隧道施工智能調(diào)度管理系統(tǒng)研究

于大成

（中鐵十局集團(tuán)城建工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)水平的發(fā)展，隧道施工逐步從人力施工向機(jī)械化施工轉(zhuǎn)變。但是，在隧道施工的工序管理、人員管理、機(jī)械設(shè)備調(diào)度方面，仍要依靠施工現(xiàn)場(chǎng)的管理人員進(jìn)行組織管理，而管理人員的業(yè)務(wù)水平、管理經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心，在很大程度上影響了施工的效率和質(zhì)量。目前，資源配置不足、各工序銜接不緊湊、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)等突出問(wèn)題，造成了隧道工程進(jìn)度緩慢、工期滯后等問(wèn)題，大幅增加了后期趕工的成本，施工質(zhì)量也不能得到有效保障。因此，隧道施工組織管理流程化、規(guī)范化，勢(shì)在必行。一套適合于隧道施工組織的智能化管理系統(tǒng)，可以有效減少各種不利因素。

1 隧道施工組織中的主要問(wèn)題

1.1 工序銜接不可控

隧道施工專業(yè)性強(qiáng)，施工環(huán)境較為惡劣，一些經(jīng)驗(yàn)不足、責(zé)任心不強(qiáng)的管理人員，很難合理地組織施工。但是，由于施工工序的組織多依賴于勞務(wù)班組的管理人員或現(xiàn)場(chǎng)管理人員的技術(shù)水平，因而不合格的管理人員，極易因失誤造成工序銜接不緊湊的問(wèn)題。

1.2 作業(yè)人員管理混亂

隧道作業(yè)人員的考勤管理，主要依靠現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)名的方式進(jìn)行。但隧道作業(yè)人員更換頻繁，作業(yè)班組謊報(bào)人數(shù)等問(wèn)題突出，因而常常出現(xiàn)報(bào)表與實(shí)際不符，無(wú)法準(zhǔn)確掌握各道工序每班的作業(yè)人員數(shù)量，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)作業(yè)班組管理中存在的問(wèn)題，無(wú)法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場(chǎng)資源的配置情況。

1.3 機(jī)械設(shè)備的有效利用率低

隧道工程施工常常受制于作業(yè)空間狹小，外加管理力量薄弱，致使機(jī)械設(shè)備的有效利用率普遍較低。在有限的空間內(nèi)，對(duì)機(jī)械設(shè)備的調(diào)度難度大，特別是在單線隧道中，往往因?yàn)闊o(wú)法錯(cuò)車而造成長(zhǎng)距離倒車，不能形成有序的交通運(yùn)輸體系，同時(shí)還增加了油耗，降低了施工效率。同時(shí)，項(xiàng)目部也無(wú)法及時(shí)掌握隧道內(nèi)車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和運(yùn)行軌跡，不利于對(duì)車輛的調(diào)度。項(xiàng)目管理也無(wú)法做到精準(zhǔn)的單機(jī)核算，使得大量性能差的老舊設(shè)備得不到及時(shí)更換，造成油耗大、施工效率低、養(yǎng)護(hù)成本高等問(wèn)題[1]。

2 隧道施工智能工序調(diào)度管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)

針對(duì)隧道施工調(diào)度不精確的痛點(diǎn)，利用隧道施工智能化系統(tǒng)，結(jié)合隧道內(nèi)的車輛定位、人員定位、現(xiàn)場(chǎng)管理、安全管理、視頻監(jiān)控等模塊，開(kāi)發(fā)出一套隧道標(biāo)準(zhǔn)化施工調(diào)度指揮流程，就可以對(duì)人員、材料、機(jī)械設(shè)備和工序進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)各道工序的無(wú)縫對(duì)接，各班組間的緊密配合。同時(shí)，還能打造智能裝備和工裝，升級(jí)傳統(tǒng)工藝、工法，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，減少資源消耗，提高作業(yè)效率。

隧道智能工序調(diào)度管理系統(tǒng)，可分為四個(gè)層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層和應(yīng)用層。

2.1 感知層

感知層面應(yīng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)通信設(shè)備，提高工地的現(xiàn)場(chǎng)管控能力，通過(guò)傳感器、攝像頭、RFID和手機(jī)等專業(yè)的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的智能感知和高效協(xié)同，提升現(xiàn)場(chǎng)管理能力[2]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

以隧道洞口為例，可以從隧道口的機(jī)房開(kāi)始，架設(shè)24芯國(guó)標(biāo)電信級(jí)單模光纖進(jìn)入隧道內(nèi)，基于隧道內(nèi)的施工環(huán)境，將光纖布置到襯砌臺(tái)車的后方，通過(guò)光轉(zhuǎn)電模塊，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋，通過(guò)大功率戶外無(wú)線AP實(shí)現(xiàn)掌子面及其他重點(diǎn)區(qū)域的Wi-Fi信號(hào)覆蓋，為掌子面提供網(wǎng)絡(luò)通信，把視頻信號(hào)、有毒或有害氣體檢測(cè)及其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送回隧道洞口的機(jī)房。

隧道內(nèi)每隔約500m安裝一個(gè)防塵、防爆箱，箱內(nèi)包含光纜終端盒、工業(yè)交換機(jī)和電源適配器，每個(gè)防塵、防爆箱通過(guò)光纜進(jìn)行連接，最終匯聚到隧道口/斜井口附近的信息機(jī)房交換機(jī)。交換機(jī)連接著無(wú)線Mesh路由器，無(wú)線Mesh路由器以無(wú)線多跳互聯(lián)的方式形成自組織網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)無(wú)線連接的方式連接Mesh網(wǎng)關(guān)，Mesh網(wǎng)關(guān)將信息通過(guò)光纜匯聚到信息機(jī)房，見(jiàn)圖1。

2.3 數(shù)據(jù)平臺(tái)層

為了更好地對(duì)隧道內(nèi)的施工情況進(jìn)行把控，除了在感知層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控外，還需要利用平臺(tái)層處理多種復(fù)雜的數(shù)據(jù)。在整體構(gòu)架中，平臺(tái)層提供著高性能的計(jì)算能力以及低成本的含量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，云平臺(tái)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)層傳回的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和高效計(jì)算，使項(xiàng)目的參與人員更便捷、更快速地對(duì)感知層上報(bào)的信息進(jìn)行分析、處理，從而實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同作業(yè)。

2.4 應(yīng)用層

隧道施工智能工序調(diào)度管理系統(tǒng)應(yīng)用層的核心內(nèi)容，始終圍繞著提升隧道施工管理這項(xiàng)核心業(yè)務(wù)，通過(guò)在平臺(tái)系統(tǒng)中預(yù)置的施工工序時(shí)間分配、人員調(diào)度信息、車輛分配信息等模塊，利用手機(jī)端和電腦端操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通知人員上下班及分級(jí)預(yù)警、作業(yè)時(shí)間監(jiān)控、輔助工序考核等功能。具體功能包括：

2.4.1 提前自動(dòng)通知各工序人員上班時(shí)間、打卡、施工準(zhǔn)備等工作，對(duì)延誤時(shí)間的人員進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)形成周、月預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)分析。

2.4.2 提前通知施工中所需的各類機(jī)械化設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，合理安排隧道內(nèi)各種車輛的工作。

2.4.3 設(shè)置工序時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析模塊，根據(jù)圍巖級(jí)別、開(kāi)挖工法、進(jìn)度指標(biāo)等確定各工序的施工標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)分析形成每道工序循環(huán)時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分析表[3]。

3 隧道施工智能調(diào)度系統(tǒng)

隧道施工組織智能調(diào)度系統(tǒng)以施工作業(yè)面為核心，以合理組織施工工序，提高施工效率，實(shí)現(xiàn)隧道工序管理智能化、高效化、協(xié)同化為目的，以影響隧道施工進(jìn)度的人員管理、機(jī)械設(shè)備管理、工序管理為對(duì)象進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)隧道工序管理、工序考核、人員管理、車輛管理為一體的智能化管理，見(jiàn)圖2。

3.1 人員管理模塊

隧道人員定位及安全監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是在UWB技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合通信、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合管理應(yīng)用。該系統(tǒng)可以幫助管理人員隨時(shí)掌握隧道施工現(xiàn)場(chǎng)所有人員的運(yùn)動(dòng)軌跡，便于更合理地調(diào)度、管理。

3.1.1 作業(yè)人員定位系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)作業(yè)人員的信息錄入、門禁系統(tǒng)、UWB無(wú)線通信技術(shù)人員定位管理系統(tǒng)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)人員的實(shí)時(shí)定位、考勤統(tǒng)計(jì)等功能，方便員工及特定人員（如值班員、特殊人員）進(jìn)行查找，便于調(diào)度、指揮工作，如圖3所示。

3.1.2 作業(yè)人員行動(dòng)軌跡管理

通過(guò)人員定位系統(tǒng)和模擬地圖，能夠準(zhǔn)確掌握作業(yè)人員的上下班時(shí)間及作業(yè)地點(diǎn)，并按周、月統(tǒng)計(jì)作業(yè)人員的有效工作時(shí)間。對(duì)于單洞口多作業(yè)面隧道施工，還能準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、分析作業(yè)人員軌跡，避免當(dāng)同一作業(yè)班組同時(shí)承擔(dān)兩個(gè)及以上作業(yè)面時(shí)，因人員不足而造成瞞報(bào)、虛報(bào)的情況。

3.2 機(jī)械設(shè)備管理

在鐵路隧道施工過(guò)程中，由于鐵路隧道較窄，只能在一定長(zhǎng)度內(nèi)設(shè)置錯(cuò)車車道，因此當(dāng)隧道內(nèi)的施工車輛交匯時(shí)，需要其中一輛車倒車至錯(cuò)車道處，才能進(jìn)行錯(cuò)車，這樣就降低了車輛的通行效率，影響了施工進(jìn)度。

3.2.1 機(jī)械設(shè)備定位監(jiān)控功能

采用UWBLOC技術(shù)的隧道車輛精確定位功能，可以通過(guò)車輛定位系統(tǒng)和洞內(nèi)模擬地圖，實(shí)時(shí)監(jiān)控洞內(nèi)車輛和避車洞的位置，在車輛駕駛室增裝實(shí)時(shí)顯示設(shè)備，可讓駕駛員清楚了解前方車輛的精準(zhǔn)位置；通過(guò)智能監(jiān)控系統(tǒng)，可自動(dòng)提出車輛行駛、避讓的建議，實(shí)時(shí)提醒駕駛員[4]；車輛調(diào)度指揮平臺(tái)，可在洞口值班室與車輛駕駛室之間建立無(wú)障礙溝通，讓值班人員與駕駛員之間、駕駛員與駕駛員之間實(shí)時(shí)語(yǔ)音通話，見(jiàn)圖4。

3.2.2 機(jī)械設(shè)備的性能監(jiān)測(cè)

該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛信息，對(duì)車輛的使用狀態(tài)、修理狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于車輛的調(diào)度、管理。同時(shí)，還可實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的油耗情況，按周、月分析車輛的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、維修次數(shù)、油耗等信息，分析機(jī)械設(shè)備的利用率。

3.3 工序設(shè)置

隧道施工部位，按照影響隧道施工進(jìn)度的掌子面、仰拱、二襯這三個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行設(shè)置，不需要考慮其他部位的工序管理。這三個(gè)關(guān)鍵部位工序的前后順序、施工時(shí)間、施工人員數(shù)量、施工機(jī)械可根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行合理安排、調(diào)整。

3.4 工序管理模塊

以單個(gè)隧道施工的掌子面工序管理為對(duì)象，采用便于攜帶、方便操作的手機(jī)管理系統(tǒng)和電腦端并存的方式，適應(yīng)不同層級(jí)管理人員的管理需要。以隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、測(cè)量放樣、鉆孔、爆破、出渣、找頂排險(xiǎn)、作業(yè)臺(tái)架就位、測(cè)量放樣、拱架安裝、噴射混凝土、作業(yè)臺(tái)架移位、斷面清理、作業(yè)臺(tái)架就位整個(gè)閉合工序管理為對(duì)象，通過(guò)智能管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)隧道施工工序的自動(dòng)分配、人員通知、自動(dòng)考核上班時(shí)間等功能[5]。

3.4.1 人員通知功能

通過(guò)通信軟件和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電話系統(tǒng)通知這兩種不同方式，實(shí)現(xiàn)各工序上班人員的信息發(fā)送，在上一道工序即將完成前的一定時(shí)間內(nèi)，提前通知下一道工序的作業(yè)班組做好準(zhǔn)備，作業(yè)班組在收到通知后，可通過(guò)APP反饋信息。

3.4.2 人員監(jiān)控功能

通過(guò)洞口門禁系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)和模擬地圖，實(shí)時(shí)掌握人員的進(jìn)洞時(shí)間、進(jìn)入作業(yè)面時(shí)間、離開(kāi)作業(yè)面時(shí)間、出洞時(shí)間，從而精準(zhǔn)掌握資源配置是否到位、工序銜接是否緊湊。

3.4.3 車輛調(diào)度功能

車輛定位調(diào)度系統(tǒng)具備車輛統(tǒng)計(jì)、路徑跟蹤、軌跡查詢、安全管理、出洞異常提示等功能。在車輛上安裝高精度的定位設(shè)備終端與顯示屏，可以實(shí)現(xiàn)交互功能，對(duì)進(jìn)入隧道內(nèi)的車輛進(jìn)行定位與調(diào)度，實(shí)時(shí)監(jiān)控隧道內(nèi)的車輛，為車輛行駛提供安全保障，提高車輛的工作效率。同時(shí)，在車輛上安裝探測(cè)器和傳感器，可以監(jiān)測(cè)車輛的油耗、運(yùn)行狀態(tài)等信息。

3.4.4 輔助工序考核功能

工序時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析模塊，可以根據(jù)圍巖級(jí)別、開(kāi)挖工法、進(jìn)度指標(biāo)等確定各工序施工的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)分析形成每循環(huán)、每工序時(shí)長(zhǎng)的統(tǒng)計(jì)分析表。在分析表中公布獎(jiǎng)罰標(biāo)準(zhǔn)，可根據(jù)不同作業(yè)人員進(jìn)入作業(yè)面的時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算獎(jiǎng)罰金額，體現(xiàn)出考核的差異性。

若某道工序因施工原因造成延誤，在系統(tǒng)中輸入相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)可自動(dòng)調(diào)整后續(xù)工序的作業(yè)時(shí)間，對(duì)后續(xù)工作人員、車輛等進(jìn)行自動(dòng)延時(shí)通知。

3.4.5 分級(jí)預(yù)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能

系統(tǒng)通知作業(yè)班組上班后，可通過(guò)門禁系統(tǒng)和人員定位系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，作業(yè)班組未進(jìn)洞、未進(jìn)入作業(yè)面，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)延誤時(shí)間的不同，自動(dòng)發(fā)送預(yù)警信息至班組長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)副經(jīng)理、項(xiàng)目經(jīng)理處。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)對(duì)延誤時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)考核，自動(dòng)形成對(duì)周、月預(yù)警信息的統(tǒng)計(jì)分析，可用于對(duì)作業(yè)班組的整體評(píng)價(jià)[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道智能化建造已經(jīng)成為全國(guó)隧道建設(shè)的前沿發(fā)展方向，研究與踐行隧道智能化建造，是時(shí)代賦予工程建設(shè)者的神圣使命。未來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)將進(jìn)一步融合，綜合應(yīng)用BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)全過(guò)程的信息化、自動(dòng)化、無(wú)人化或少人化智能理念，達(dá)到全過(guò)程數(shù)字化管理，多專業(yè)協(xié)同管控，從而形成安全、經(jīng)濟(jì)、高效、可靠的信息化管理體系。通過(guò)創(chuàng)新管理手段，更新管理理念，以信息化1+N+工區(qū)/班組、物聯(lián)網(wǎng)等為載體，通過(guò)隧道的智慧調(diào)度管理系統(tǒng)，提高管理效率。因此，對(duì)隧道施工智能調(diào)度管理的理論、技術(shù)應(yīng)用，必將提升我國(guó)隧道建造技術(shù)的機(jī)械化、信息化水平，推動(dòng)隧道建造技術(shù)向智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)的研發(fā)與擴(kuò)散，使隧道工程建造產(chǎn)業(yè)鏈得到極大的拓展與延伸，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)。