施工機械數(shù)據(jù)驅動下的鐵路隧道工程智能建造數(shù)據(jù)共享方案

郭鵬飛，郭 釗，梁 策，王騰霄

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；2.陜西交控工程技術公司，西安 710117）

鉆爆法施工作為鐵路隧道工程重要的建造方式之一，具備經(jīng)濟、高效及地質適應能力強等優(yōu)勢，目前，我國80%以上的隧道采用鉆爆法修建[1]。隨著工業(yè)技術的發(fā)展和施工工藝的革新，鉆爆法隧道施工已初步形成了全工序機械化作業(yè)模式[2-3]。數(shù)據(jù)在機械化作業(yè)中扮演著至關重要的角色，是支撐鉆爆法隧道機械化、智能化建造的基礎。然而，由于隧道工程施工環(huán)境惡劣、網(wǎng)絡信號受限，機械設備群（簡稱：機群）間普遍存在信息孤島問題，機械設備狀態(tài)、定位、施工日志、監(jiān)控視頻等信息無法及時地提供給相關信息化管控系統(tǒng)，使得整體工序銜接能力和施工效率受到了較大的限制，無法實現(xiàn)多任務、多工序、多機械設備的協(xié)同作業(yè)。因此，亟待突破鉆爆法隧道施工智能建造數(shù)據(jù)共享技術瓶頸。

針對鉆爆法隧道施工成套機械設備的數(shù)據(jù)共享、協(xié)同作業(yè)問題，國內(nèi)外許多學者進行了相關研究。劉飛香[4]圍繞鄭萬高鐵隧道鉆爆法機群協(xié)同作業(yè)技術需求，以成套智能裝備為基礎，研發(fā)了裝備數(shù)據(jù)驅動的施工協(xié)同管理平臺，實現(xiàn)了對裝備機群感知獲取的數(shù)據(jù)進行在線分析、挖掘和決策； 王朋樂[5]采用C# 語言開發(fā)了山嶺隧道鉆爆法施工信息采集與機械化施工配套分析軟件，實現(xiàn)了施工循環(huán)基本信息的采集、機械配套數(shù)量計算和開挖作業(yè)時間預估等功能；Sharafat等人[6]提出了一種基于BIM的隧道模型信息建?？蚣?，并應用于實施案例中，將工程鉆爆法施工的5個相互關聯(lián)數(shù)據(jù)模型，以IFC標準集成起來，從而實現(xiàn)了施工過程的可視化與工程數(shù)據(jù)的共享；費廣海等人[7]建立了一個集信息管理、分析預測及安全預警等功能于一體的鉆爆法隧道施工監(jiān)測系統(tǒng)，能夠對各類隧道的多元施工信息進行全面監(jiān)測，并對監(jiān)測信息進行有效管理、準確分析、及時反饋；馬少雄等人[8]在研究中建立了數(shù)字化施工協(xié)同管理平臺，能夠快速分析各個工序的施工數(shù)據(jù)，避免了“信息斷層”和“信息孤島”問題。綜上可知，既有的一些研究雖然能夠在一定程度上解決鉆爆法隧道施工成套機械設備多工序協(xié)同監(jiān)測的難題，但提出的方法均圍繞具體的施工應用層面，對成套機械設備多源數(shù)據(jù)共享及應用方法的研究較少。

鑒于此，本文研究鐵路隧道工程智能建造數(shù)據(jù)共享方案，設計了適用于鉆爆法隧道施工成套機械設備協(xié)同的云－邊－端組網(wǎng)架構，提出適用于該架構的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)壓縮與加密及數(shù)據(jù)傳輸與存儲等數(shù)據(jù)共享關鍵技術，以期實現(xiàn)成套機械設備協(xié)同作業(yè)，支撐鉆爆法隧道智能化建造應用。

1 云-邊-端組網(wǎng)架構

鉆爆法隧道施工的5種作業(yè)線包括超前作業(yè)線、開挖作業(yè)線、初支作業(yè)線、結構作業(yè)線及輔助作業(yè)線[9]。多功能鉆機、智能型鑿巖臺車、智能型鏟銑機、混凝土噴射臺車、錨桿臺車、拱架臺車、新型襯砌臺車等系列機械的研發(fā)應用，形成了涵蓋5種作業(yè)線的隧道全工序機械化施工作業(yè)體系，構筑起隧道智能建造作業(yè)機械設備的基礎。

為保障鉆爆法隧道施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸、共享的高效性和安全性，結合實際隧道多機械作業(yè)需求，以及鐵路行業(yè)當下的隧道內(nèi)部組網(wǎng)環(huán)境條件與信息系統(tǒng)云邊協(xié)同體系架構[10]，本文設計了鉆爆法隧道施工成套機械設備協(xié)同作業(yè)的云-邊-端組網(wǎng)架構，如圖1所示。

圖1 鉆爆法隧道施工成套機械設備協(xié)同的云-邊-端組網(wǎng)架構

（1）終端側以鉆爆法隧道施工成套機械設備為核心。通過光纖+隧道壁接入點（AP，Access Point）的方式向隧道內(nèi)掌子面延伸網(wǎng)絡，實現(xiàn)掌子面附近網(wǎng)絡全覆蓋；同時，建立車載無線AP與隧道壁無線AP間的連接，形成隧道內(nèi)本地網(wǎng)，施工機械設備基于機載感知、決策、執(zhí)行系統(tǒng)實現(xiàn)隧道環(huán)境下的智能作業(yè)。

（2）邊緣側以本地指揮中心為核心。通過車載無線AP和標準交互接口，接收終端機械設備自動采集處理的工作實時數(shù)據(jù)、施工日志數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，并實時下發(fā)控制指令，實現(xiàn)機械設備真實作業(yè)場景重現(xiàn)和協(xié)同交互控制。

（3）云端側為機械設備協(xié)同管理云平臺（簡稱：云端平臺）。通過邊緣側指揮中心與云端側的網(wǎng)絡互連，將數(shù)據(jù)傳至云端平臺，從而為圍巖信息交互、設計動態(tài)調整、施工智能監(jiān)控、質量動態(tài)評估等核心應用場景提供數(shù)據(jù)支撐，以此提升建設單位、設計單位及施工單位等多方用戶的工作效率。

2 數(shù)據(jù)共享關鍵技術

2.1 數(shù)據(jù)標準化處理

鉆爆法隧道施工工序復雜，各工序對應的機械設備采集的數(shù)據(jù)格式不同、協(xié)議不一致，為保證各類數(shù)據(jù)與云端平臺良好的交互和共享，需要對其進行標準化處理。

2.1.1 機械設備狀態(tài)數(shù)據(jù)處理

機械設備狀態(tài)數(shù)據(jù)為施工機械設備在作業(yè)過程中產(chǎn)生的高頻率數(shù)據(jù)，每一道工序、每一類機械設備上的傳感器監(jiān)測點位眾多。典型的鉆爆法施工機械設備本地端機載傳感系統(tǒng)能夠采集的數(shù)據(jù)包括：裝備狀態(tài)信息、作業(yè)項目信息、工序定位信息、工序施工作業(yè)信息、構件基礎規(guī)格信息及作業(yè)音視頻信息等。在數(shù)據(jù)采集過程中，施工機械設備從CAN總線獲取每個傳感器的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，基于傳輸控制協(xié)議（TCP，Transmission Control Protocol）與云端平臺建立連接，將實時狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給云端平臺。通過制定標準的報文交互表格，云端平臺能夠將其解析為明文數(shù)據(jù)，并存儲為JSON格式，從而保證每類機械設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、易讀，實現(xiàn)施工機械設備狀態(tài)的信息化管理。

2.1.2 視頻流數(shù)據(jù)處理

為能夠實時掌握隧道內(nèi)的施工狀況，所有的施工機械設備上均安裝了高清攝像頭，以便通過直播流的方式查看隧道內(nèi)的施工場景。本文基于實時流傳輸協(xié)議（RTSP，Real Time Streaming Protocol）的視頻流媒體服務，在云端平臺安裝高效、穩(wěn)定的流媒體服務器軟件，以支持設備或其他平臺注冊接入、向上級聯(lián)第三方平臺，并通過可視化的Web頁面管理，對所有攝像頭視頻流進行集中管控，保證所有攝像頭數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)一管理。

2.2 數(shù)據(jù)壓縮與加密

2.2.1 數(shù)據(jù)壓縮

鉆爆法隧道智能建造需要長時間、連續(xù)遠程監(jiān)測機械設備運行狀態(tài)，監(jiān)控過程中累計數(shù)據(jù)量大、采集頻率高，且數(shù)據(jù)流量大[11]。為減少云端平臺服務端數(shù)據(jù)采集壓力和傳輸成本，本文采取僅在第1次采集時涵蓋施工機械設備的所有監(jiān)測點位的全量數(shù)據(jù)，之后僅對數(shù)據(jù)更新的監(jiān)測點位進行采集，并按固定幀/包進行數(shù)據(jù)打包、壓縮的方式。通過這種方式，能夠大量減少數(shù)據(jù)冗余和數(shù)據(jù)傳輸時的負載，提高數(shù)據(jù)實時傳輸性能。

2.2.2 數(shù)據(jù)加密

為提高信息系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性和保密性，防止工程現(xiàn)場相關地理地質信息、操作指令等敏感信息被外部破譯或干擾，本文針對鉆爆法隧道施工成套機械物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求，應用混合加密方法，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸混合加密方法

（1）云端側根據(jù)預設的固定格式生成固定的里夫斯特-沙米爾-阿德曼（RSA，Rivest-Shamir-Adleman）公私鑰對，并將公鑰提供給現(xiàn)場終端側；

（2）終端側隨機生成指定長度、指定規(guī)則的字符串，即為高級加密標準（AES，Advanced Encryption Standard）密鑰，并使用RSA公鑰加密AES密鑰；

（3）終端側將明文數(shù)據(jù)先壓縮再用AES密鑰進行加密，得到加密明文數(shù)據(jù)；

（4）終端側將加密后的AES密鑰和密文數(shù)據(jù)發(fā)送到云端側；

（5）云端側使用RSA私鑰解密得到AES密鑰；

（6）云端側使用AES密鑰解密密文數(shù)據(jù)，從而得到明文數(shù)據(jù)進行業(yè)務處理或者存儲；

（7）云端側將業(yè)務處理后生成的結果數(shù)據(jù)進行AES密鑰加密，并返回給終端側；

（8）終端側使用AES密鑰解密，得到結果數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場應用。

綜上所述，AES和RSA密鑰都是通過隨機性特征生成，AES對稱密碼體制對傳輸數(shù)據(jù)加密，同時RSA不對稱密碼體制傳送AES的密鑰，從而綜合發(fā)揮AES和RSA的優(yōu)點、避免其缺點，有效保證鉆爆法隧道施工機械設備數(shù)據(jù)的保密性、完整性和安全性。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸與存儲

2.3.1 多源數(shù)據(jù)傳輸方法

鉆爆法隧道施工機械設備所采集的數(shù)據(jù)涉及CANopen、TCP/IP、RTSP、HTTP、MQTT等多種協(xié)議的特點，本文設計了一種高效、穩(wěn)定 、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸方法。該方法通過TCP/IP或者MQTT協(xié)議，實現(xiàn)機械設備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)通過上位機或車載物聯(lián)網(wǎng)關，與云端平臺進行交互，并基于HTTP協(xié)議實現(xiàn)機械設備定位數(shù)據(jù)及循環(huán)日志數(shù)據(jù)與云端平臺的互通，從而實現(xiàn)鉆爆法隧道施工過程與云端平臺數(shù)據(jù)的動態(tài)流轉。

2.3.2 多源數(shù)據(jù)存儲策略

鑒于數(shù)據(jù)類型多樣性及應用多元化的特點，云端平臺應用多種存儲引擎存儲不同類型、不同特點的數(shù)據(jù)。

（1）使用RDBMS-MySQL數(shù)據(jù)庫存儲項目、構筑物、工點、機械等結構化數(shù)據(jù)；

（2）應用MongoDB數(shù)據(jù)庫存儲相關地質數(shù)據(jù)與機械實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫適合存儲半結構化數(shù)據(jù)，可以較好地支持多維度的歷史數(shù)據(jù)查詢；

（3）利用分布式文件系統(tǒng)存儲設備文檔、文本文件等，對各種機械設備的設計參數(shù)進行管理，能滿足數(shù)據(jù)批處理及設計數(shù)據(jù)快速更新的需求；

（4）利用Redis數(shù)據(jù)庫緩存各機械實時狀態(tài)數(shù)據(jù)等。通過采用多數(shù)據(jù)存儲引擎，可以實現(xiàn)存儲合理設計、數(shù)據(jù)靈活取用。

3 施工機械數(shù)據(jù)驅動的鐵路隧道智能建造應用

3.1 圍巖感知信息實時交互

鉆爆法鐵路隧道智能建造過程中，基于智能三臂鑿巖臺車多傳感器，自主采集隨鉆參數(shù)。包括利用流量傳感器獲取水流量及進給速度；利用壓力傳感器獲取沖擊壓力、推進壓力、回轉壓力、水壓力；基于工業(yè)相機等自主采集掌子面圖像；應用回彈儀和彈性波速測試儀，獲取巖體的強度與完整性信息。

施工機械設備通過多級網(wǎng)絡，將采集的鉆進數(shù)據(jù)、掌子面圖像等圍巖感知相關信息傳至云端平臺，云端平臺將其實時轉發(fā)至相關設計單位，用于支撐圍巖智能動態(tài)判識，實現(xiàn)圍巖感知信息的動態(tài)交互?；谥悄苋坭弾r臺車的鐵路隧道施工圍巖信息實時交互示意如圖3所示。

圖3 基于智能三臂鑿巖臺車的鐵路隧道施工圍巖信息實時交互示意

3.2 機群協(xié)同作業(yè)

基于對各工序機械設備作業(yè)數(shù)據(jù)的采集分析，云端平臺在將數(shù)據(jù)共享給各參建方的同時，也可將其在機群之間共享，有效促進機群之間協(xié)同作業(yè)和工序智能管控。鉆爆法隧道施工成套機械設備智能監(jiān)控與協(xié)同交互界面，如圖4所示。

圖4 鉆爆法隧道施工機械智能監(jiān)控與協(xié)同交互界面

3.2.1 單機多臂協(xié)同

以智能三臂鑿巖臺車為例，通過對其3個臂架位移、角度等數(shù)據(jù)的采集，精確掌握每個臂在空間的相對位置，通過程序自主限制臂架移動的速度和位移，避免3個臂在空間運動過程中碰撞、干擾，實現(xiàn)各臂架運動路徑的自動規(guī)劃。

3.2.2 單工序多機協(xié)同

為提高施工效率，保證工程的施工進度，針對性的關鍵工序可通過多機協(xié)同作業(yè)的方式，借助統(tǒng)一、通用的同類型多機同步作業(yè)設備數(shù)據(jù)信息共享、交互信道，建立同源異構設備的多源信息融合自決策能力，最終打造具有單工序多機協(xié)同控制決策的機器人作業(yè)協(xié)同。例如，智能三臂鑿巖臺車在大斷面隧道雙機并打工況下的實時碰撞檢測、動態(tài)孔序規(guī)劃和臂架路徑規(guī)劃。

3.2.3 多工序協(xié)同

鉆爆法隧道施工工序復雜、涉及的機械設備種類繁多，工序安排不及時極易造成施工效率降低、工程進度滯后。多工序協(xié)同將采集的關鍵工序施工數(shù)據(jù)，以及各工序機械設備所產(chǎn)生的施工數(shù)據(jù)，經(jīng)云端平臺交互、共享，機械設備根據(jù)接收的其他工序的數(shù)據(jù)，及時調整施工、作業(yè)控制參數(shù)；施工完成后，機械設備及時向云端平臺反饋施工數(shù)據(jù)，云端平臺接收到數(shù)據(jù)后，可動態(tài)調整工序安排，保證各工序之間無縫銜接，進一步確保工程的質量和進度。

以智能三臂鑿巖臺車為例，在開挖爆破后，經(jīng)三維掃描儀對整個輪廓進行掃描，記錄整個輪廓上的超/欠挖情況，并生成相對應的掃描日志；掃描日志經(jīng)多級網(wǎng)絡上傳至云端平臺，云端平臺可提前安排下一工序，并將掃描日志共享給智能濕噴臺車，智能濕噴臺車可根據(jù)掃描日志有效控制各區(qū)域的濕噴方量，在保證施工質量的同時，有效減少施工成本。

4 結束語

針對鐵路鉆爆法隧道施工成套機械設備協(xié)同作業(yè)的數(shù)據(jù)共享需求，提出鐵路隧道工程智能建造數(shù)據(jù)共享方案：設計了云－邊－端組網(wǎng)架構，以及適用于該架構的數(shù)據(jù)共享關鍵技術。該方案已在相關隧道工程中應用，進一步保障了現(xiàn)場成套機械設備施工數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院桶踩?；在隧道環(huán)境惡劣、網(wǎng)絡通信信號受限條件下，解決了成套機械設備數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)募夹g難題；在機械設備群互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享的基礎上，依托機械設備協(xié)同管理云平臺，實現(xiàn)了人（參建人員）－機（機械設備群）－巖（圍巖）之間的實時高效協(xié)同。

隧道工程建造由機械化逐步升級到智能化是現(xiàn)代鐵路發(fā)展的必然趨勢。下一步將深入研究鉆爆法隧道施工成套機械協(xié)同的作業(yè)體系，進一步提升智能建造的可靠性和過程管控的精細化程度和精準性。