隧道施工車輛進(jìn)出管理裝置的設(shè)計(jì)與研究

熊國(guó)良，朱正清，王小明，董玉龍

（1.華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013；2.上海隧道工程有限公司，上海 200232）

0 引言

近年來(lái)，雖然我國(guó)盾構(gòu)法隧道施工安全監(jiān)管力度不斷加強(qiáng)，有力的控制了盾構(gòu)隧道施工運(yùn)輸作業(yè)事故的發(fā)生率，但由于隧道等地下工程施工具有其隱蔽性和不確定性等特點(diǎn)，事故發(fā)生總數(shù)卻不斷增加[1]。大直徑隧道（直徑14m以上）施工采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的施工方法，在路面結(jié)構(gòu)施工之前采用預(yù)制口字型構(gòu)件的形式，預(yù)先鋪設(shè)一道用于施工的工作路面，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，口字型構(gòu)件兩邊同步施工進(jìn)行現(xiàn)澆混凝土施工，形成兩個(gè)剩余車道（如圖1所示）。在盾構(gòu)掘進(jìn)期間，盾構(gòu)機(jī)采用同步注漿的方式進(jìn)行管片外與原狀土間隙的填充，在隧道中需要配套有管片運(yùn)輸車、口子件運(yùn)輸車、注漿車輛三種施工車輛，此時(shí)在單道路（口子型構(gòu)件）上容易發(fā)生交通阻塞和事故。當(dāng)有外來(lái)車輛進(jìn)出時(shí)，這種情況更加嚴(yán)重。在現(xiàn)有技術(shù)中，多采用人為管理的方式對(duì)進(jìn)出單道口的車輛進(jìn)行指揮，這樣不僅管理效率低還增加了人工成本，不利于隧道施工交通的管理。此外，隨著隧道施工的進(jìn)展，對(duì)車輛的管理也將隨著施工推進(jìn)而前進(jìn)。為了提高隧道施工交通的通行效率和安全、節(jié)約成本及實(shí)現(xiàn)車輛進(jìn)出管理的智能化，本文設(shè)計(jì)了一種隧道施工車輛進(jìn)出管理裝置。

圖1 施工現(xiàn)場(chǎng)情況圖

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

裝置以上海隧道工程有限公司采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的施工方法對(duì)大直徑隧道進(jìn)行施工為例，如圖2所示，對(duì)車輛通行的要求：

1）單道口只允許同時(shí)有兩輛注漿車和一輛管片運(yùn)輸車；

2）單道口只允許同時(shí)有兩輛注漿車和一輛口子件運(yùn)輸車；

3）單道口不允許同時(shí)有三輛注漿車；

4）單道口不允許同時(shí)有管片運(yùn)輸車和口子件運(yùn)輸車；

5）單道口內(nèi)無(wú)施工車輛，允許進(jìn)入外來(lái)車輛。

圖2 隧道施工示意圖

1.2 裝置的總體設(shè)計(jì)

裝置主要由一號(hào)本體、二號(hào)本體和磁阻傳感器總成組成，一號(hào)本體設(shè)置有顯示1屏、按鍵組、防護(hù)頂板、報(bào)警裝置、支撐桿、遮罩、熱釋紅外傳感器、超聲波傳感器、滾輪和控制器；二號(hào)本體設(shè)置有遮罩、熱釋紅外傳感器和超聲波傳感器，如圖3所示。其中，一號(hào)本體和二號(hào)本體都可以通過(guò)滾輪隨著隧道掘進(jìn)而前移；顯示1屏和圖2中的顯示2屏顯示的內(nèi)容同步，顯示內(nèi)容包括：隧道內(nèi)和單道路內(nèi)四種車型的數(shù)量以及注意行人等信息；按鍵組包括控制一號(hào)本體和二號(hào)本體都工作的開(kāi)關(guān)按鍵和只控制一號(hào)本體工作的開(kāi)關(guān)按鍵，可以適用于不同車道的隧道施工要求；防護(hù)板用于保護(hù)一號(hào)本體的安全；熱釋紅外傳感器內(nèi)含在遮罩中，盡可能減少外界環(huán)境對(duì)傳感器檢測(cè)的影響。

將一號(hào)本體和二號(hào)本體分別放置在圖2中車輛入口處，并將三車道分成進(jìn)出車輛兩車道，其中二號(hào)本體放置在隧道掘進(jìn)方向的車道處。在分成的兩車道處和圖2中的監(jiān)控路口中間位置各埋設(shè)兩個(gè)相距2m～5m的磁阻傳感器模塊，這兩個(gè)模塊構(gòu)成兩個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)。

裝置的工作過(guò)程：

1）根據(jù)實(shí)際情況按下相應(yīng)的按鍵，當(dāng)有施工車輛需要進(jìn)入車輛入口時(shí)，首先被磁阻傳感器模塊檢測(cè)并通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸?shù)娇刂破髋袛嘬囆?，進(jìn)一步當(dāng)該車輛被二號(hào)本體的超聲波傳感器模塊檢測(cè)到時(shí)，控制器在相應(yīng)的車型數(shù)量中加1；同理，當(dāng)有施工車輛需要駛出車輛入口時(shí)，先后被磁阻傳感器模塊和一號(hào)本體的超聲波傳感器模塊檢測(cè)，控制器在相應(yīng)的車型數(shù)量中減1。

2）監(jiān)控路口處的磁阻傳感器模塊用于檢測(cè)進(jìn)出單道口的施工車輛，并通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸給控制器，進(jìn)行相應(yīng)車型的加減。

圖3 裝置結(jié)構(gòu)圖

3）當(dāng)進(jìn)入車輛入口的車輛會(huì)導(dǎo)致單道路內(nèi)的車輛不符合車輛通行要求時(shí)，報(bào)警裝置報(bào)警，并通過(guò)顯示1屏提醒該車輛進(jìn)入候車區(qū)等候。

4）當(dāng)行人進(jìn)出車輛入口時(shí)，被熱釋紅外傳感器檢測(cè)，并通過(guò)ZigBee傳輸給控制器，報(bào)警裝置報(bào)警，顯示1屏和顯示2屏持續(xù)10秒顯示“注意行人”字樣，此時(shí)車型數(shù)量不進(jìn)行加減。

1.3 裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置的控制系統(tǒng)以ARM9嵌入式處理器S3C2440為主控制器[2]，主要包括ZigBee端的無(wú)線模塊（其中包括ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊、協(xié)調(diào)模塊）、傳感器模塊（熱釋紅外傳感器模塊，磁阻傳感器模塊，超聲波傳感器模塊）、報(bào)警裝置、顯示1屏和顯示2屏，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)框圖

2 主要模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控制器由S3C2440微處理器及其外圍電路組成，考慮盾構(gòu)隧道施工長(zhǎng)距離的特征以及對(duì)信息處理速率、信號(hào)丟包率和誤差率等信息的要求，傳感器模塊和顯示2屏通過(guò)ZigBee無(wú)線模塊與主控制器進(jìn)行信號(hào)傳輸。其中報(bào)警裝置由蜂鳴器報(bào)警電路和MP3語(yǔ)音模塊組成，MP3語(yǔ)音模塊采用集成語(yǔ)音芯片可直接讀取SD卡中的語(yǔ)音文件，并與ARM進(jìn)行串口通信；顯示屏的顯示芯片選用LCD12864[3]。

2.1 熱釋紅外傳感器模塊設(shè)計(jì)

熱釋紅外傳感器[4]的核心是U7紅外探頭，能夠?qū)θ梭w微小信號(hào)進(jìn)行處理并輸送到BISS0001紅外傳感信號(hào)處理器，通過(guò)對(duì)信號(hào)的過(guò)濾、放大和雙向鑒幅器處理輸出有效的觸發(fā)信號(hào)，最后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，輸入到CC2530中的GPIO口。

圖5 熱釋紅外傳感器電路圖

2.2 超聲波傳感器模塊設(shè)計(jì)

裝置選用HC_SR04型號(hào)的超聲波模塊，可以對(duì)2cm～400cm的非接觸距離進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)2mm[5]，裝置通過(guò)軟件設(shè)置最大的測(cè)量距離為200cm。模塊包括超聲波發(fā)送器、接收器和控制器，共有4個(gè)輸入引腳，其中兩個(gè)供電，一個(gè)是觸發(fā)引腳和一個(gè)回聲引腳。

超聲波傳感器模塊的觸發(fā)引腳和回聲引腳直接與CC2530的兩個(gè)GPIO口相連，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和對(duì)數(shù)據(jù)的采集。

2.3 磁阻傳感器模塊設(shè)計(jì)

裝置選用PNI11096作為主芯片[6]，采用專門的磁阻傳感器。該芯片采用SPI總線方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，能夠檢測(cè)3個(gè)軸向方向的磁性分布，是一種低成本、高效的磁阻傳感器。PNI11096在3V電壓供電的情況下，增益可達(dá)到27～38/uT，性能優(yōu)良。此外，通過(guò)研究其溫度與線性度特性曲線可知，溫度與輸出磁場(chǎng)的增益在0～500uT時(shí)，具有極好的線性度，符合隧道內(nèi)三種施工車輛：管片運(yùn)輸車、口子件運(yùn)輸車和注漿車輛的檢測(cè)，因此可以將隧道內(nèi)的車輛分成四種車型：三種施工車輛車型和外來(lái)車輛車型。PNI11096通過(guò)SPI總線與CC2530芯片進(jìn)行通信，在連接時(shí)將PNI的Reset、SCLK、MISO、DRDY、MOSI和SSN與CC2530中的GPIO相連。

車型分類算法：主控制器讀取車輛通過(guò)其中一個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間T，并通過(guò)雙節(jié)點(diǎn)車輛速度檢測(cè)方法[7]測(cè)得車輛通過(guò)的速度v。利用公式H=v×T確定車輛的檢測(cè)長(zhǎng)度即車輛發(fā)動(dòng)機(jī)到后軸位置的長(zhǎng)度，實(shí)際的車輛長(zhǎng)度由公式：H=λ×v×T算出，其中λ為延長(zhǎng)因子，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

裝置可以選用220V交流電源通過(guò)電源適配器轉(zhuǎn)變成5V直流電或者5V鋰電池直接供電?？紤]到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和磁阻傳感器的供電電壓分別是3.3V和3V，因此本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電源模塊，如圖6所示。

圖6 電源模塊設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

裝置的軟件設(shè)計(jì)部分包括：ZigBee端和主控端的軟件設(shè)計(jì)，其中ZigBee端主要是自身傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，涉及節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的通信機(jī)制以及相關(guān)傳感器的實(shí)現(xiàn)；主控端主要包括自身的程序、顯示屏程序和報(bào)警器裝置程序。

3.1 ZigBee端程序流程圖

ZigBee端的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)量上存在著一對(duì)多的關(guān)系。協(xié)調(diào)器作為系統(tǒng)的主控制節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與主控制器通信、網(wǎng)絡(luò)建立、節(jié)點(diǎn)加入、網(wǎng)內(nèi)各地址分配和地址列表建立等，協(xié)調(diào)器工作流程如圖7所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)需要硬件初始化，如果沒(méi)有收到請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)處在休眠狀態(tài)，降低能耗。當(dāng)收到請(qǐng)求時(shí)，傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并發(fā)送，完成后如果沒(méi)有出錯(cuò)信息或請(qǐng)求，繼續(xù)處在休眠狀態(tài)，等到下一個(gè)指令被激活，傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖8所示。

3.2 主控端程序流程圖

傳感器采集到的數(shù)據(jù)由主控制器處理并完成，一方面發(fā)送給協(xié)調(diào)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)顯示2屏顯示相關(guān)信息；另一方面直接控制報(bào)警裝置工作和顯示1屏顯示與顯示2屏同樣的信息，工作流程如圖9所示。

圖7 協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

4 結(jié)論

本文對(duì)隧道施工車輛進(jìn)出管理的解決方案進(jìn)行了探討和研究，通過(guò)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性試驗(yàn)分析，如測(cè)得超聲波能檢測(cè)到2m以內(nèi)的障礙物，誤差不超過(guò)0.01m等，能夠?qū)崿F(xiàn)采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工方法對(duì)大直徑隧道施工的車輛通行要求。

圖9 主控端工作流程圖

該裝置將有利于大型隧道對(duì)施工車輛進(jìn)行管理，降低管理成本、提高管理效率、更具安全和智能化。特別是其具有可移動(dòng)性及擴(kuò)展性，便于安裝、更新、組網(wǎng)，提高了施工車輛管理的靈活性，具有很強(qiáng)的使用價(jià)值和社會(huì)意義。此外，該裝置還可以通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)隧道施工安全的智能化。