功能，能實時顯示濕噴臺車當前運行狀態(tài)，通信狀態(tài)、故障原因以及維修指導，方便操作人員查找和排除故障，便于設備維護。

圖5 視頻分區(qū)主界面

圖6 數(shù)據(jù)狀態(tài)指示與參數(shù)界面

3.2 通信模塊

通信模塊是指連接遠程操控平臺和濕噴臺車的通信傳輸媒介，操控平臺通過光纖將數(shù)據(jù)傳輸給信息交互單元，信息交互單元內(nèi)部為光纖交換機、無線基站以及供電模塊等，負責接收來自操控平臺與濕噴臺車的通信數(shù)據(jù)。隧道內(nèi)的基站和車載基站通過天線進行數(shù)據(jù)交互，工作區(qū)域通過無線基站做網(wǎng)絡覆蓋。遠程操控范圍不受距離限制，用戶可以在有線和無線兩種模式中進行選擇，既可以使用光纖直連交換光口，實現(xiàn)有線傳輸，也可以使用無線基站進行無線局域網(wǎng)通信，可根據(jù)項目實際情況進行網(wǎng)絡架設，使網(wǎng)絡信號覆蓋工作區(qū)域?；緦嶋H分布情況及數(shù)量視現(xiàn)場工況而定。用戶可根據(jù)現(xiàn)場硬件和信號情況，快速切換網(wǎng)絡傳輸方式，方便用戶操作，減少信號延時。

3.3 車載控制模塊

車載控制模塊主要由車載控制箱、車載攝像頭及車載基站組成，濕噴臺車所有控制信號及信息采集均通過CAN 總線與操控平臺進行通信。車載中控箱和濕噴臺車CAN 總線對接，控制設備動作和采集信息；攝像頭和車載基站通過以太網(wǎng)與車載中控箱相連，實現(xiàn)將攝像頭畫面數(shù)據(jù)和設備實時運行數(shù)據(jù)通過無線基站傳至操作平臺。為了節(jié)省成本，遠程指揮系統(tǒng)可以在常規(guī)濕噴臺車的基礎上進行改造，增加攝像頭、交換單元、控制單元、信息單元模塊等硬件設備，并對控制程序進行升級。

3.4 工作過程及原理

通過濕噴臺車上的傳感器、攝像頭獲取臺車的當前運行狀態(tài)；通過車載數(shù)據(jù)交互單元將設備端CAN 總線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)協(xié)議格式。通過工業(yè)交換機將設備端數(shù)據(jù)和攝像頭數(shù)據(jù)匯總，再通過設備端無線基站將數(shù)據(jù)發(fā)送給隧道內(nèi)的無線基站，通過無線基站將無線信號轉(zhuǎn)換成有線信號，再通過光纖交換機接入到隧道內(nèi)光纖中。信號沿著光纖到達隧道外，這時，可以直接接入遠程操控平臺，也可以接入市域互聯(lián)網(wǎng)絡，再借助遠程操控平臺端的CPE 和防火墻終端設備，實現(xiàn)跨市域的超遠距離數(shù)據(jù)傳輸。顯示器顯示各項參數(shù)信息，實現(xiàn)噴射混凝土、速凝劑等實時檢測并在屏幕上進行顯示，可通過操控平臺翻頁鍵進行調(diào)出和隱藏。操作系統(tǒng)通過新型控制器、通信模塊、完備故障警報及狀態(tài)顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)車體故障快速識別與診斷。反過來，利用遠程操控平臺獲取操作指令。操作人員通過觀察顯示屏上顯示的攝像頭畫面，操作控制面板上的主令開關發(fā)出控制信號。利用光纖局域網(wǎng)、無線CPE 或第五代移動通信專網(wǎng)系統(tǒng)傳輸操作指令，操控跟視頻反應時效和網(wǎng)絡帶寬有關。利用車載控制設備將操作指令傳遞給濕噴臺車的執(zhí)行部件進行操作。遠程操控系統(tǒng)工作過程示意圖如圖7 所示。

圖7 遠程操控系統(tǒng)工作過程示意圖

4 結論

目前，指揮中心經(jīng)過拆車、鈑金改制、涂裝、總裝等工序后已在廠內(nèi)生產(chǎn)完成，整機調(diào)試工作也基本接近尾聲，待調(diào)試完畢后指揮中心將開赴川藏鐵路建設工地進行工業(yè)性試驗，將為川藏建設提供有力、舒適、高效的服務，如圖8、圖9 所示。

圖8 指揮中心實物外形圖

圖9 指揮中心內(nèi)部展示圖

本文設計的隧道專用設備指揮中心可實時記錄并反饋隧道專用設備施工數(shù)據(jù)信息，為隧道施工的“機群”作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐，為隧道智能化建設提供基礎數(shù)據(jù)信息，具備遠程維護、診斷和設備預警功能，助力隧道智慧建設，從而實現(xiàn)設備的全生命周期和智能化管理。其中的核心部分——遠程操控系統(tǒng)，根據(jù)國內(nèi)施工情況量身定制，嚴格還原隧道專用設備各項功能按鍵和操作手柄的同時，保留之前手動作業(yè)的功能，不改變原車的基本操作；同時具備友好的用戶界面設計，操作界面清晰，流程簡單方便，關鍵信息直觀易懂；具備遠程動作響應迅速，動作精確度高等優(yōu)點，把操作人員從惡劣的施工環(huán)境解放出來，有效保障了操作人員的人身安全。